如何在高寒地区实施长距离引水式电站防冰冻设计

马成录

(青海省三江水电开发股份有限公司,青海西宁 810008)

如何在高寒地区实施长距离引水式电站防冰冻设计

马成录

(青海省三江水电开发股份有限公司,青海西宁 810008)

80年代初,关于电站的冬季运行只有少部分设计者予以重视,但由于对冰害规律认识不够或缺乏经验,整体运行效果欠佳。为此,本文主要以某高寒地区实施长距离引水式电站工程为例,详细分析各种放冰冻措施,如渠道防冰、前池排冰、金属结构防冰冻或水库蓄冰增温等,在结合以往经验的基础上对提出较为优化的设计方案,以此来保证工程在冬季时的安全运行。

高寒地区 长距离引水式电站 防冰冻 设计

高寒地区冬季都漫长寒冷,最低气温一般在-28℃～-40℃左右,整个冬季有些小水电都无法正常运行,大多是受冰害影响,以致牧业或农业等生产和电站效益无法正常发挥,也给当地居民带来生活的不便。电站虽然通过在河道上修建取水口来取水,但引水渠道和压力钢管较长,不可避免延长冬季沿程产冰,为此,本文分析了多种防冰冻设计,并结合工程具体情况给予相应的防冰冻措施,全面保障电站在冬季时的正常运行。

1 上游河道水库蓄冰

本文所研究的工程水库正常蓄水容量为17．23亿m3,死容库为3．20亿m3,取水口上游河道有2座梯级水库,水库投入运行后在冬季出库水温平均在0．4℃左右,为了避免河道冰进入渠道,特利用水库中的蓄冰作用保证水电站运行。本工程河道冰进入渠道的问题因两个梯级水库的蓄水运行而得以顺利解决,提高了水流水温,但需要配备其他的放冰冻措施来彻底解决渠道自产冰。

2 闸门防冰冻设计

2.1 冰冻对闸门产生的危害

闸门上出现冰盖的静压力称为闸门防冻,此防冻作用是为了避免冰块或相关冰质堵塞闸门,妨碍闸门埋固件工作。冰冻对闸门的危害与高寒地区的冰情规律有关,存有差异性。冰冻灾害形式多样,目前出现过的冰冻情况都是根据引水渠道和水利枢纽常出现危害总结得出,一般有以下几种：①闸门受埋固件与引水渠道闸门冻死的影响,长时间不能启闭,造成连底冻和引发冰水漫堤,渠堤遭到冲毁。②水库形成冰盖,巨大的冰盖推力都集聚在露定闸门处,导致门叶变形或损坏。③闸门受埋固件与引水渠道闸门冻死的影响,长时间不能启闭,正常运行受到影响,有大量冰块形成堵塞堆积,引水功能失效。④在整个冬季潜孔工作闸门处于挡水工况,门叶迎水面形成巨大冰包与埋固件牢固地冻结至一起,损坏水封和启闭设备,闸门无法启闭。

2.2 闸门防冰冻工程现状

冰冻工程广泛应用于我国的东北、西北及青藏等高寒地区,其工程分为不同的技术工种,如蓄冰工程技术、排冰工程技术、输冰工程技术等。其中化冰工程技术主要运用于渠道和枢纽区间所运行的闸门,还有几种升温方法给予辅助,如增温法、吹泡法、加热法等。如青海牛板筋水电站采用增温法,新疆喀什三级水电站采用打冰机、天津引栾工程大黑汀水库渠首分水闸闸门采用循环热油法等,上述放冰冻工程技术的效果都十分良好。

2.3 闸门防冰冻设计

本文所研究的引水线路在分水闸、排冰闸、冲沙闸等建筑物上均布置了全线金属结构,除此之外,在回转式拦污栅框架内及水闸门槽还装置电加热器,如 果温度在 -5℃以下会自动开启电加热器,保证温度适宜,调节其温度只要通过控制相关装置即可,电加热器的存在为了防止闸门有冰冻现象,影响电站正常运行。此外,电站进口启闭机房的结构是全封闭,房间内设有采暖设备,保证闸门内井口在冬季运行时不会结冰,从而实现电站进水口事故闸门的冬季保护作用及排沙孔的正常使用。

