如何在高寒地區(qū)實(shí)施長(zhǎng)距離引水式電站防冰凍設(shè)計(jì)

馬成錄

(青海省三江水電開(kāi)發(fā)股份有限公司,青海西寧 810008)

如何在高寒地區(qū)實(shí)施長(zhǎng)距離引水式電站防冰凍設(shè)計(jì)

馬成錄

(青海省三江水電開(kāi)發(fā)股份有限公司,青海西寧 810008)

80年代初,關(guān)于電站的冬季運(yùn)行只有少部分設(shè)計(jì)者予以重視,但由于對(duì)冰害規(guī)律認(rèn)識(shí)不夠或缺乏經(jīng)驗(yàn),整體運(yùn)行效果欠佳。為此,本文主要以某高寒地區(qū)實(shí)施長(zhǎng)距離引水式電站工程為例,詳細(xì)分析各種放冰凍措施,如渠道防冰、前池排冰、金屬結(jié)構(gòu)防冰凍或水庫(kù)蓄冰增溫等,在結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)提出較為優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案,以此來(lái)保證工程在冬季時(shí)的安全運(yùn)行。

高寒地區(qū) 長(zhǎng)距離引水式電站 防冰凍 設(shè)計(jì)

高寒地區(qū)冬季都漫長(zhǎng)寒冷,最低氣溫一般在-28℃～-40℃左右,整個(gè)冬季有些小水電都無(wú)法正常運(yùn)行,大多是受冰害影響,以致牧業(yè)或農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)和電站效益無(wú)法正常發(fā)揮,也給當(dāng)?shù)鼐用駧?lái)生活的不便。電站雖然通過(guò)在河道上修建取水口來(lái)取水,但引水渠道和壓力鋼管較長(zhǎng),不可避免延長(zhǎng)冬季沿程產(chǎn)冰,為此,本文分析了多種防冰凍設(shè)計(jì),并結(jié)合工程具體情況給予相應(yīng)的防冰凍措施,全面保障電站在冬季時(shí)的正常運(yùn)行。

1 上游河道水庫(kù)蓄冰

本文所研究的工程水庫(kù)正常蓄水容量為17．23億m3,死容庫(kù)為3．20億m3,取水口上游河道有2座梯級(jí)水庫(kù),水庫(kù)投入運(yùn)行后在冬季出庫(kù)水溫平均在0．4℃左右,為了避免河道冰進(jìn)入渠道,特利用水庫(kù)中的蓄冰作用保證水電站運(yùn)行。本工程河道冰進(jìn)入渠道的問(wèn)題因兩個(gè)梯級(jí)水庫(kù)的蓄水運(yùn)行而得以順利解決,提高了水流水溫,但需要配備其他的放冰凍措施來(lái)徹底解決渠道自產(chǎn)冰。

2 閘門(mén)防冰凍設(shè)計(jì)

2.1 冰凍對(duì)閘門(mén)產(chǎn)生的危害

閘門(mén)上出現(xiàn)冰蓋的靜壓力稱(chēng)為閘門(mén)防凍,此防凍作用是為了避免冰塊或相關(guān)冰質(zhì)堵塞閘門(mén),妨礙閘門(mén)埋固件工作。冰凍對(duì)閘門(mén)的危害與高寒地區(qū)的冰情規(guī)律有關(guān),存有差異性。冰凍災(zāi)害形式多樣,目前出現(xiàn)過(guò)的冰凍情況都是根據(jù)引水渠道和水利樞紐常出現(xiàn)危害總結(jié)得出,一般有以下幾種：①閘門(mén)受埋固件與引水渠道閘門(mén)凍死的影響,長(zhǎng)時(shí)間不能啟閉,造成連底凍和引發(fā)冰水漫堤,渠堤遭到?jīng)_毀。②水庫(kù)形成冰蓋,巨大的冰蓋推力都集聚在露定閘門(mén)處,導(dǎo)致門(mén)葉變形或損壞。③閘門(mén)受埋固件與引水渠道閘門(mén)凍死的影響,長(zhǎng)時(shí)間不能啟閉,正常運(yùn)行受到影響,有大量冰塊形成堵塞堆積,引水功能失效。④在整個(gè)冬季潛孔工作閘門(mén)處于擋水工況,門(mén)葉迎水面形成巨大冰包與埋固件牢固地凍結(jié)至一起,損壞水封和啟閉設(shè)備,閘門(mén)無(wú)法啟閉。

2.2 閘門(mén)防冰凍工程現(xiàn)狀

冰凍工程廣泛應(yīng)用于我國(guó)的東北、西北及青藏等高寒地區(qū),其工程分為不同的技術(shù)工種,如蓄冰工程技術(shù)、排冰工程技術(shù)、輸冰工程技術(shù)等。其中化冰工程技術(shù)主要運(yùn)用于渠道和樞紐區(qū)間所運(yùn)行的閘門(mén),還有幾種升溫方法給予輔助,如增溫法、吹泡法、加熱法等。如青海牛板筋水電站采用增溫法,新疆喀什三級(jí)水電站采用打冰機(jī)、天津引欒工程大黑汀水庫(kù)渠首分水閘閘門(mén)采用循環(huán)熱油法等,上述放冰凍工程技術(shù)的效果都十分良好。

