斯木塔斯水電站大壩面板及止水除冰方法探索

王嘉寧

摘要：大壩面板及止水是面板堆石壩重要的防滲體，為庫區(qū)大壩安全蓄水提供保障。新疆昭蘇冬季結(jié)冰期長，斯木塔斯庫區(qū)最深冰層達(dá)0.7m以上。如果不采取除冰措施，冬季庫區(qū)水位變化，會(huì)對(duì)大壩面板及止水造成破壞，降低面板及止水防滲能力，對(duì)大壩安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。因此，冬季必須在結(jié)冰的大壩面板及止水前采取除冰措施，避免面板及止水損壞。

關(guān)鍵詞：水電站;大壩面板;除冰;止水帶;

1項(xiàng)目概況

斯木塔斯水電站的開發(fā)任務(wù)單一，主要為發(fā)電。水電站建成后在系統(tǒng)中的作用是向伊犁電網(wǎng)供電，冬季在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰作用，夏季在基荷工作，向電網(wǎng)輸送季節(jié)性電能。

斯木塔斯水電站以上流域面積2364km2，壩址處多年平均流量45.66m3/s，多年平均徑流量為14.41×108m3。斯木塔斯水電站裝機(jī)容量110MW，年發(fā)電量3.165億m3，保證出力10.8MW。

2主壩特征參數(shù)

1.壩軸線方向與河流大致正交。擋水建筑物采用混凝土面板堆石壩，最大壩高101.00m，壩頂寬10m，壩長147.80m，上游壩坡采用1：1.6。壩頂上游側(cè)設(shè)防浪墻，墻頂高出壩面1.2m，防浪墻采用“L”形結(jié)構(gòu)，墻高3.70m，墻底高程1932.0m，高于正常蓄水位2.0m。墻體上游迎水面為垂直面，墻體厚度0.5m，底板厚度0.5m，寬度3.5m。

2.面板結(jié)構(gòu)縫表層止水結(jié)構(gòu)

主壩混凝土面板結(jié)構(gòu)縫在其頂部設(shè)“V”型槽口，槽口內(nèi)埋設(shè)PVC棒，填充GB、GBW填料，上部鋪設(shè)三元乙丙橡膠板，兩側(cè)采用不銹扁鋼壓緊，用螺栓固定。其中1895高程以下采用膨脹螺栓，1895高程以上采用沉頭螺栓。

結(jié)構(gòu)圖如下：

3運(yùn)行期觀察數(shù)據(jù)

根據(jù)斯木塔斯水電站調(diào)度運(yùn)營情況記錄表顯示自2017年12月1日～2018年3月26日期間，入庫平均流量由12m?/s逐步降至7.0m?/s，最高水位出現(xiàn)在2017年12月15日，水位為1929.30m。

根據(jù)運(yùn)營記錄顯示，2017年12月15日～2018年3月26日，冬季一臺(tái)小機(jī)組發(fā)電運(yùn)行，機(jī)組發(fā)電（負(fù)荷為0.7萬kW），水位由1929.30m逐步降至1926.36m，歷時(shí)101天，日平均氣溫為-12.07℃，冰層厚度55～70cm，水位下降高度為2.94m，水位平均下降速度為0.0291m/d。

水位下降過程中巡視檢查發(fā)現(xiàn)大壩水位下降區(qū)間表層止水均有不同程度損壞，大壩右岸靠近山體部分15#、16#面板部分表止水破損較嚴(yán)重。分析主要原因?yàn)橛野犊可襟w側(cè)為陰面，冰層厚達(dá)70cm，冰面下降對(duì)止水橡皮破壞較強(qiáng)。

4除冰方法探索

斯木塔斯水庫每年11月底開始結(jié)冰，次年4月初冰層開始消融，結(jié)冰期為5個(gè)月，其中冰層最厚達(dá)70cm。在庫水位下降過程中，庫冰不能和面板及時(shí)脫離，從而造成較大的拖曳力作用于面板上。此外，由于冰面和面板表層止水橡膠板相粘接，在與面板連接的冰層發(fā)生傾覆時(shí)，往往會(huì)將和其粘連的表止水橡膠板撕扯掉，造成面板裂縫和部分表層止水的損壞。為保證大壩面板及止水完好，安全運(yùn)行，結(jié)合電站實(shí)際情況，研究探索出以下幾種破冰方法，具體如下：

4.1人工破冰法

人工破冰就是使用冰鎬、冰鉆、鋼釬、漏勺等工器具將結(jié)冰層打開，達(dá)到冰層與面板止水表面分離，形成不結(jié)冰帶。優(yōu)點(diǎn)：保證率高，受環(huán)境影響較少。缺點(diǎn)：工作環(huán)境艱苦、具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低。

