嚴(yán)寒高海拔地區(qū)水電站引水渠道設(shè)計(jì)

吳建良

(中國能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司，新疆　830002)

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嚴(yán)寒高海拔地區(qū)水電站引水渠道設(shè)計(jì)

吳建良

(中國能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司，新疆830002)

摘要：新疆地區(qū)，冬季嚴(yán)寒且漫長，尤其是在高海拔地區(qū)修建引水式水電站工程，冬季運(yùn)行面臨嚴(yán)酷的挑戰(zhàn)，引水渠道冬季冰情嚴(yán)重，引水渠道內(nèi)的冰害是影響水電站能否正常運(yùn)行的的關(guān)鍵所在。由于嚴(yán)寒地區(qū)晝夜溫差大及獨(dú)特的自然地理?xiàng)l件，使得引水渠道內(nèi)冰的生成和消融極其頻繁，為了解決水電站冬季引水渠道打冰、撈冰、破冰等問題，水電站通常采用引水渠道結(jié)冰蓋運(yùn)行，現(xiàn)以新疆塔什庫爾干河布達(dá)爾水電站工程引水渠道為例，闡述對寒冷地區(qū)引水式水電站引水渠道如何進(jìn)行結(jié)冰蓋設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

關(guān)鍵詞：引水渠;嚴(yán)寒;冰凍;水深；水電站

1工程概況

新疆塔什庫爾干河布達(dá)爾水電站工程位于新疆喀什地區(qū)塔什庫爾干縣塔什庫爾干河上，是塔什庫爾干河干流中游河段的第2級電站，為河道引水式水電站。工程區(qū)距離塔什庫爾干縣縣城約55 km。

布達(dá)爾水電站工程引水渠首正常水位3 457.00 m，設(shè)計(jì)洪水位3 458.73 m，校核洪水位3 459.01 m；電站發(fā)電引水流量40 m3/s，額定水頭88.9 m,裝機(jī)3臺，總裝機(jī)容量30 MW，年利用小時(shí)數(shù)3 139 h, 多年平均發(fā)電量0.953億kWh。

根據(jù)SL252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，塔什庫爾干河布達(dá)爾水電站工程規(guī)模為Ⅳ等小(1)型。電站主要建筑物引水渠首、引水渠道、壓力前池、泄水陡坡、壓力鋼管、廠房、尾水渠道、升壓站等均為4級建筑物。次要建筑物導(dǎo)流圍堰、防洪堤為5級建筑物[1-2]。

工程所在區(qū)屬于典型的高寒山區(qū)，是極干旱荒漠地區(qū)，具有大陸性高原山地干旱氣候特征，全年四季不明顯，只有冷暖兩季，冷季5個(gè)月(11月—次年3月)，暖季7個(gè)月(4—10月)，多年平均氣溫3.4 ℃，極端最高氣溫32.5 ℃,最低氣溫-39.1 ℃,多年平均風(fēng)速1.99 m/s，最大風(fēng)速23 m/s，最大凍土深度177 cm，融化期6個(gè)月。最早結(jié)冰日期10月10日，全部融冰日期5月3日，初終冰天數(shù)平均202 d，最早開始封凍日期11月18日，流冰日期3月27日，年平均封冰天數(shù)為129 d，最大冰厚121 cm。項(xiàng)目區(qū)空氣干燥、稀薄，相對平原地區(qū)缺氧37%左右。根據(jù)SL211—2006《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》，塔什庫爾干河布達(dá)爾水電站工程區(qū)屬嚴(yán)寒氣候區(qū)[3]。

工程基礎(chǔ)大部分位于第四系上更新統(tǒng)的砂卵礫石層上，位于塔什庫爾干河左岸Ⅱ級階地前緣，基礎(chǔ)不存在巖土液化、凍脹及腐蝕性，渠道邊坡穩(wěn)定，工程地質(zhì)條件較好。

