蓮花水電站導(dǎo)流開江期防冰害措施研究

鞏憲春 ，劉宇航 ，金 賢 ，孫 瑜

（1.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林長(zhǎng)春 130061；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春 130061；3.華能通榆新華風(fēng)力發(fā)電有限公司，吉林長(zhǎng)春 130022）

1 基本情況

蓮花水電站位于牡丹江下游河段，壩址處河道呈彎曲形，并由無(wú)名島和狗王島構(gòu)成壩址上下游2個(gè)分叉型河段。樞紐由混凝土面板堆石壩、岸坡式溢洪道、廠房及引水系統(tǒng)組成，最大壩高71.8 m，總庫(kù)容41.8×108m3，裝機(jī)容量55 kW。

工程施工階段采用一次斷流、隧洞導(dǎo)流方式。2條導(dǎo)流隧洞平行布置在大壩的右岸，洞身由兩部分組成，前半部在施工導(dǎo)流結(jié)束后，作為永久發(fā)電引水隧洞。隧洞進(jìn)口分為4孔，每孔凈寬6 m的進(jìn)水口，至閘門井處收縮為兩孔，每孔寬仍為6 m，進(jìn)口段自岸邊伸進(jìn)水庫(kù)約40 m，2條導(dǎo)流隧洞進(jìn)口中心線均與河道斜交，交角分別為60°和70°。

蓮花水電站地處嚴(yán)寒山區(qū)，由于導(dǎo)流隧洞前緣進(jìn)口單孔凈寬小于武開江的平均冰塊尺寸10 m×7 m，統(tǒng)計(jì)1954—1975年流冰期實(shí)測(cè)資料表明，開江時(shí)因冰塊堆積產(chǎn)生冰壩或冰塊滑動(dòng)而顯著抬高上游水位的年份共有8年，抬高水位范圍為1.50～3.23 m，其余年份為文開江。在開江期間各年流量多變化在400～700 m3/s，最大流量為1 200 m3/s。開江時(shí)，最大冰塊尺寸約200 m×100 m，小者1 m×1 m，一般在10 m×7 m。最大冰速約2.0 m/s，流冰密度（即流冰面積與河道水面之比）通常在0.6～0.3之間，流冰時(shí)間可不連續(xù)地持續(xù)5～7 d，最長(zhǎng)可達(dá)18 d。

分析計(jì)算認(rèn)為，蓮花水電站導(dǎo)流隧洞前緣在流冰期會(huì)發(fā)生冰塞，冰塞類型為寬河阻塞型，水位壅高較大，需要采取相應(yīng)的工程措施。

2 模型試驗(yàn)成果

為解決導(dǎo)流遂洞過冰及防冰害問題，在1∶100比尺模型上，用石蠟?zāi)M天然冰進(jìn)行定性試驗(yàn)觀察，冰塊模擬尺寸為4 m×4 m，5 m×5 m，6 m×6 m，6 m×7 m。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：凡對(duì)角邊長(zhǎng)小于6.0 m的冰塊，在導(dǎo)流洞進(jìn)口處繞行旋轉(zhuǎn)后全部下泄；而對(duì)角邊長(zhǎng)大于6.0 m的冰塊，在進(jìn)口處，由于水流流速加大，使冰塊產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和傾覆，進(jìn)而封堵于進(jìn)口。小流量400 m3/s時(shí)，由于進(jìn)水口前行近流速小而不易傾覆，大流量1 260 m3/s時(shí)相反。另外，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，堵塞多發(fā)生在導(dǎo)流洞進(jìn)口前和閘門井2處，一旦發(fā)生堵塞，將造成上游水位壅高，進(jìn)而威脅圍堰安全。

3 防冰措施

為了保證導(dǎo)流隧洞在開江期間流冰的安全運(yùn)行，需要采取適當(dāng)?shù)拇胧?。根?jù)前面的分析，隧洞泄冰是有條件的，只能泄放較小尺寸冰塊。為此，在正常運(yùn)行時(shí)，可利用隧洞閘門調(diào)節(jié)水位，形成蓄冰條件，以攔蓄大尺寸冰塊。此外，也可以利用攔冰排將冰攔置于隧洞進(jìn)口上游，以形成穩(wěn)定冰蓋為特點(diǎn)的蓄冰、攔冰或采用攔蓄結(jié)合的防冰害措施。

