嚴寒高海拔地區水電站引水渠道設計

吳建良

(中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，新疆　830002)

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嚴寒高海拔地區水電站引水渠道設計

吳建良

(中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，新疆830002)

摘要：新疆地區，冬季嚴寒且漫長，尤其是在高海拔地區修建引水式水電站工程，冬季運行面臨嚴酷的挑戰，引水渠道冬季冰情嚴重，引水渠道內的冰害是影響水電站能否正常運行的的關鍵所在。由于嚴寒地區晝夜溫差大及獨特的自然地理條件，使得引水渠道內冰的生成和消融極其頻繁，為了解決水電站冬季引水渠道打冰、撈冰、破冰等問題，水電站通常采用引水渠道結冰蓋運行，現以新疆塔什庫爾干河布達爾水電站工程引水渠道為例，闡述對寒冷地區引水式水電站引水渠道如何進行結冰蓋設計進行詳細介紹。

關鍵詞：引水渠;嚴寒;冰凍;水深；水電站

1工程概況

新疆塔什庫爾干河布達爾水電站工程位于新疆喀什地區塔什庫爾干縣塔什庫爾干河上，是塔什庫爾干河干流中游河段的第2級電站，為河道引水式水電站。工程區距離塔什庫爾干縣縣城約55 km。

布達爾水電站工程引水渠首正常水位3 457.00 m，設計洪水位3 458.73 m，校核洪水位3 459.01 m；電站發電引水流量40 m3/s，額定水頭88.9 m,裝機3臺，總裝機容量30 MW，年利用小時數3 139 h, 多年平均發電量0.953億kWh。

根據SL252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標準》，塔什庫爾干河布達爾水電站工程規模為Ⅳ等小(1)型。電站主要建筑物引水渠首、引水渠道、壓力前池、泄水陡坡、壓力鋼管、廠房、尾水渠道、升壓站等均為4級建筑物。次要建筑物導流圍堰、防洪堤為5級建筑物[1-2]。

工程所在區屬于典型的高寒山區，是極干旱荒漠地區，具有大陸性高原山地干旱氣候特征，全年四季不明顯，只有冷暖兩季，冷季5個月(11月—次年3月)，暖季7個月(4—10月)，多年平均氣溫3.4 ℃，極端最高氣溫32.5 ℃,最低氣溫-39.1 ℃,多年平均風速1.99 m/s，最大風速23 m/s，最大凍土深度177 cm，融化期6個月。最早結冰日期10月10日，全部融冰日期5月3日，初終冰天數平均202 d，最早開始封凍日期11月18日，流冰日期3月27日，年平均封冰天數為129 d，最大冰厚121 cm。項目區空氣干燥、稀薄，相對平原地區缺氧37%左右。根據SL211—2006《水工建筑物抗冰凍設計規范》，塔什庫爾干河布達爾水電站工程區屬嚴寒氣候區[3]。

工程基礎大部分位于第四系上更新統的砂卵礫石層上，位于塔什庫爾干河左岸Ⅱ級階地前緣，基礎不存在巖土液化、凍脹及腐蝕性，渠道邊坡穩定，工程地質條件較好。

引水渠道進水口布置在引水渠首左側，引水進口底板高程3 454.527 m，設計引用流量40 m3/s。引水渠全長13 763.59 m，引水渠道采用梯形明渠形式，設計底寬3 m，內邊坡1∶1.75， 糙率0.016，縱坡1/1250，渠道采用現澆混凝土板(底板厚20 cm，邊坡板厚15 cm)+土工膜+2 cm M10水泥砂漿找平層，現澆C20W6F250混凝土板。

2引水渠道設計方案比選

本電站考慮冬季運行，根據塔什庫爾干河水文氣象資料分析，塔什庫爾干河以冰雪融水補給為主，河流水量汛期主要由氣溫升高，冰雪融化補給，枯水期依靠穩定的泉水、地下水補給，徑流的年內及年際變化較大，冷季為枯水期，河道來水僅能滿足本電站1臺機發電，暖季為豐水期，3臺機組均可滿發電，所以設計時要充分考慮渠道的超高及渠道冬季結冰蓋產生的冰凌對渠道斷面處渠底和渠岸的影響，保證渠道結冰蓋后仍有足夠的過流能力。現根據工程實際情況對引水渠道的邊坡、襯砌防滲結構、縱坡及斷面型式做詳細介紹。

2.1引水渠道邊坡比選

引水渠渠基主要為卵石混合砂礫石，基礎地質條件較好，地下水埋深較大。地質建議開挖邊坡：碎石土開挖邊坡1∶1～1∶1.25，砂卵礫石開挖邊坡1∶1.5；SL18-2004《渠道防滲工程技術規范》表5.4.1-2中對剛性材料防滲渠道的最小邊坡系數要求，考慮渠道邊坡襯砌及基礎的穩定性，初擬引水渠過水斷面邊坡為1∶1.75，外邊坡為1∶1.5[4]，渠道邊坡穩定系數計算見表1。