引水渠道進(jìn)水口布置在引水渠首左側(cè)，引水進(jìn)口底板高程3 454.527 m，設(shè)計(jì)引用流量40 m3/s。引水渠全長13 763.59 m，引水渠道采用梯形明渠形式，設(shè)計(jì)底寬3 m，內(nèi)邊坡1∶1.75， 糙率0.016，縱坡1/1250，渠道采用現(xiàn)澆混凝土板(底板厚20 cm，邊坡板厚15 cm)+土工膜+2 cm M10水泥砂漿找平層，現(xiàn)澆C20W6F250混凝土板。

2引水渠道設(shè)計(jì)方案比選

本電站考慮冬季運(yùn)行，根據(jù)塔什庫爾干河水文氣象資料分析，塔什庫爾干河以冰雪融水補(bǔ)給為主，河流水量汛期主要由氣溫升高，冰雪融化補(bǔ)給，枯水期依靠穩(wěn)定的泉水、地下水補(bǔ)給，徑流的年內(nèi)及年際變化較大，冷季為枯水期，河道來水僅能滿足本電站1臺機(jī)發(fā)電，暖季為豐水期，3臺機(jī)組均可滿發(fā)電，所以設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮渠道的超高及渠道冬季結(jié)冰蓋產(chǎn)生的冰凌對渠道斷面處渠底和渠岸的影響，保證渠道結(jié)冰蓋后仍有足夠的過流能力?，F(xiàn)根據(jù)工程實(shí)際情況對引水渠道的邊坡、襯砌防滲結(jié)構(gòu)、縱坡及斷面型式做詳細(xì)介紹。

2.1引水渠道邊坡比選

引水渠渠基主要為卵石混合砂礫石，基礎(chǔ)地質(zhì)條件較好，地下水埋深較大。地質(zhì)建議開挖邊坡：碎石土開挖邊坡1∶1～1∶1.25，砂卵礫石開挖邊坡1∶1.5；SL18-2004《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》表5.4.1-2中對剛性材料防滲渠道的最小邊坡系數(shù)要求，考慮渠道邊坡襯砌及基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，初擬引水渠過水?dāng)嗝孢吰聻?∶1.75，外邊坡為1∶1.5[4]，渠道邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算見表1。

經(jīng)計(jì)算，渠道過水邊坡1∶1.75、外邊坡1∶1.5/1∶2在不同工況下均滿足SL274—2001《碾壓土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》中對邊坡穩(wěn)定的要求[5]。

表1　渠道邊坡穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算表

2.2引水渠道襯砌防滲結(jié)構(gòu)比選

引水渠襯砌型式采用現(xiàn)澆混凝土板襯砌和預(yù)制混凝土襯砌2種型式進(jìn)行比選。現(xiàn)澆混凝土方案襯砌結(jié)構(gòu)自上而下為：現(xiàn)澆混凝土板(底板厚20 cm，邊坡板厚15 cm)+土工膜+2 cm M10水泥砂漿找平層；預(yù)制混凝土板方案襯砌結(jié)構(gòu)自上而下為：預(yù)制混凝土板(底板厚18 cm、邊坡板厚12 cm)+2 cm M10水泥砂漿+土工膜+2 cm M10水泥砂漿。引水渠襯砌方案比選結(jié)果見表2。

表2　渠道襯砌型式方案比選表

綜合工程區(qū)地質(zhì)及水文條件、料場選用、襯砌抗沖、抗凍脹、施工條件、投資及冬季運(yùn)行等幾個(gè)方面進(jìn)行比選，綜合分析，推薦現(xiàn)澆混凝土板方案。

選擇現(xiàn)澆混凝土方案，根據(jù)SL18—2004《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》的條文規(guī)定，結(jié)合水文、氣象，選定糙率n=0.016。