4.2水泵擾動(dòng)融冰法

采用潛水泵抽取庫區(qū)冰層下一定深層溫度的水，融化水面結(jié)冰，水面保持涌動(dòng)達(dá)到清除水面結(jié)冰的目的。優(yōu)點(diǎn)：成本低、易維護(hù)、易操作、效率高、可重復(fù)使用。缺點(diǎn)：管路長、泵體重、作業(yè)面大。

4.3機(jī)船破冰法

在水庫水面結(jié)冰初期，未產(chǎn)生破壞大壩面板的冰拉力、冰壓力時(shí)，將機(jī)船開至庫區(qū)迎水面結(jié)冰區(qū)，利用機(jī)船的推力將冰層撞開，并要保持形成不結(jié)冰帶，達(dá)到破冰的要求。優(yōu)點(diǎn)：效率高、受到外界環(huán)境的影響很小。缺點(diǎn)：費(fèi)用高、受水域和水工建筑物的制約、巡更值班頻繁、安全風(fēng)險(xiǎn)大。

4.4氣泡融冰法

用空壓機(jī)、輸氣管、電氣控制等設(shè)備，向庫區(qū)冰層下輸入空氣，通過水下設(shè)備裝置產(chǎn)生無數(shù)個(gè)微小氣泡，水泡浮出水面后爆裂，擾動(dòng)水面形成涌態(tài)，達(dá)到融冰不結(jié)冰的目的。優(yōu)點(diǎn)：無污染、融冰范圍穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高。缺點(diǎn)：管線長、布點(diǎn)多、安裝及維護(hù)困難、投資成本高。

4.5射流曝氣融冰法

利用潛水泵產(chǎn)生的水流經(jīng)過噴嘴形成高速水流，在噴嘴周圍形成負(fù)壓吸入空氣，經(jīng)混合室與水流混合，在喇叭形的擴(kuò)散管內(nèi)產(chǎn)生水汽混合流，高速噴射而出，夾帶許多氣泡的水流在較大面積和深度的水域渦旋攪拌，達(dá)到融冰的目的。優(yōu)點(diǎn)：水氣混合率高、無需管路、擾動(dòng)范圍大、投資成本低、節(jié)能環(huán)保。缺點(diǎn)：融冰范圍無規(guī)則。

4.6槽盒隔離法

槽盒隔離法是指在止水橡皮表面增設(shè)一副鋼制槽盒，使得冰層與止水橡皮相隔離的方法，防止降水位時(shí)巨大的冰塊對(duì)止水橡皮發(fā)生擠壓和碰撞，該方法原理比較簡單，屬于外部保護(hù)措施，可配合其他方法一起使用。

鑒于幾種融冰方法的比較分析，射流曝氣法融冰投資成本低、融冰范圍大、低噪音、無污染、而且在安裝和維護(hù)上不受水面變幅的影響，完善自動(dòng)化控制，實(shí)施遠(yuǎn)方監(jiān)控，便于庫區(qū)安全運(yùn)行管理。

5射流曝氣融冰法介紹

射流式潛水曝氣機(jī)由浮箱、潛水電泵、進(jìn)氣管、電控系統(tǒng)與噴射器組成，從而使水體攪動(dòng)與空氣吸入同時(shí)進(jìn)行，既可獲得較高的空氣吸收率，又具有葉輪無堵塞的優(yōu)點(diǎn)。強(qiáng)有力的單向液流，造成有效的對(duì)流循環(huán)，且電機(jī)負(fù)荷隨水位的變化很小，安裝簡單。

利用潛水泵產(chǎn)生的水流經(jīng)過噴嘴形成高速水流，在噴嘴周圍形成負(fù)壓吸入空氣，經(jīng)混合室與水流混合，在喇叭形的擴(kuò)散管內(nèi)產(chǎn)生水氣混合流，高速噴射而出，夾帶許多起泡的水流在較大面積和深度的水域內(nèi)渦旋攪拌，完成曝氣，并且其軸功率不隨潛水深度的變化而變化，進(jìn)氣量可以調(diào)節(jié)。正因?yàn)槿绱?，射流式曝氣機(jī)可以在水位變化較大的庫區(qū)融冰進(jìn)行探索和應(yīng)用。

探索研究結(jié)論：

根據(jù)冬季觀察及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，射流曝氣除冰法在斯木塔斯水電站水庫試驗(yàn)中，在-15℃實(shí)際表明該設(shè)備運(yùn)行時(shí)的有效防冰區(qū)域?yàn)?5m-25m，在極寒天氣-30℃，有效防冰區(qū)域能夠達(dá)到10m-15m，且成本較低，耗電量小，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位、自動(dòng)控制，并能適應(yīng)不同的水位變幅。通過試驗(yàn)，主壩面板止水前6-10米范圍內(nèi)無結(jié)冰現(xiàn)象，除冰面積達(dá)1400㎡，保障了斯木塔斯水電站大壩面板止水不受損，解決了冰凍對(duì)大壩面板及止水構(gòu)成的安全風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

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