2.3 閘門(mén)防冰凍設(shè)計(jì)

本文所研究的引水線路在分水閘、排冰閘、沖沙閘等建筑物上均布置了全線金屬結(jié)構(gòu),除此之外,在回轉(zhuǎn)式攔污柵框架內(nèi)及水閘門(mén)槽還裝置電加熱器,如 果溫度在 -5℃以下會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟電加熱器,保證溫度適宜,調(diào)節(jié)其溫度只要通過(guò)控制相關(guān)裝置即可,電加熱器的存在為了防止閘門(mén)有冰凍現(xiàn)象,影響電站正常運(yùn)行。此外,電站進(jìn)口啟閉機(jī)房的結(jié)構(gòu)是全封閉,房間內(nèi)設(shè)有采暖設(shè)備,保證閘門(mén)內(nèi)井口在冬季運(yùn)行時(shí)不會(huì)結(jié)冰,從而實(shí)現(xiàn)電站進(jìn)水口事故閘門(mén)的冬季保護(hù)作用及排沙孔的正常使用。

3 渠道放冰凍設(shè)計(jì)

3.1 渠道縱坡和斷面選擇

根據(jù)相關(guān)電站的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),可以總結(jié)為“蓄”渠首防冰的重點(diǎn),具體指利用有利地形建壩引水后形成具有容積量的蓄冰庫(kù)容,便于有效攔截蓄河道冰凌。原理是冰蓋在庫(kù)中逐漸形成,入庫(kù)水體因冰蓋隔絕了冷空氣的侵襲,之后水體和庫(kù)底地溫兩種熱量進(jìn)行交換,入庫(kù)水體升溫,進(jìn)而消融冰凌?？紤]到冬季極端寒冷的情況,引水渠特采用的是輸冰運(yùn)行方式,即使是最小引水發(fā)電流量也不會(huì)出現(xiàn)岸冰,輸冰流速控制在1．2m/s左右,滿足輸冰流速要求。經(jīng)綜合比較后,選定窄深式梯形斷面引水渠,渠道縱坡為1/5000,渠深5．63m,相應(yīng)水面寬度為21．5m,底寬4．0m,邊坡1：2,設(shè)計(jì)水深為4．372,混凝土板的選擇要符合抗冰凍要求,其厚度大約為100mm,渠道縱、橫向均2m布置一道伸縮縫,形式以錯(cuò)縫為主,可用閉孔聚乙烯泡沫塑料來(lái)填充縫內(nèi),之后采用聚胺脂砂漿勾縫表面,做好防滲措施即可。引水渠不管結(jié)冰蓋運(yùn)行或輸冰運(yùn)行,嚴(yán)密監(jiān)查和控制冰凌入渠量和它們是否可以安全輸水有關(guān),如果控制失當(dāng),渠道冰塞問(wèn)題都有可能出現(xiàn)在上述運(yùn)行方式。因此,為了防止渠首前冰堵和保障渠首的安全運(yùn)行應(yīng)加強(qiáng)渠首向下游河床的排冰管理,對(duì)電站在冬季安全運(yùn)行起著重要的促進(jìn)作用。

3.2 凍脹土處理

含土砂礫石的土含量局部有粒徑,屬于小于0．0075m的土粒,土含量超過(guò)10%,此類(lèi)土是引水明渠的基礎(chǔ),它的土含量超過(guò)10%且局部有粒徑小于0．075mm的土粒,開(kāi)挖后能發(fā)現(xiàn)凍脹性土的部位,采用渠道襯砌等方式來(lái)治理砂礫石,還可挖掘相關(guān)管道做好排水管的處理工作。

3.3 高填方跨洪溝

由于渠道槽身保溫效果差,屬于高聳建筑物,除此之外,渠道沿線自身還需跨過(guò)幾個(gè)大的沖洪溝,導(dǎo)致在冬季時(shí)會(huì)出現(xiàn)槽身結(jié)冰和進(jìn)口阻冰等問(wèn)題。為了便于維護(hù),可在布置渠線時(shí),將渠線適當(dāng)向沖溝上游偏離,直接以填方渠道跨越,既降低渠道臨空高度,又降低了造價(jià)。

3.4 彎道及交叉建筑物布置

設(shè)置彎道部位是為了盡量順直引水線路,減少?gòu)澋?彎道設(shè)置可取遠(yuǎn)大于10倍水面寬度,半徑為500m左右,便于彎道處水流形成完整的環(huán)流來(lái)防止因冰造成的冰塊堵塞,本文工程沒(méi)有將排洪渡槽運(yùn)用到渠道沿線排洪處,只是從渠底下穿越排洪涵,減少水面建筑物所形成的掛冰,后續(xù)導(dǎo)致堵塞的可能。