2.3引水渠渠道斷面型式比選

引水渠道沿線出露的地層巖性主要為第四系卵石混合砂礫石，渠道土為非凍脹性土；渠道沿線地下水埋深較深；電站動力渠道應(yīng)滿足不沖不於流速，又因電站冬季運(yùn)行發(fā)電，故要考慮渠道的輸冰流速(不小于1.1 m/s)[6]，渠道設(shè)計(jì)流量較大，所以只考慮明渠方案。根據(jù)水文、地質(zhì)條件，便于施工等條件，擬定3種方案進(jìn)行比選：方案1，采用現(xiàn)澆混凝土襯砌梯形明渠；方案2，采用弧形底梯形明渠(底部漿砌石，上部混凝土板)；方案3，采用弧形底漿砌卵石梯形明渠。比選情況見表3。

綜合分析，推薦方案1。

2.4引水渠道縱坡比選

根據(jù)DL/ T5079—2007《水電站引水渠道及前池設(shè)計(jì)規(guī)范》，發(fā)電引水渠道縱坡的選擇一般要遵循以下原則：① 中低水頭、大流量引水渠道，清水渠道及土渠，采用較緩的縱坡；② 高水頭電站的引水渠道，多泥沙渠道，傍山襯砌渠道，不襯砌的巖石渠道及輸冰運(yùn)行的渠道，采用較陡的縱坡[7]。保證引水渠道過流流量Q=40 m3/s不變，引水渠道縱坡擬定分別按方案1為1/1250，方案2為1/1000，方案3為1/800進(jìn)行比選。

表3　引水渠渠道斷面型式比選表

(1) 方案1

縱坡1/1250，流速2.21 m/s，底寬3.0 m，水深2.473 m，內(nèi)邊坡1∶1.75。

(2) 方案2

縱坡1/1000，流速2.4 m/s，底寬3 m，水深2.346 m，內(nèi)邊坡1∶1.75。

(3) 方案3

縱坡1/800，流速2.61 m/s，底寬3.0 m，水深2.23 m，內(nèi)邊坡1∶1.75。

綜合分析，并根據(jù)發(fā)電引水渠線比選，本工程推薦方案1為電站引水渠道布置形式。

3引水渠道水力計(jì)算

3.1水力計(jì)算

渠道水力學(xué)計(jì)算根據(jù)明渠均勻流公式確定[8]，計(jì)算公式為：

(1)

3.2渠道超高

渠道超高應(yīng)按渠道通過設(shè)計(jì)流量水電站正常運(yùn)行條件下突然甩負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的最大涌波高度再加安全超高來確定，因此渠道按受涌波影響段和不受涌波影響段分別計(jì)算渠道超高[9]。

不受涌波影響段的渠道超高確定：本工程水電站引水渠為4級建筑物，根據(jù)GB50288—99《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》,渠道超高按Fb=1/4hb+0.2確定[10]，引水渠設(shè)計(jì)流量為40m3/s，設(shè)計(jì)水深2.473m，經(jīng)計(jì)算渠道超高為0.818m，為便于施工超高取0.93m。引水渠道水力計(jì)算結(jié)果見表4。

通常冬季運(yùn)行渠道，冰蓋厚度一般可控制在10～5cm范圍內(nèi)[11]，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，本工程引水渠道設(shè)計(jì)結(jié)冰厚度為0.6～0.8m，冬季僅有1臺機(jī)發(fā)電，發(fā)電引水單機(jī)流量為13.33m3/s，相對應(yīng)的水深為1.45m，大于設(shè)計(jì)結(jié)冰蓋厚度，符合設(shè)計(jì)要求。本電站經(jīng)過幾年的冬季結(jié)冰蓋運(yùn)行，電站渠道未出現(xiàn)不良運(yùn)行工況。