3.1 過水建筑物前的堵塞類型

過水建筑物前的堵塞分為“內(nèi)堵”和“外堵”兩種類型。當(dāng)冰塊進(jìn)入進(jìn)水口后，在進(jìn)水口下游的過水道某處，由于斷面形狀的改變使冰塊無(wú)法通過，而造成“卡殼”，后面的來(lái)冰進(jìn)一步堆積，這樣形成的堵塞稱為內(nèi)堵。當(dāng)冰塊的強(qiáng)度較大時(shí)，“卡殼”的冰塊不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，有壓水道的內(nèi)堵冰塞就會(huì)將水道完全堵死，這就出現(xiàn)了“死堵”的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象對(duì)水工建筑物的危害最大。“死堵”現(xiàn)象較易出現(xiàn)在過流道的閘門井處，使泄流能力大大降低，危害巨大。

冰塊在進(jìn)水口前緣形成堵塞，而進(jìn)水口下游的過水道暢通無(wú)阻，這樣的冰塞稱為“外堵”。外堵一般不會(huì)出現(xiàn)死堵現(xiàn)象，但并不排除上游有冰壩潰決，使進(jìn)水口前的冰塊突然增多，進(jìn)水口前水位來(lái)不及上升，大量冰塊將進(jìn)水口完全封堵的情況。外堵與天然河道開江所形成的冰壩，均屬于動(dòng)冰的冰蓋型堵塞，在沒有特殊說明的情況下，常常說的冰塞現(xiàn)象，都是指“外堵”這種類型的堵塞。

3.2 蓄冰方案

在施工導(dǎo)流期間，考慮冰塊尺寸較大，隧洞不能順利泄冰，此時(shí)可利用閘門將庫(kù)水位抬高，以增加水深，降低隧洞進(jìn)口前的水流流速，促使形成并置型冰蓋。根據(jù)對(duì)隧洞進(jìn)口前各種水流情況的測(cè)試，當(dāng)進(jìn)口前出現(xiàn)使冰塊不翻轉(zhuǎn)的臨界流速時(shí)，庫(kù)區(qū)早已形成并置型冰蓋所需的水流條件，所以，只要控制進(jìn)口前的冰塊不翻轉(zhuǎn)，并置型冰蓋就會(huì)自然形成。

由冰置型冰蓋公式

得到冰蓋下面水流的平均流速計(jì)算公式為

式中：Vu——冰蓋下面水流的平均流速，m/s；g——重力加速度，m/s2；ρ——水的密度，kg/m3；ρi——冰的密度，kg/m3；t——冰蓋的厚度，m。

試驗(yàn)選取開江流量Q=600 m3/s、冰厚0.5 m，引用式（1）計(jì)算出為使浮冰并置于進(jìn)口前的臨界流速v=0.86 m/s。模型試驗(yàn)中，按此條件控制閘門開度，形成并置型冰蓋的水庫(kù)水位比該流量下正常導(dǎo)流時(shí)高出10 m多，見表1，將造成圍堰高度不足，因此，該工程導(dǎo)流不宜采用蓄冰方案。

3.3 攔冰方案

攔冰排是鋼索固定原木所形成的攔冰設(shè)施，它可以促進(jìn)冰蓋的形成，并將冰蓋限定在指定位置，使在較低水位條件下，形成并置型冰蓋，從而達(dá)到防冰害目的。成功的攔冰排應(yīng)具備如下特點(diǎn)[1]：流量相對(duì)均衡；橫斷面面積沒有急劇的變化，并且要有一個(gè)穩(wěn)定的河床；水流的佛勞德數(shù)必須小于0.08。據(jù)此，河面流速必須小于0.69 m/s才能具有較好的攔冰效果，而導(dǎo)流試驗(yàn)中所測(cè)得攔冰排前河道水面流速均小于0.69 m/s，表明河道的水流狀態(tài)具備使用攔冰排的條件。結(jié)合蓮花河道的具體特點(diǎn)，可在隧洞進(jìn)口前30～60 m范圍設(shè)一總長(zhǎng)300 m的攔冰排。

表1 蓄冰試驗(yàn)流速分布m/s

隧洞導(dǎo)流情況下，導(dǎo)流洞進(jìn)口前庫(kù)區(qū)范圍在開江流量600 m3/s時(shí)，河寬為500 m，河道糙率nb=0.051，河道水面比降j=0.133‰，據(jù)此條件計(jì)算河道中形成的冰蓋屬于寬河阻塞型，見表2。表明單獨(dú)設(shè)攔冰排不能將冰全面攔置于攔冰排前。

表2 攔冰方案河道冰蓋水力參數(shù)

3.4 攔蓄結(jié)合措施

為了使攔冰排前的浮冰全部攔置，形成并置型冰蓋，可以適當(dāng)抬高進(jìn)口前的水位，減小上游河道的水面比降，即采取攔蓄結(jié)合的防冰害措施。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)河道比降為0.001%，河道水位升至171.28 m時(shí)，攔冰排前河道冰蓋類型為并置型，見表3，此時(shí)河道平均流速為0.15 m/s，按指數(shù)流速公式可以算出表面流速。

