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嚴寒地區引水式水電站設計和安全運行經驗

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標簽:水利工程管理,水利水電論文, 嚴寒地區引水式水電站設計和安全運行經驗,http://www.tljciu.live

  阿勒泰地區位于東經85o31'57“~91o01'15”,北緯44o59'35“~49o10'45”,地處新疆維吾爾自治區最北部,氣候特點是春旱多風,夏短不熱,秋高氣爽,冬季嚴寒而漫長,全年冬季長達5~6個月,極端最低氣溫達-51.5℃,最冷月平均氣溫達-18℃~21℃,河內冰厚0.5~1.0m,凍土深1.2~1.5m.經過40年的建設,阿勒泰地區已建成電站20余座,除可可托海電站、富蘊縣一級電站等為壩后式電站外,其余多為明渠引水式電站。現結合我區幾十年來積累的經驗,就引水式水電站的設計要求和運行管理兩個方面作一初步總結。

  1對引水式電站的設計要求

  1.1引水樞紐的布置及形式的選擇

  在地形條件允許時,應考慮在電站上游建水庫,以便冬季蓄冰,蓄冰庫設計,不能僅以回水曲線形成的上游容積為界,應考慮到冰凌堆積和冰蓋翹起后,來凌仍可向上游堆積一段距離,一般蓄冰靜庫容達到年輸冰量的1/3即可。對于沒有條件修建蓄冰庫的引水樞紐,需考慮泄洪、排砂、攔冰和排冰措施。進水口應放在設計水位以下5~6m,以防止進水口控制設施的凍結。

  引水樞紐宜選擇在河床較穩定的平直段內,以防閘前冰凌堵塞,攔河溢流壩或導流堤需適當增加超高,應大于河道冰厚,避免因閘前進水受阻時壩頂溢流而造成“跑水”。

  對于冬季流量較小的河道應能使河水全部進入引水渠,采用底欄柵式進水閘較好,這樣能避免冰塊進入渠內。對于冬季河道流量較大的電站,采用新疆常用的彎道式渠首,排冰效果較好,耗水量也小。

  1.2引水渠設計

  1.2.1渠線選擇

  為保證電站冬季順利排冰,引水渠應盡量將渠線選擇在河谷的陽坡,利用冬季陽光的輻射來提高水溫,減少再生冰。渠線應直、順,當必須設置彎道時,其彎道半徑宜大于10倍設計水面寬度,以避免冰塊在彎道上堵塞;渠線宜布置在挖方段,不宜布置在填方段,避免冰蓋推力而引起渠堤滑坡、渠道決口。富蘊縣二級電站引水渠道大多為填方,冬季運行時曾發生多起渠道決口事件,嚴重影響安全生產。

  1.2.2渠道斷面

  為了防止冬季渠道水熱量的散失,形成穩定的冰蓋,采用窄深式弧形渠底矩形或梯形斷面比較適宜,弧形渠底采用漿砌卵石結構,邊坡采用混凝土結構,這樣渠道抗凍性好,邊坡比較光滑,渠道掛冰現象少,對安全運行有利。渠道超高大小,要充分考慮冬季渠底和渠岸自生冰凌對過水斷面的影響,一般要求以大河的冰蓋厚度再加大30~60cm作為超高,這樣可以保證冰蓋形成以后,渠道仍有足夠的過水斷面。

  1.2.3流速

  渠道設計流速的大小,主要按渠道運行方式而定。當引水渠采用輸冰運行時,渠道流速可在1.1~1.5m/s,不能大于1.5m/s.對于結冰蓋運行的的電站,渠道流速一般在0.5~0.6m/s,既緩流運行,又無冰塞現象。黑山頭水電站引水渠設計流速,當初沒有考慮到冬季輸冰運行要求,引水渠除部分渠段(矩形斷面)流速能達到1.1m/s外,其余渠段(梯形斷面)流速在0.5m/s以下,因此每年冬季冰塞或決口事件多發生在此渠段。

  1.2.4糙率

  當冰蓋下滿流輸水時,綜合糙率按下式計算:

  n=n1〔1+a(n2/n1)2/(1+a)〕1/2

  a=x2/x1

  式中n-冰蓋綜合糙率系數;

  x1-渠道濕周長度,m;

  x2-冰蓋濕周長度,m;

  n1-渠底及邊坡的糙率系數;

  n2-冰蓋下表面的糙率系數,可按下表選用。

冰蓋下表面糙率系數n2
結冰期平均流速v(m/s)  糙率系數n2  無冰凌,冰有裂縫  有冰凌,冰有裂縫  0.4<v≤0.6  0.010~0.012  0.012~0.014  0.6<v≤0.7  0.014~0.017  0.017~0.020 

