試論嚴(yán)寒地區(qū)引水式水電站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)

鄭建輝+黃濤+張鷹

摘要：本文從壩址選擇、樞紐布置、引水渠道設(shè)計(jì)和壓力前池設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面分析了嚴(yán)寒地區(qū)引水式水電站的設(shè)計(jì)問題，結(jié)合嚴(yán)寒地區(qū)水電站運(yùn)行特點(diǎn)，探討了引水式水電站運(yùn)行管理要點(diǎn)，旨在為相關(guān)引水式水電站設(shè)計(jì)和運(yùn)行實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：嚴(yán)寒地區(qū)；引水式水電站；設(shè)計(jì)；運(yùn)行管理

1嚴(yán)寒地區(qū)引水式水電站設(shè)計(jì)分析

1.1壩址選擇及樞紐布置

1.1.1壩址選擇

在壩址選擇的過程中，首先需要考慮開發(fā)和段自然條件、地質(zhì)情況、工程投資及是否便于管理等因素，之后要根據(jù)引水要求選擇水量較大、河床穩(wěn)定的河段作為渠道位置。為了盡可能多的引上有河床兩側(cè)溢出水，增加發(fā)電、提高水溫，應(yīng)當(dāng)盡量在泉水溢出帶下游設(shè)置渠道，這對(duì)于電站在冬季的良好運(yùn)行有著重要意義[1]。如果冬季、春季上有來冰量較多，則需要對(duì)排冰能力進(jìn)行考慮，選擇則有利地形建閘，確保引水排冰的通暢性。

對(duì)于渠道型式來說，一般選用攔河閘、壩混合式渠道，正面泄洪排水，側(cè)面引水發(fā)電。需要注意的是，要充分考慮水流條件因素，保證排水方向與河道軸線一致，從而避免破壞上下游河流自然形態(tài)，盡可能降低耗水量。

1.1.2樞紐布置

我國山區(qū)性河流講多，降水是主要的徑流補(bǔ)給方式，其次才是冰川融雪水和地下水。針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)山區(qū)性河流特點(diǎn)，首部樞紐有兩種布置方式選擇：①全閘布置：這種布置方式泄流能力較強(qiáng)，但運(yùn)行不靈活，需要頻繁的啟用閘門，不利于運(yùn)行管理；②閘、壩混合式布置：這種布置方式運(yùn)行靈活，成本較低，方便管理，且有著良好的安全性。

一般來說，引水式水電站沒有調(diào)節(jié)性能，冬季運(yùn)行困難，負(fù)荷較低，這就需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦蔚孛瞾聿贾镁邆鋷烊菡{(diào)節(jié)功能的樞紐，保證冬季也能夠滿足發(fā)電要求。

1.2引水渠道設(shè)計(jì)

1.2.1渠線

渠線盡可能設(shè)置在河谷陽坡，通過陽光輻射提升水溫，避免結(jié)冰，促進(jìn)冬季順利排水。此外，渠線應(yīng)當(dāng)沿著等高線進(jìn)行布置，盡可能少占地，在渠尾前池形成突然下跌地形，形成落差。結(jié)合地形采用與明渠、暗渠及倒虹吸等相結(jié)合的方式進(jìn)行輸水渠系建筑物的布置，避免出現(xiàn)深挖高填的情況。

1.2.2渠道斷面

山丘地區(qū)坡降較陡，且存在較大起步，此時(shí)應(yīng)當(dāng)選擇窄深式斷面，為了防止坡面砂石及滾石等落入到渠道中，應(yīng)當(dāng)在部分渠道上加蓋板，同時(shí)能夠有效降低冬季水熱量流失，保證能夠形成冰蓋。

對(duì)于地下水位高、地勢相對(duì)平坦的地區(qū)來說，應(yīng)選擇寬淺式斷面，存在泉水可引泉水如渠道，以此來增加水溫和水流量，避免冬季結(jié)冰。此外，引水渠道設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)因地制宜，就地選取耐久性能優(yōu)良、防滲性能好的材料襯砌，例如可選用抗凍性能好的混凝土進(jìn)行襯砌，減少掛冰現(xiàn)象，保證運(yùn)行安全。

1.2.3渠道縱坡

渠道縱坡陡緩能夠反映水流速度，如果渠道縱坡較陡，說明受到?jīng)_涮較為嚴(yán)重，水流速度較大，如果渠道縱坡較為平緩，則容易淤積泥沙，導(dǎo)致雜草叢生，不利于保證輸水能力。尤其對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)來說，結(jié)冰蓋運(yùn)行時(shí)，需要以地形、造價(jià)、水能等為依據(jù)合理設(shè)計(jì)縱坡，同時(shí)控制水流速度。對(duì)于輸排水運(yùn)行來說，縱坡前段可適當(dāng)陡一些，保證輸冰流速，后段可設(shè)置緩流段，一般在排并閘前30m左右，以此來滿足排冰、浮冰的水流速度要求，且避免冰塊流動(dòng)過快沖擊下游建筑。

1.2.4渠道流速

渠道流速應(yīng)當(dāng)≤最大允許不沖流速，防止對(duì)渠道沖刷，如果水中含有泥沙，則應(yīng)當(dāng)將流速控制在不淤流速之上。對(duì)于小型水電站引水渠道來說，其渠道流速選擇如表1所示：

