如何在高寒地區實施長距離引水式電站防冰凍設計

馬成錄

(青海省三江水電開發股份有限公司,青海西寧 810008)

如何在高寒地區實施長距離引水式電站防冰凍設計

馬成錄

(青海省三江水電開發股份有限公司,青海西寧 810008)

80年代初,關于電站的冬季運行只有少部分設計者予以重視,但由于對冰害規律認識不夠或缺乏經驗,整體運行效果欠佳。為此,本文主要以某高寒地區實施長距離引水式電站工程為例,詳細分析各種放冰凍措施,如渠道防冰、前池排冰、金屬結構防冰凍或水庫蓄冰增溫等,在結合以往經驗的基礎上對提出較為優化的設計方案,以此來保證工程在冬季時的安全運行。

高寒地區 長距離引水式電站 防冰凍 設計

高寒地區冬季都漫長寒冷,最低氣溫一般在-28℃～-40℃左右,整個冬季有些小水電都無法正常運行,大多是受冰害影響,以致牧業或農業等生產和電站效益無法正常發揮,也給當地居民帶來生活的不便。電站雖然通過在河道上修建取水口來取水,但引水渠道和壓力鋼管較長,不可避免延長冬季沿程產冰,為此,本文分析了多種防冰凍設計,并結合工程具體情況給予相應的防冰凍措施,全面保障電站在冬季時的正常運行。

1 上游河道水庫蓄冰

本文所研究的工程水庫正常蓄水容量為17．23億m3,死容庫為3．20億m3,取水口上游河道有2座梯級水庫,水庫投入運行后在冬季出庫水溫平均在0．4℃左右,為了避免河道冰進入渠道,特利用水庫中的蓄冰作用保證水電站運行。本工程河道冰進入渠道的問題因兩個梯級水庫的蓄水運行而得以順利解決,提高了水流水溫,但需要配備其他的放冰凍措施來徹底解決渠道自產冰。

2 閘門防冰凍設計

2.1 冰凍對閘門產生的危害

閘門上出現冰蓋的靜壓力稱為閘門防凍,此防凍作用是為了避免冰塊或相關冰質堵塞閘門,妨礙閘門埋固件工作。冰凍對閘門的危害與高寒地區的冰情規律有關,存有差異性。冰凍災害形式多樣,目前出現過的冰凍情況都是根據引水渠道和水利樞紐常出現危害總結得出,一般有以下幾種：①閘門受埋固件與引水渠道閘門凍死的影響,長時間不能啟閉,造成連底凍和引發冰水漫堤,渠堤遭到沖毀。②水庫形成冰蓋,巨大的冰蓋推力都集聚在露定閘門處,導致門葉變形或損壞。③閘門受埋固件與引水渠道閘門凍死的影響,長時間不能啟閉,正常運行受到影響,有大量冰塊形成堵塞堆積,引水功能失效。④在整個冬季潛孔工作閘門處于擋水工況,門葉迎水面形成巨大冰包與埋固件牢固地凍結至一起,損壞水封和啟閉設備,閘門無法啟閉。

2.2 閘門防冰凍工程現狀

冰凍工程廣泛應用于我國的東北、西北及青藏等高寒地區,其工程分為不同的技術工種,如蓄冰工程技術、排冰工程技術、輸冰工程技術等。其中化冰工程技術主要運用于渠道和樞紐區間所運行的閘門,還有幾種升溫方法給予輔助,如增溫法、吹泡法、加熱法等。如青海牛板筋水電站采用增溫法,新疆喀什三級水電站采用打冰機、天津引欒工程大黑汀水庫渠首分水閘閘門采用循環熱油法等,上述放冰凍工程技術的效果都十分良好。

2.3 閘門防冰凍設計

本文所研究的引水線路在分水閘、排冰閘、沖沙閘等建筑物上均布置了全線金屬結構,除此之外,在回轉式攔污柵框架內及水閘門槽還裝置電加熱器,如 果溫度在 -5℃以下會自動開啟電加熱器,保證溫度適宜,調節其溫度只要通過控制相關裝置即可,電加熱器的存在為了防止閘門有冰凍現象,影響電站正常運行。此外,電站進口啟閉機房的結構是全封閉,房間內設有采暖設備,保證閘門內井口在冬季運行時不會結冰,從而實現電站進水口事故閘門的冬季保護作用及排沙孔的正常使用。