經計算，渠道過水邊坡1∶1.75、外邊坡1∶1.5/1∶2在不同工況下均滿足SL274—2001《碾壓土石壩設計規范》中對邊坡穩定的要求[5]。

表1　渠道邊坡穩定系數計算表

2.2引水渠道襯砌防滲結構比選

引水渠襯砌型式采用現澆混凝土板襯砌和預制混凝土襯砌2種型式進行比選。現澆混凝土方案襯砌結構自上而下為：現澆混凝土板(底板厚20 cm，邊坡板厚15 cm)+土工膜+2 cm M10水泥砂漿找平層；預制混凝土板方案襯砌結構自上而下為：預制混凝土板(底板厚18 cm、邊坡板厚12 cm)+2 cm M10水泥砂漿+土工膜+2 cm M10水泥砂漿。引水渠襯砌方案比選結果見表2。

表2　渠道襯砌型式方案比選表

綜合工程區地質及水文條件、料場選用、襯砌抗沖、抗凍脹、施工條件、投資及冬季運行等幾個方面進行比選，綜合分析，推薦現澆混凝土板方案。

選擇現澆混凝土方案，根據SL18—2004《渠道防滲工程技術規范》的條文規定，結合水文、氣象，選定糙率n=0.016。

2.3引水渠渠道斷面型式比選

引水渠道沿線出露的地層巖性主要為第四系卵石混合砂礫石，渠道土為非凍脹性土；渠道沿線地下水埋深較深；電站動力渠道應滿足不沖不於流速，又因電站冬季運行發電，故要考慮渠道的輸冰流速(不小于1.1 m/s)[6]，渠道設計流量較大，所以只考慮明渠方案。根據水文、地質條件，便于施工等條件，擬定3種方案進行比選：方案1，采用現澆混凝土襯砌梯形明渠；方案2，采用弧形底梯形明渠(底部漿砌石，上部混凝土板)；方案3，采用弧形底漿砌卵石梯形明渠。比選情況見表3。

綜合分析，推薦方案1。

2.4引水渠道縱坡比選

根據DL/ T5079—2007《水電站引水渠道及前池設計規范》，發電引水渠道縱坡的選擇一般要遵循以下原則：① 中低水頭、大流量引水渠道，清水渠道及土渠，采用較緩的縱坡；② 高水頭電站的引水渠道，多泥沙渠道，傍山襯砌渠道，不襯砌的巖石渠道及輸冰運行的渠道，采用較陡的縱坡[7]。保證引水渠道過流流量Q=40 m3/s不變，引水渠道縱坡擬定分別按方案1為1/1250，方案2為1/1000，方案3為1/800進行比選。

表3　引水渠渠道斷面型式比選表

(1) 方案1

縱坡1/1250，流速2.21 m/s，底寬3.0 m，水深2.473 m，內邊坡1∶1.75。

(2) 方案2

縱坡1/1000，流速2.4 m/s，底寬3 m，水深2.346 m，內邊坡1∶1.75。

(3) 方案3

縱坡1/800，流速2.61 m/s，底寬3.0 m，水深2.23 m，內邊坡1∶1.75。

綜合分析，并根據發電引水渠線比選，本工程推薦方案1為電站引水渠道布置形式。

3引水渠道水力計算

3.1水力計算

渠道水力學計算根據明渠均勻流公式確定[8]，計算公式為：

(1)

3.2渠道超高

渠道超高應按渠道通過設計流量水電站正常運行條件下突然甩負荷時產生的最大涌波高度再加安全超高來確定，因此渠道按受涌波影響段和不受涌波影響段分別計算渠道超高[9]。

不受涌波影響段的渠道超高確定：本工程水電站引水渠為4級建筑物，根據GB50288—99《灌溉與排水工程設計規范》,渠道超高按Fb=1/4hb+0.2確定[10]，引水渠設計流量為40m3/s，設計水深2.473m，經計算渠道超高為0.818m，為便于施工超高取0.93m。引水渠道水力計算結果見表4。

通常冬季運行渠道，冰蓋厚度一般可控制在10～5cm范圍內[11]，根據工程經驗，本工程引水渠道設計結冰厚度為0.6～0.8m，冬季僅有1臺機發電，發電引水單機流量為13.33m3/s，相對應的水深為1.45m，大于設計結冰蓋厚度，符合設計要求。本電站經過幾年的冬季結冰蓋運行，電站渠道未出現不良運行工況。