4 壓力鋼管防冰凍設(shè)計(jì)

壓力鋼管分為露天式和埋藏式,從結(jié)構(gòu)和材料上分為無(wú)縫鋼管、焊接或鉚接,為方便本文工程使用,特從鋼管預(yù)留出分支管。本文所研究工程為單管單機(jī)布置型式,共運(yùn)用了3根壓力鋼管,采用16MnR鋼制作,每根管徑4．0m,管線長(zhǎng)約2020m,設(shè)計(jì)引用流量33．33m3/s,管內(nèi)最大流速2．65m/s。為了避免壓力鋼管在冬天時(shí)被冰堵塞或出現(xiàn)結(jié)冰,特將保溫材料抱在管外。最終設(shè)計(jì)方案在開(kāi)挖的溝槽內(nèi)布置鋼管,管道安裝完畢后,開(kāi)挖的砂礫石土回填,管頂回填土的平均深度為2．0,大于該地區(qū)0．6的凍土深度,不僅地?zé)釋?duì)管道起到升溫,還能運(yùn)用回填土的隔熱起到保溫作用,從而本工程長(zhǎng)壓力管道的放冰凍問(wèn)題可以得到徹底解決。

5 前池防冰設(shè)計(jì)

前池是長(zhǎng)距離引水式水電站冰害的最后一個(gè)環(huán)節(jié),本文所采用的是輸排冰方式來(lái)避免冰花進(jìn)入電站機(jī)組,以致形成渠道及前池結(jié)成冰蓋等問(wèn)題。為此特綜合分析比較了4種壓力前池,分別是正向排冰正向引水、彎道排冰正向引水、正向排冰側(cè)向引水及側(cè)向排冰正向引水,從中選擇一個(gè)較適合本文工程的,上述4種方法屬正向排冰正向引水效果最好,其次是彎道排冰正向引水,本文采用的則是此方法,在渠道入前池前布置轉(zhuǎn)彎角達(dá)81．5°的彎道,之后利用彎道進(jìn)行排冰正向引水,由于受當(dāng)?shù)氐匦斡绊懟蚋邏狠斪兙€塔的限制,水面寬度要大于彎道轉(zhuǎn)彎半徑,如此一來(lái)彎道處極容易產(chǎn)生岸病,水面寬度得以縮小,實(shí)現(xiàn)阻滯冰花的目的。此外,此彎道還有排冰設(shè)施,使彎道阻冰現(xiàn)象可以有效避免,在冰花量小的情況下結(jié)合電站進(jìn)水口出的回轉(zhuǎn)式攔污柵可打撈浮冰,如冰花量小時(shí),聯(lián)合運(yùn)用回轉(zhuǎn)式攔污柵和排冰渣來(lái)充分排除渠道中的冰花,具有耗水量小、經(jīng)濟(jì)有效等特點(diǎn)。除了上述兩種排冰方法外,虹吸引水是前池運(yùn)用較好的防冰措施,它取消了進(jìn)水閘門(mén),避免了進(jìn)水閘的冰害,真空泵和真空破壞是實(shí)現(xiàn)進(jìn)水和斷流的主要方式,可在水下埋設(shè)攔污泥柵,因此掛冰或冰堵問(wèn)題根本不會(huì)存在。

6 結(jié)語(yǔ)

總之,長(zhǎng)距離引水式電站放冰凍設(shè)計(jì)要緊密聯(lián)系蓄、防、輸、排等相關(guān)環(huán)節(jié),并于當(dāng)?shù)貧鉁貤l件相結(jié)合,做好保證冬季穩(wěn)定運(yùn)行的措施。除此之外,還應(yīng)留意電站在當(dāng)日平均氣溫降低到零度以下時(shí)會(huì)進(jìn)入冬季輸冰運(yùn)行期,直到穩(wěn)定恢復(fù)為止,如仍有產(chǎn)冰或岸冰等現(xiàn)象,應(yīng)及時(shí)采取措施。由于冬季運(yùn)行較為復(fù)雜,設(shè)計(jì)單位應(yīng)有效結(jié)合以往電站冬季運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),促使工程更好的發(fā)揮應(yīng)有的效益。

[1]史紅光.鄂曲水電站冰凍期運(yùn)行安全措施論述[J].水利水電技術(shù),2011,42(11):95-97,101

[2]嚴(yán)躍成.卡群電站壓力前池防冰塞設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].山西建筑,2010,36(20):364-365.

[3]朱永斌.水電站冬季運(yùn)行探討[J].中國(guó)水運(yùn)(下半月),2011,11(9):144-145.

[4]吳小靜.水電站冬季運(yùn)行遇到的問(wèn)題及對(duì)策[J].黑龍江水利科技,2012,(11):121-122.

[5]張娜,霍丙臣,王劍楠等.冰情危害及冬季明渠安全輸水探討[J].河南水利與南水北調(diào),2010,(11):77-78.