式中：u——點(diǎn)流速，m；um——表面流速，m；H——水深，m；y——任意點(diǎn)水位，m，平均流速處計(jì)算式y(tǒng)=0.6H。

按式（3）算得的表面流速為0.16 m/s，遠(yuǎn)小0.69 m/s，說明攔蓄結(jié)合方案所設(shè)置的攔冰排將會(huì)有很好的攔冰效果。

4 攔冰排設(shè)計(jì)

據(jù)以上分析計(jì)算，工程擬采用攔蓄結(jié)合的防冰害措施。其冰力計(jì)算中，有關(guān)冰蓋的水力參數(shù)均采用表3的計(jì)算結(jié)果。

4.1 攔冰排冰力計(jì)算

作用在攔冰排上的力有[1]

式中：fw——水流對(duì)冰蓋的拖拽力；fa——風(fēng)對(duì)冰蓋的拖拽力；fg——冰蓋重力在水流方向的分力；fp——冰蓋形成初期的水流壓力；fk——大浮冰塊聚集時(shí)的撞擊力；fs——冰與岸邊的摩擦力；fv——船只、冰塊、結(jié)構(gòu)物之間的相互作用力。

這里可以忽略fp與fk，不考慮fv，并假定風(fēng)是向下游吹的。而冰與岸邊的摩擦力fs目前尚不能確定，但野外觀察表明，冰荷載來(lái)自攔冰排前一定區(qū)域。這里可將冰蓋看成由冰塊組成的松散體，利用普氏“坍落拱”[6]理論，計(jì)算對(duì)攔冰排有影響的冰力范圍：

表3 攔蓄結(jié)合方案河道水力參數(shù)（B=600 m）

式中：l——沿水流方向α冰力影響的范圍，m；f——等于tgα，冰的摩擦角為α=26°；B——河面寬度。

由此可求得l=1.02B，即作用在攔冰排上的冰荷載來(lái)自攔冰排前1.02倍河寬的區(qū)域。為了使工程有一定的安全度，根據(jù)文獻(xiàn)［1］的建議，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取5倍的河寬。據(jù)此計(jì)算作用在攔冰排單位長(zhǎng)度上的冰力fi為：

4.2 攔冰排結(jié)構(gòu)規(guī)劃

攔冰排擬采用2根直徑為0.36 m原木，用螺栓并排固定在一起的原木式攔冰排，每根原木長(zhǎng)為5.5 m，各原木間用連續(xù)的鋼索連接，鋼索的重量由輔助的漂浮體承受。攔冰排端部采用灌漿錨鏈錨固在岸邊及河中，從河底至漂浮體的錨索長(zhǎng)取[1]（12倍的水深）150 m。攔冰排的鋼索與弦（從鋼索一端到另一端的直線的長(zhǎng)度）的比值取1.15，弦長(zhǎng)（跨度）取50 m，攔冰排共由6跨組成，其單跨形式見圖1。

圖1 攔冰排形式示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

蓮花水電站施工導(dǎo)流期經(jīng)計(jì)算可形成寬河阻塞型冰蓋，冰蓋厚度為1.66 m，需適當(dāng)抬高庫(kù)水位，改變水面比降，使其轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒅眯捅w后，才便于實(shí)施攔蓄結(jié)合的工程措施。通過模型試驗(yàn)和計(jì)算分析，提出的防冰害工程措施效果較好。

［1］美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)，丁志華、陸正勇譯.冰工程［M］.能源部、水利部北京勘測(cè)設(shè)計(jì)院標(biāo)準(zhǔn)化室，1991，12.

［2］Pariset E，Hansser R,GagnonA.Formation of Ice Covers ang Ice Jame in Rivers,Journal of the Hydraulics Division，ASCE.Vol.92，1966：1-24.

［3］Beltioss.River IceJams∶Thery，CaseStudies，andApplications，Journal of the Hydraulics Engineering［J］.1983，109（10）：1338—1359.

［4］水利電力部東北勘測(cè)設(shè)計(jì)院科學(xué)研究所，黑龍江省水利科學(xué)研究所，水利電力部西北水利科學(xué)研究所編.水工建筑物凍害及其防治［M］.長(zhǎng)春：吉林省科學(xué)技術(shù)出版社，1990，6.

［5］A.M.Wasantha lal Hung Tao Shen.葛麗榮譯.河冰數(shù)學(xué)模型［J］.山東黃河科技，1990（1—4）.

［6］熊啟鈞，高昌俠編.隧洞［M］.北京：水利電力出版社，1983，3.