1.3壓力前池

1.3.1壓力前池布置

壓力前池應(yīng)當(dāng)盡可能設(shè)置在天然穩(wěn)定地基之上，避免在地基不穩(wěn)處、滑坡處、裂隙發(fā)育處布置。需要密切觀測前池建成前后水文地質(zhì)條件動(dòng)態(tài)變化帶來的不利影響，避免出現(xiàn)滑坡等事故，保證廠房及前池的安全性。宜采用正面排冰、排沙、側(cè)面引水發(fā)電的方式布置前池，這種布置方式能夠有效提升排冰和排沙效果，同時(shí)有利于減少輪機(jī)磨損，提升其使用壽命，且有助于避免冬季結(jié)冰問題。

前池進(jìn)水室中心線與引水渠道中心線盡可能平行，保證水流通暢，降低水頭損失，以此來保障水流能夠從渠道平穩(wěn)的進(jìn)入到前池中。在平面上要保證前池與引水渠道末端連接段的兩邊對(duì)稱，擴(kuò)展角要<10°，選擇1：3-1：5的斜坡作為底邊縱坡。

引水渠道末端要盡量順直，如需設(shè)置彎道，則應(yīng)當(dāng)將直線調(diào)整段設(shè)置在彎道終點(diǎn)與入口之間，或設(shè)置導(dǎo)向設(shè)施。前池水流速度一般要求≤0.8m/s，便于泥沙沉積并排出，還能夠避免壓力水管中進(jìn)入冰凌和冰塊。將擋冰板設(shè)置在進(jìn)水室之前，提升排冰效果。為了防止冰凌進(jìn)入到水室之中，擋冰板伸入深度應(yīng)當(dāng)在前池冬季運(yùn)行水位下限以下50cm。

1.3.2壓力前池水位

壓力前池正常水位：小型水電站可取通過設(shè)計(jì)流量時(shí)渠末水位近似值；壓力前池最低水位：單機(jī)引用流量60%水位或枯水期最小發(fā)電流量水位，對(duì)于農(nóng)村小型水電站來說，可取渠道末端底板高程作為最低水位，保證安全；壓力前池最高水位：正常運(yùn)行時(shí)，可取脫除全部負(fù)荷的最高涌波作為最高水位。

2嚴(yán)寒地區(qū)引水式水電站運(yùn)行管理要點(diǎn)探討

2.1流冰期運(yùn)行管理要點(diǎn)

在流冰期，引入的冰凌和渠道再生冰很容易發(fā)生渠道冰塞問題，需要加強(qiáng)巡視，及時(shí)清除掛凌和冰塞，保證水流暢通。如果遇到大雪天氣，則應(yīng)適當(dāng)加大水流量，發(fā)揮排冰閘作用，如果遇到冰塞問題，應(yīng)當(dāng)遵循從下游到上游的順序排除冰塞，必要時(shí)可采取爆破方式進(jìn)行排冰。

2.2引水渠道結(jié)冰蓋運(yùn)行

冬季來臨，隨著氣溫降低，渠道會(huì)形成冰蓋，尤其在遇到寒流導(dǎo)致氣溫驟降的時(shí)候，必然會(huì)形成冰蓋。冰蓋一般為拱形，表面水平，岸邊厚度可達(dá)30m，渠中心冰較薄。此時(shí)需要保持高水位運(yùn)行，必要時(shí)寧可少發(fā)電，以此來保證冰蓋的穩(wěn)定性。此外，電站應(yīng)準(zhǔn)備好水電阻，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，保證其出力穩(wěn)定，避免外網(wǎng)突然甩負(fù)荷導(dǎo)致水位上升。

一般來說，電站后半夜負(fù)荷較小，為了對(duì)水位進(jìn)行有效控制，保證水流溢出冰洞，可適當(dāng)減少泄水道排水量，從而形成70-80cm厚度的理想冰蓋，電站正式進(jìn)入冰蓋運(yùn)行期。

春季化冰期要防止冰蓋坍塌，避免堵塞渠道，此時(shí)要加強(qiáng)巡視，保證渠道暢通，將泄水道上的冰蓋打掉，排水方向?yàn)橄掠沃辽嫌巍Ｒ坏┌l(fā)現(xiàn)冰蓋坍塌或冰塞，則要人工疏通，打碎冰塊，也可采用爆破與人工碎冰結(jié)合的方式。

結(jié)論：

綜上所述，引水式水電站設(shè)計(jì)和運(yùn)行是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工程，涉及到的環(huán)節(jié)較多。嚴(yán)寒地區(qū)負(fù)溫歷時(shí)較長，存在冰害，需要結(jié)合氣象、水溫及工程條件合理的進(jìn)行引水式水電站的設(shè)計(jì)，并做好運(yùn)行管理和維護(hù)工作，保證水電站能夠在冬季安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]德吉卓嘎，普片，索央.嚴(yán)寒地區(qū)引水式水電站設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[J].西藏科技，2013，02：73-75.

作者簡介：

鄭建輝，1971.4.28，男，漢，湖北省孝感市，本科，中級(jí)，研究方向：智能變電站.endprint