3 渠道放冰凍設計

3.1 渠道縱坡和斷面選擇

根據相關電站的設計經驗,可以總結為“蓄”渠首防冰的重點,具體指利用有利地形建壩引水后形成具有容積量的蓄冰庫容,便于有效攔截蓄河道冰凌。原理是冰蓋在庫中逐漸形成,入庫水體因冰蓋隔絕了冷空氣的侵襲,之后水體和庫底地溫兩種熱量進行交換,入庫水體升溫,進而消融冰凌。考慮到冬季極端寒冷的情況,引水渠特采用的是輸冰運行方式,即使是最小引水發電流量也不會出現岸冰,輸冰流速控制在1．2m/s左右,滿足輸冰流速要求。經綜合比較后,選定窄深式梯形斷面引水渠,渠道縱坡為1/5000,渠深5．63m,相應水面寬度為21．5m,底寬4．0m,邊坡1：2,設計水深為4．372,混凝土板的選擇要符合抗冰凍要求,其厚度大約為100mm,渠道縱、橫向均2m布置一道伸縮縫,形式以錯縫為主,可用閉孔聚乙烯泡沫塑料來填充縫內,之后采用聚胺脂砂漿勾縫表面,做好防滲措施即可。引水渠不管結冰蓋運行或輸冰運行,嚴密監查和控制冰凌入渠量和它們是否可以安全輸水有關,如果控制失當,渠道冰塞問題都有可能出現在上述運行方式。因此,為了防止渠首前冰堵和保障渠首的安全運行應加強渠首向下游河床的排冰管理,對電站在冬季安全運行起著重要的促進作用。

3.2 凍脹土處理

含土砂礫石的土含量局部有粒徑,屬于小于0．0075m的土粒,土含量超過10%,此類土是引水明渠的基礎,它的土含量超過10%且局部有粒徑小于0．075mm的土粒,開挖后能發現凍脹性土的部位,采用渠道襯砌等方式來治理砂礫石,還可挖掘相關管道做好排水管的處理工作。

3.3 高填方跨洪溝

由于渠道槽身保溫效果差,屬于高聳建筑物,除此之外,渠道沿線自身還需跨過幾個大的沖洪溝,導致在冬季時會出現槽身結冰和進口阻冰等問題。為了便于維護,可在布置渠線時,將渠線適當向沖溝上游偏離,直接以填方渠道跨越,既降低渠道臨空高度,又降低了造價。

3.4 彎道及交叉建筑物布置

設置彎道部位是為了盡量順直引水線路,減少彎道,彎道設置可取遠大于10倍水面寬度,半徑為500m左右,便于彎道處水流形成完整的環流來防止因冰造成的冰塊堵塞,本文工程沒有將排洪渡槽運用到渠道沿線排洪處,只是從渠底下穿越排洪涵,減少水面建筑物所形成的掛冰,后續導致堵塞的可能。

4 壓力鋼管防冰凍設計

壓力鋼管分為露天式和埋藏式,從結構和材料上分為無縫鋼管、焊接或鉚接,為方便本文工程使用,特從鋼管預留出分支管。本文所研究工程為單管單機布置型式,共運用了3根壓力鋼管,采用16MnR鋼制作,每根管徑4．0m,管線長約2020m,設計引用流量33．33m3/s,管內最大流速2．65m/s。為了避免壓力鋼管在冬天時被冰堵塞或出現結冰,特將保溫材料抱在管外。最終設計方案在開挖的溝槽內布置鋼管,管道安裝完畢后,開挖的砂礫石土回填,管頂回填土的平均深度為2．0,大于該地區0．6的凍土深度,不僅地熱對管道起到升溫,還能運用回填土的隔熱起到保溫作用,從而本工程長壓力管道的放冰凍問題可以得到徹底解決。

5 前池防冰設計

前池是長距離引水式水電站冰害的最后一個環節,本文所采用的是輸排冰方式來避免冰花進入電站機組,以致形成渠道及前池結成冰蓋等問題。為此特綜合分析比較了4種壓力前池,分別是正向排冰正向引水、彎道排冰正向引水、正向排冰側向引水及側向排冰正向引水,從中選擇一個較適合本文工程的,上述4種方法屬正向排冰正向引水效果最好,其次是彎道排冰正向引水,本文采用的則是此方法,在渠道入前池前布置轉彎角達81．5°的彎道,之后利用彎道進行排冰正向引水,由于受當地地形影響或高壓輸變線塔的限制,水面寬度要大于彎道轉彎半徑,如此一來彎道處極容易產生岸病,水面寬度得以縮小,實現阻滯冰花的目的。此外,此彎道還有排冰設施,使彎道阻冰現象可以有效避免,在冰花量小的情況下結合電站進水口出的回轉式攔污柵可打撈浮冰,如冰花量小時,聯合運用回轉式攔污柵和排冰渣來充分排除渠道中的冰花,具有耗水量小、經濟有效等特點。除了上述兩種排冰方法外,虹吸引水是前池運用較好的防冰措施,它取消了進水閘門,避免了進水閘的冰害,真空泵和真空破壞是實現進水和斷流的主要方式,可在水下埋設攔污泥柵,因此掛冰或冰堵問題根本不會存在。

6 結語

總之,長距離引水式電站放冰凍設計要緊密聯系蓄、防、輸、排等相關環節,并于當地氣溫條件相結合,做好保證冬季穩定運行的措施。除此之外,還應留意電站在當日平均氣溫降低到零度以下時會進入冬季輸冰運行期,直到穩定恢復為止,如仍有產冰或岸冰等現象,應及時采取措施。由于冬季運行較為復雜,設計單位應有效結合以往電站冬季運行經驗,促使工程更好的發揮應有的效益。

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