3 渠道放冰冻设计

3.1 渠道纵坡和断面选择

根据相关电站的设计经验,可以总结为“蓄”渠首防冰的重点,具体指利用有利地形建坝引水后形成具有容积量的蓄冰库容,便于有效拦截蓄河道冰凌。原理是冰盖在库中逐渐形成,入库水体因冰盖隔绝了冷空气的侵袭,之后水体和库底地温两种热量进行交换,入库水体升温,进而消融冰凌。考虑到冬季极端寒冷的情况,引水渠特采用的是输冰运行方式,即使是最小引水发电流量也不会出现岸冰,输冰流速控制在1．2m/s左右,满足输冰流速要求。经综合比较后,选定窄深式梯形断面引水渠,渠道纵坡为1/5000,渠深5．63m,相应水面宽度为21．5m,底宽4．0m,边坡1：2,设计水深为4．372,混凝土板的选择要符合抗冰冻要求,其厚度大约为100mm,渠道纵、横向均2m布置一道伸缩缝,形式以错缝为主,可用闭孔聚乙烯泡沫塑料来填充缝内,之后采用聚胺脂砂浆勾缝表面,做好防渗措施即可。引水渠不管结冰盖运行或输冰运行,严密监查和控制冰凌入渠量和它们是否可以安全输水有关,如果控制失当,渠道冰塞问题都有可能出现在上述运行方式。因此,为了防止渠首前冰堵和保障渠首的安全运行应加强渠首向下游河床的排冰管理,对电站在冬季安全运行起着重要的促进作用。

3.2 冻胀土处理

含土砂砾石的土含量局部有粒径,属于小于0．0075m的土粒,土含量超过10%,此类土是引水明渠的基础,它的土含量超过10%且局部有粒径小于0．075mm的土粒,开挖后能发现冻胀性土的部位,采用渠道衬砌等方式来治理砂砾石,还可挖掘相关管道做好排水管的处理工作。

3.3 高填方跨洪沟

由于渠道槽身保温效果差,属于高耸建筑物,除此之外,渠道沿线自身还需跨过几个大的冲洪沟,导致在冬季时会出现槽身结冰和进口阻冰等问题。为了便于维护,可在布置渠线时,将渠线适当向冲沟上游偏离,直接以填方渠道跨越,既降低渠道临空高度,又降低了造价。

3.4 弯道及交叉建筑物布置

设置弯道部位是为了尽量顺直引水线路,减少弯道,弯道设置可取远大于10倍水面宽度,半径为500m左右,便于弯道处水流形成完整的环流来防止因冰造成的冰块堵塞,本文工程没有将排洪渡槽运用到渠道沿线排洪处,只是从渠底下穿越排洪涵,减少水面建筑物所形成的挂冰,后续导致堵塞的可能。

4 压力钢管防冰冻设计

压力钢管分为露天式和埋藏式,从结构和材料上分为无缝钢管、焊接或铆接,为方便本文工程使用,特从钢管预留出分支管。本文所研究工程为单管单机布置型式,共运用了3根压力钢管,采用16MnR钢制作,每根管径4．0m,管线长约2020m,设计引用流量33．33m3/s,管内最大流速2．65m/s。为了避免压力钢管在冬天时被冰堵塞或出现结冰,特将保温材料抱在管外。最终设计方案在开挖的沟槽内布置钢管,管道安装完毕后,开挖的砂砾石土回填,管顶回填土的平均深度为2．0,大于该地区0．6的冻土深度,不仅地热对管道起到升温,还能运用回填土的隔热起到保温作用,从而本工程长压力管道的放冰冻问题可以得到彻底解决。

5 前池防冰设计

前池是长距离引水式水电站冰害的最后一个环节,本文所采用的是输排冰方式来避免冰花进入电站机组,以致形成渠道及前池结成冰盖等问题。为此特综合分析比较了4种压力前池,分别是正向排冰正向引水、弯道排冰正向引水、正向排冰侧向引水及侧向排冰正向引水,从中选择一个较适合本文工程的,上述4种方法属正向排冰正向引水效果最好,其次是弯道排冰正向引水,本文采用的则是此方法,在渠道入前池前布置转弯角达81．5°的弯道,之后利用弯道进行排冰正向引水,由于受当地地形影响或高压输变线塔的限制,水面宽度要大于弯道转弯半径,如此一来弯道处极容易产生岸病,水面宽度得以缩小,实现阻滞冰花的目的。此外,此弯道还有排冰设施,使弯道阻冰现象可以有效避免,在冰花量小的情况下结合电站进水口出的回转式拦污栅可打捞浮冰,如冰花量小时,联合运用回转式拦污栅和排冰渣来充分排除渠道中的冰花,具有耗水量小、经济有效等特点。除了上述两种排冰方法外,虹吸引水是前池运用较好的防冰措施,它取消了进水闸门,避免了进水闸的冰害,真空泵和真空破坏是实现进水和断流的主要方式,可在水下埋设拦污泥栅,因此挂冰或冰堵问题根本不会存在。

6 结语

总之,长距离引水式电站放冰冻设计要紧密联系蓄、防、输、排等相关环节,并于当地气温条件相结合,做好保证冬季稳定运行的措施。除此之外,还应留意电站在当日平均气温降低到零度以下时会进入冬季输冰运行期,直到稳定恢复为止,如仍有产冰或岸冰等现象,应及时采取措施。由于冬季运行较为复杂,设计单位应有效结合以往电站冬季运行经验,促使工程更好的发挥应有的效益。

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