表4　不同設(shè)計(jì)流量引水渠道水力計(jì)算表

4工程設(shè)計(jì)體會

引水渠道是引水式水電站正常輸水、集中部分落差的動力渠道[12]，本工程所在地為嚴(yán)寒區(qū)，電站渠道在冬季結(jié)冰前，將壓力前池和引水渠道水位雍高到2臺機(jī)發(fā)電水位以上，水深不小于2.04 m，此時(shí)電站只運(yùn)行1臺水輪機(jī)組，并通過運(yùn)行人員密切監(jiān)測前池水位，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，使壓力前池和引水渠道水位保持?jǐn)?shù)天之后并確定冰蓋已經(jīng)形成，再緩慢使引水渠道水位回落到1臺機(jī)組水深1.45 m。在結(jié)冰蓋運(yùn)行時(shí)，要保證冰蓋面與水面之間空氣能正常流通，以免在水流通過時(shí)形成負(fù)壓，通常要在冰蓋底面與水面間形成一個(gè)高度為0.4 m左右的空間[13]，確保引水渠道的正常運(yùn)行。

水電站引水渠道冬季確定采用結(jié)冰蓋運(yùn)行時(shí)，在條件允許的情況下壓力前池建議采用虹吸式進(jìn)口，這樣能更好地防止冰凌、水中飄浮物、砂礫等對進(jìn)水口的危害，在嚴(yán)寒地區(qū)可以徹底解決因進(jìn)水口冰凍而帶來的管理和運(yùn)行中的一系列問題，并在前池設(shè)有溢流堰，既能在水電站引水渠道雍高水位結(jié)冰蓋期間通過溢流堰更好地控制水位，且操作更加簡單方便，值得推廣與運(yùn)用。

5結(jié)語

小水電站冬季運(yùn)行過程中，難免會遇到冰害問題，一旦水電站及相關(guān)設(shè)施受到冰害的影響，則無法確保水電站的正常運(yùn)行。因此，加強(qiáng)對水電站冬季運(yùn)行防治冰害技術(shù)措施研究，具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義[14]。

綜上所述，根據(jù)新疆已建冬季運(yùn)行的水電站引水渠道采用結(jié)冰蓋設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)較豐富，對于寒冷地區(qū)的引水式水電站引水渠道縱坡選擇應(yīng)考慮冬季最小流量時(shí)，渠道流速應(yīng)大于1.2 m/s。尤其在地形復(fù)雜的山區(qū)或丘陵地區(qū)，引水渠道工程設(shè)計(jì)要求質(zhì)量易保證、易維修、適應(yīng)變形能力好， 因地制宜，不迷信某一種型式，不拘泥于固定的經(jīng)驗(yàn)，在繼承中發(fā)展，在發(fā)展中創(chuàng)新，既要安全可靠，又要經(jīng)濟(jì)合理，廣泛吸取工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，積極采用新結(jié)構(gòu)、新材料、新技術(shù)、新工藝[15]。

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Design of Approach Channel of Hydropower Project in Cold Region with High Elevation

WU Jianliang

(Energy China Xinjiang Electric Power Design Institute, Xinjiang830002,China)

Abstract:Winter in Xinjiang is cold and long. Construction of the water-diverted hydropower project in the high-elevation region often faces severe challenges in winter. The approach channel is with severe ice occurrence. The ice in the approach channel is the key factor affecting the normal operation of the hydropower station. Because of the quite temperature difference between daytime & night time and the unique natural geographic conditions, ice production and thawing in the approach channel are extremely frequent. To avoid ice breaking, fishing and striking, etc in the approach channel of hydropower station in winter, the station often operates with the ice cover in the approach channel. With the practice of the approach channel of Budaer Hydropower Station on the Tashikurgan River, how to design the ice cover in the approach channel of the water-diverted hydropower project is described in detail.

Key words:approach channel; severely cold; freeze; water depth; hydropower station

中圖分類號：TV133

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.008

作者簡介：吳建良(1982- )，男，江蘇省蘇州市人，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作.

收稿日期：2015-04-27

文章編號：1006—2610(2016)01—0033—04