  1.2.5縱坡

  結冰蓋運行時,縱坡設計要根據地形條件、水能設計和工程造價,綜合考慮選定,要以流速進行控制。

  輸排冰運行時,縱坡采用前段陡些,以滿足輸冰流速要求,后段應在排冰閘前取20~40m的緩流段,以滿足浮冰、排冰流速的要求

  1.3前池

  冬季安全運行,前池容積應適當加大,容積應計入冬季正常水位運行時冰蓋所占有的容積,這樣一是可以避免漫頂失事,二是可以降低流速,使上游所進冰凌均浮于水面之上,便于排除。前池一般需設置1~2條導凌筏,將渠道來冰導至排冰閘前集中排走,導凌筏與水流夾角不大于30o為宜。前池以正面排冰,側面取水形式為佳,因為這種形式排冰和來水方向一致,可以充分利用水的表面流速,因而排冰耗水量小,排冰效果也好。排冰閘應與引水渠中心線布置在一條直線上,這樣可使閘前水流平穩,閘前無回流和旋渦。排冰閘閘前渠內流速一般在0.7m/s左右,過閘流速一般要求大于1.5m/s,過閘排冰水深要大于最大冰塊厚度,閘孔寬度要大于最大冰塊寬度,出口應與陡坡平順連接,陡坡寬度不小于排冰閘閘孔寬度。

  從我區幾個水電站來看,前池閘室應設在室內,攔污柵的布置一般設在檢修閘門與工作閘門之間為好,且布置在前池閘房中,閘房用電熱或汽暖采暖,冬季室溫應始終保持在0以上。為了使水道與前池閘房之間形成封閉,壓力前池上游承重梁的高度應與前池正常水位相齊,目的在于水電站冬季運行時,使冰蓋結在前池正常水位以上,此承重梁與冰蓋封凍在一起,從而使冷空氣進入不到閘房中。

  1.4壓力管道和尾水室

  對于壓力管道防凍,一般采用深埋式(大于凍土深)或加蓋暖棚的辦法進行壓力管防凍。北屯一、二、三級電站利用利用下半夜甩負荷時的余電對壓力管進行電力加熱,有效地防止了冰凍問題。

  尾水室以淹沒式為優,非淹沒式圓錐鋼尾水管,管內極易冰凍,對正常運行不利。

  2對引水式電站運行管理上的要求

  2.1流冰期應注意的問題

  阿勒泰地區一般每年10月下旬至11月中旬為流冰期,大河引進的冰凌加上渠道的再生冰,極易發生堵塞。流冰期要特別加強巡渠和各站點的值班監視工作,及時清除閘前和渠邊掛凌和冰塞,以保持水流穩定,暢通無阻。若在此期間又遇上大雪,應特別注意。其它還應注意:

  a.使進水流量保持穩定,可適當加大,但不宜減少;

  b.要充分發揮排冰閘的作用,排除冰凌冰塊;

  c.若遇堵塞,應自下游向上游進行排除,可用一小瓶內盛100g左右的炸xx8藥,點著投入冰塞處進行爆破,效果很好。

  2.2引水渠道結冰蓋運行

  渠道在每年11月下旬,隨著氣溫逐漸降低,特別是遇上寒流,氣溫驟降,渠道浮冰連在一起形成冰蓋,冰蓋一般呈拱形,即冰蓋表面為水平,岸邊較厚,形成以渠邊為拱座的拱形體,岸邊冰厚達30cm以上,渠中心較薄。為了保持冰蓋的穩定,必須保持高水位運行,有時寧可少發電保持水位不下降。同時還要在各電站準備好水電阻,調節保持發電機的出力穩定,以防外網突然甩負荷,使渠道水位上升,當渠道中心冰蓋厚度達到20cm左右時,即可在冰蓋上每隔100~150m打一直徑為30cm的冰洞,這樣當渠中水位變化時,冰洞可起調壓作用,當水位降落時,冰洞進氣消除負壓,避免垮冰;當水位升高時,水就從冰洞溢出來,漫流在冰蓋上的水,遇冷空氣又結成冰,可以使冰蓋加厚,一般后半夜負荷較輕,這時候可減少泄水道的排水,有控制地增高渠道水位,使水流不斷從冰洞溢出來,結成70~80cm的理想冰蓋,進入冰蓋運行期。

  春季化冰期一般在4月初到4月下旬,這期間主要是防止冰蓋下塌結成冰壩而堵塞渠道。這就要求加強渠道巡視,疏通退水渠和尾水渠,打掉泄水道上的冰蓋,從下游往上游排冰,如遇堵塞處或發現有冰蓋下塌,盡量用人工疏通,打碎的冰塊不宜太大,防止因疏冰而造成新的堵塞;或采用人工定位爆破,將冰塊炸碎,再用人工進行疏通。

  3結語

  我區冬季嚴寒,負溫歷時長,冰害嚴重,但只要根據氣象、水溫、冰情、工程條件等,制定符合實際情況的電站設計和運行管理制度,妥善解決冰凍問題,嚴寒地區水電站的冬季運行是完全有保障的。

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