严寒地区引水式水电站设计和安全运行经验

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严寒地区引水式水电站设计和安全运行经验

山东茂隆新材料科技有限公司 2020-11-18 2143


阿勒泰地区位于东经85o31'57“~91o01'15”,北纬44o59'35“~49o10'45”,地处新疆维吾尔自治区最北部,气候特点是春旱多风,夏短不热,秋高气爽,冬季严寒而漫长,全年冬季长达5~6个月,极端最低气温达-51.5℃,最冷月平均气温达-18℃~21℃,河内冰厚0.5~1.0m,冻土深1.2~1.5m.经过40年的建设,阿勒泰地区已建成电站20余座,除可可托海电站、富蕴县一级电站等为坝后式电站外,其余多为明渠引水式电站。现结合我区几十年来积累的经验,就引水式水电站的设计要求和运行管理两个方面作一初步总结。

  1对引水式电站的设计要求

  1.1引水枢纽的布置及形式的选择

  在地形条件允许时,应考虑在电站上游建水库,以便冬季蓄冰,蓄冰库设计,不能仅以回水曲线形成的上游容积为界,应考虑到冰凌堆积和冰盖翘起后,来凌仍可向上游堆积一段距离,一般蓄冰静库容达到年输冰量的1/3即可。对于没有条件修建蓄冰库的引水枢纽,需考虑泄洪、排砂、拦冰和排冰措施。进水口应放在设计水位以下5~6m,以防止进水口控制设施的冻结。

  引水枢纽宜选择在河床较稳定的平直段内,以防闸前冰凌堵塞,拦河溢流坝或导流堤需适当增加超高,应大于河道冰厚,避免因闸前进水受阻时坝顶溢流而造成“跑水”。

  对于冬季流量较小的河道应能使河水全部进入引水渠,采用底栏栅式进水闸较好,这样能避免冰块进入渠内。对于冬季河道流量较大的电站,采用新疆常用的弯道式渠首,排冰效果较好,耗水量也小。

  1.2引水渠设计

  1.2.1渠线选择

  为保证电站冬季顺利排冰,引水渠应尽量将渠线选择在河谷的阳坡,利用冬季阳光的辐射来提高水温,减少再生冰。渠线应直、顺,当必须设置弯道时,其弯道半径宜大于10倍设计水面宽度,以避免冰块在弯道上堵塞;渠线宜布置在挖方段,不宜布置在填方段,避免冰盖推力而引起渠堤滑坡、渠道决口。富蕴县二级电站引水渠道大多为填方,冬季运行时曾发生多起渠道决口事件,严重影响安全生产。

  1.2.2渠道断面

  为了防止冬季渠道水热量的散失,形成稳定的冰盖,采用窄深式弧形渠底矩形或梯形断面比较适宜,弧形渠底采用浆砌卵石结构,边坡采用混凝土结构,这样渠道抗冻性好,边坡比较光滑,渠道挂冰现象少,对安全运行有利。渠道超高大小,要充分考虑冬季渠底和渠岸自生冰凌对过水断面的影响,一般要求以大河的冰盖厚度再加大30~60cm作为超高,这样可以保证冰盖形成以后,渠道仍有足够的过水断面。

  1.2.3流速

  渠道设计流速的大小,主要按渠道运行方式而定。当引水渠采用输冰运行时,渠道流速可在1.1~1.5m/s,不能大于1.5m/s.对于结冰盖运行的的电站,渠道流速一般在0.5~0.6m/s,既缓流运行,又无冰塞现象。黑山头水电站引水渠设计流速,当初没有考虑到冬季输冰运行要求,引水渠除部分渠段(矩形断面)流速能达到1.1m/s外,其余渠段(梯形断面)流速在0.5m/s以下,因此每年冬季冰塞或决口事件多发生在此渠段。

  1.2.4糙率

  当冰盖下满流输水时,综合糙率按下式计算:

  n=n1〔1+a(n2/n1)2/(1+a)〕1/2

  a=x2/x1

  式中n-冰盖综合糙率系数;

  x1-渠道湿周长度,m;

  x2-冰盖湿周长度,m;

  n1-渠底及边坡的糙率系数;

  n2-冰盖下表面的糙率系数,可按下表选用。

冰盖下表面糙率系数n2

结冰期平均流速v(m/s)  糙率系数n2  无冰凌,冰有裂缝  有冰凌,冰有裂缝  0.4<v≤0.6  0.010~0.012  0.012~0.014  0.6<v≤0.7  0.014~0.017  0.017~0.020 

  1.2.5纵坡

  结冰盖运行时,纵坡设计要根据地形条件、水能设计和工程造价,综合考虑选定,要以流速进行控制。

  输排冰运行时,纵坡采用前段陡些,以满足输冰流速要求,后段应在排冰闸前取20~40m的缓流段,以满足浮冰、排冰流速的要求

  1.3前池

  冬季安全运行,前池容积应适当加大,容积应计入冬季正常水位运行时冰盖所占有的容积,这样一是可以避免漫顶失事,二是可以降低流速,使上游所进冰凌均浮于水面之上,便于排除。前池一般需设置1~2条导凌筏,将渠道来冰导至排冰闸前集中排走,导凌筏与水流夹角不大于30o为宜。前池以正面排冰,侧面取水形式为佳,因为这种形式排冰和来水方向一致,可以充分利用水的表面流速,因而排冰耗水量小,排冰效果也好。排冰闸应与引水渠中心线布置在一条直线上,这样可使闸前水流平稳,闸前无回流和旋涡。排冰闸闸前渠内流速一般在0.7m/s左右,过闸流速一般要求大于1.5m/s,过闸排冰水深要大于最大冰块厚度,闸孔宽度要大于最大冰块宽度,出口应与陡坡平顺连接,陡坡宽度不小于排冰闸闸孔宽度。