表4　不同設計流量引水渠道水力計算表

4工程設計體會

引水渠道是引水式水電站正常輸水、集中部分落差的動力渠道[12]，本工程所在地為嚴寒區，電站渠道在冬季結冰前，將壓力前池和引水渠道水位雍高到2臺機發電水位以上，水深不小于2.04 m，此時電站只運行1臺水輪機組，并通過運行人員密切監測前池水位，根據當地氣象資料，使壓力前池和引水渠道水位保持數天之后并確定冰蓋已經形成，再緩慢使引水渠道水位回落到1臺機組水深1.45 m。在結冰蓋運行時，要保證冰蓋面與水面之間空氣能正常流通，以免在水流通過時形成負壓，通常要在冰蓋底面與水面間形成一個高度為0.4 m左右的空間[13]，確保引水渠道的正常運行。

水電站引水渠道冬季確定采用結冰蓋運行時，在條件允許的情況下壓力前池建議采用虹吸式進口，這樣能更好地防止冰凌、水中飄浮物、砂礫等對進水口的危害，在嚴寒地區可以徹底解決因進水口冰凍而帶來的管理和運行中的一系列問題，并在前池設有溢流堰，既能在水電站引水渠道雍高水位結冰蓋期間通過溢流堰更好地控制水位，且操作更加簡單方便，值得推廣與運用。

5結語

小水電站冬季運行過程中，難免會遇到冰害問題，一旦水電站及相關設施受到冰害的影響，則無法確保水電站的正常運行。因此，加強對水電站冬季運行防治冰害技術措施研究，具有非常重大的現實意義[14]。

綜上所述，根據新疆已建冬季運行的水電站引水渠道采用結冰蓋設計，經驗較豐富，對于寒冷地區的引水式水電站引水渠道縱坡選擇應考慮冬季最小流量時，渠道流速應大于1.2 m/s。尤其在地形復雜的山區或丘陵地區，引水渠道工程設計要求質量易保證、易維修、適應變形能力好， 因地制宜，不迷信某一種型式，不拘泥于固定的經驗，在繼承中發展，在發展中創新，既要安全可靠，又要經濟合理，廣泛吸取工程實踐經驗，積極采用新結構、新材料、新技術、新工藝[15]。

參考文獻:

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[3]SL211-2006，水工建筑物抗冰凍設計規范[S].北京：中國水利水電出版社,2007.

[4]SL18-2004，渠道防滲工程技術規范[S].北京：中國水利水電出版社,2005.

[5]SL274-2001，碾壓土石壩設計規范[S].北京：中國水利水電出版社,2002.

[6]GB50288-99，灌溉與排水工程設計規范[S].北京：水利部出版社,1999.

[7]DL/ T5079-2007，水電站引水渠道及前池設計規范[S].北京：中國水利水電出版社,2002.

[8]李煒.水力計算手冊[M].北京：水利水電出版社，2006.

[9]呂宏興，裴國霞，楊玲霞.水力學[M].北京：中國農業出版社，2002.

[10]邱秀云. 水力學[M].烏魯木齊：新疆電子出版社,2004.

[11]華東水利學院.水工設計手冊-第八卷水電站建筑物[M].北京：水利電力出版社，1989.

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[13]趙明.阿勒泰市拉斯特水電站工程引水渠道結冰蓋設計[J].新疆水利，2011,(2)：42-44.

[14]將增花.新疆引水式小水電站冬季運行防治冰害技術措施研究[J].河南水利與南水北調,2015,(2)：6-7.

[15]吳建良.布達爾水電站工程引水樞紐布置探討[J].中國水能及電氣化,2015,(6)：66-69.

Design of Approach Channel of Hydropower Project in Cold Region with High Elevation

WU Jianliang

(Energy China Xinjiang Electric Power Design Institute, Xinjiang830002,China)

Abstract:Winter in Xinjiang is cold and long. Construction of the water-diverted hydropower project in the high-elevation region often faces severe challenges in winter. The approach channel is with severe ice occurrence. The ice in the approach channel is the key factor affecting the normal operation of the hydropower station. Because of the quite temperature difference between daytime & night time and the unique natural geographic conditions, ice production and thawing in the approach channel are extremely frequent. To avoid ice breaking, fishing and striking, etc in the approach channel of hydropower station in winter, the station often operates with the ice cover in the approach channel. With the practice of the approach channel of Budaer Hydropower Station on the Tashikurgan River, how to design the ice cover in the approach channel of the water-diverted hydropower project is described in detail.

Key words:approach channel; severely cold; freeze; water depth; hydropower station

中圖分類號：TV133

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.008

作者簡介：吳建良(1982- )，男，江蘇省蘇州市人，工程師，主要從事水利水電工程設計工作.

收稿日期：2015-04-27

文章編號：1006—2610(2016)01—0033—04