  从我区几个水电站来看,前池闸室应设在室内,拦污栅的布置一般设在检修闸门与工作闸门之间为好,且布置在前池闸房中,闸房用电热或汽暖采暖,冬季室温应始终保持在0以上。为了使水道与前池闸房之间形成封闭,压力前池上游承重梁的高度应与前池正常水位相齐,目的在于水电站冬季运行时,使冰盖结在前池正常水位以上,此承重梁与冰盖封冻在一起,从而使冷空气进入不到闸房中。

  1.4压力管道和尾水室

  对于压力管道防冻,一般采用深埋式(大于冻土深)或加盖暖棚的办法进行压力管防冻。北屯一、二、三级电站利用利用下半夜甩负荷时的余电对压力管进行电力加热,有效地防止了冰冻问题。

  尾水室以淹没式为优,非淹没式圆锥钢尾水管,管内极易冰冻,对正常运行不利。

  2对引水式电站运行管理上的要求

  2.1流冰期应注意的问题

  阿勒泰地区一般每年10月下旬至11月中旬为流冰期,大河引进的冰凌加上渠道的再生冰,极易发生堵塞。流冰期要特别加强巡渠和各站点的值班监视工作,及时清除闸前和渠边挂凌和冰塞,以保持水流稳定,畅通无阻。若在此期间又遇上大雪,应特别注意。其它还应注意:

  a.使进水流量保持稳定,可适当加大,但不宜减少;

  b.要充分发挥排冰闸的作用,排除冰凌冰块;

  c.若遇堵塞,应自下游向上游进行排除,可用一小瓶内盛100g左右的炸药,点着投入冰塞处进行爆破,效果很好。

  2.2引水渠道结冰盖运行

  渠道在每年11月下旬,随着气温逐渐降低,特别是遇上寒流,气温骤降,渠道浮冰连在一起形成冰盖,冰盖一般呈拱形,即冰盖表面为水平,岸边较厚,形成以渠边为拱座的拱形体,岸边冰厚达30cm以上,渠中心较薄。为了保持冰盖的稳定,必须保持高水位运行,有时宁可少发电保持水位不下降。同时还要在各电站准备好水电阻,调节保持发电机的出力稳定,以防外网突然甩负荷,使渠道水位上升,当渠道中心冰盖厚度达到20cm左右时,即可在冰盖上每隔100~150m打一直径为30cm的冰洞,这样当渠中水位变化时,冰洞可起调压作用,当水位降落时,冰洞进气消除负压,避

复合土工膜是在薄膜的一侧或两侧经过烘箱远红外加热,把土工布和土工膜经导辊压到一起形成复合土工膜。随着生产工艺的提高,还有一种流延法做复合土工膜的工艺。其形式有一布一膜、二布一膜、两膜一布等。土工布作为土工膜的保护层,使保护防渗层不受损坏。为减少紫外线照射,增加抗老化性能,最好采用埋入法铺设。施工中,首先要用料径较小的砂土或粘土找平基面,然后再铺设土工膜。土工膜不要绷得太紧,两端埋入土体部分呈波纹状,最后在所铺的土工膜上用细砂或粘土铺一层10cm左右过渡层。砌上20-30cm块石(或砼预制块)作防冲保护层。施工时,应尽力避免石块直接砸在土工膜上,最好是边铺膜边进行保护层的施工。复合土工膜与周边结构物连接应采用膨胀螺栓和钢板压条锚固,连接部位要涂刷乳化沥青(厚2mm)粘接,以防该处发生渗漏。

免垮冰;当水位升高时,水就从冰洞溢出来,漫流在冰盖上的水,遇冷空气又结成冰,可以使冰盖加厚,一般后半夜负荷较轻,这时候可减少泄水道的排水,有控制地增高渠道水位,使水流不断从冰洞溢出来,结成70~80cm的理想冰盖,进入冰盖运行期。

  春季化冰期一般在4月初到4月下旬,这期间主要是防止冰盖下塌结成冰坝而堵塞渠道。这就要求加强渠道巡视,疏通退水渠和尾水渠,打掉泄水道上的冰盖,从下游往上游排冰,如遇堵塞处或发现有冰盖下塌,尽量用人工疏通,打碎的冰块不宜太大,防止因疏冰而造成新的堵塞;或采用人工定位爆破,将冰块炸碎,再用人工进行疏通。

  3结语

  我区冬季严寒,负温历时长,冰害严重,但只要根据气象、水温、冰情、工程条件等,制定符合实际情况的电站设计和运行管理制度,妥善解决冰冻问题,严寒地区水电站的冬季运行是完全有保障的。


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