試論嚴寒地區引水式水電站的設計和運行經驗

鄭建輝+黃濤+張鷹

摘要：本文從壩址選擇、樞紐布置、引水渠道設計和壓力前池設計等幾個方面分析了嚴寒地區引水式水電站的設計問題，結合嚴寒地區水電站運行特點，探討了引水式水電站運行管理要點，旨在為相關引水式水電站設計和運行實踐提供參考。

關鍵詞：嚴寒地區；引水式水電站；設計；運行管理

1嚴寒地區引水式水電站設計分析

1.1壩址選擇及樞紐布置

1.1.1壩址選擇

在壩址選擇的過程中，首先需要考慮開發和段自然條件、地質情況、工程投資及是否便于管理等因素，之后要根據引水要求選擇水量較大、河床穩定的河段作為渠道位置。為了盡可能多的引上有河床兩側溢出水，增加發電、提高水溫，應當盡量在泉水溢出帶下游設置渠道，這對于電站在冬季的良好運行有著重要意義[1]。如果冬季、春季上有來冰量較多，則需要對排冰能力進行考慮，選擇則有利地形建閘，確保引水排冰的通暢性。

對于渠道型式來說，一般選用攔河閘、壩混合式渠道，正面泄洪排水，側面引水發電。需要注意的是，要充分考慮水流條件因素，保證排水方向與河道軸線一致，從而避免破壞上下游河流自然形態，盡可能降低耗水量。

1.1.2樞紐布置

我國山區性河流講多，降水是主要的徑流補給方式，其次才是冰川融雪水和地下水。針對嚴寒地區山區性河流特點，首部樞紐有兩種布置方式選擇：①全閘布置：這種布置方式泄流能力較強，但運行不靈活，需要頻繁的啟用閘門，不利于運行管理；②閘、壩混合式布置：這種布置方式運行靈活，成本較低，方便管理，且有著良好的安全性。

一般來說，引水式水電站沒有調節性能，冬季運行困難，負荷較低，這就需要根據當地地形地貌來布置具備庫容調節功能的樞紐，保證冬季也能夠滿足發電要求。

1.2引水渠道設計

1.2.1渠線

渠線盡可能設置在河谷陽坡，通過陽光輻射提升水溫，避免結冰，促進冬季順利排水。此外，渠線應當沿著等高線進行布置，盡可能少占地，在渠尾前池形成突然下跌地形，形成落差。結合地形采用與明渠、暗渠及倒虹吸等相結合的方式進行輸水渠系建筑物的布置，避免出現深挖高填的情況。

1.2.2渠道斷面

山丘地區坡降較陡，且存在較大起步，此時應當選擇窄深式斷面，為了防止坡面砂石及滾石等落入到渠道中，應當在部分渠道上加蓋板，同時能夠有效降低冬季水熱量流失，保證能夠形成冰蓋。

對于地下水位高、地勢相對平坦的地區來說，應選擇寬淺式斷面，存在泉水可引泉水如渠道，以此來增加水溫和水流量，避免冬季結冰。此外，引水渠道設計應當因地制宜，就地選取耐久性能優良、防滲性能好的材料襯砌，例如可選用抗凍性能好的混凝土進行襯砌，減少掛冰現象，保證運行安全。

1.2.3渠道縱坡

渠道縱坡陡緩能夠反映水流速度，如果渠道縱坡較陡，說明受到沖涮較為嚴重，水流速度較大，如果渠道縱坡較為平緩，則容易淤積泥沙，導致雜草叢生，不利于保證輸水能力。尤其對于嚴寒地區來說，結冰蓋運行時，需要以地形、造價、水能等為依據合理設計縱坡，同時控制水流速度。對于輸排水運行來說，縱坡前段可適當陡一些，保證輸冰流速，后段可設置緩流段，一般在排并閘前30m左右，以此來滿足排冰、浮冰的水流速度要求，且避免冰塊流動過快沖擊下游建筑。

1.2.4渠道流速

渠道流速應當≤最大允許不沖流速，防止對渠道沖刷，如果水中含有泥沙，則應當將流速控制在不淤流速之上。對于小型水電站引水渠道來說，其渠道流速選擇如表1所示：

1.3壓力前池

1.3.1壓力前池布置

壓力前池應當盡可能設置在天然穩定地基之上，避免在地基不穩處、滑坡處、裂隙發育處布置。需要密切觀測前池建成前后水文地質條件動態變化帶來的不利影響，避免出現滑坡等事故，保證廠房及前池的安全性。宜采用正面排冰、排沙、側面引水發電的方式布置前池，這種布置方式能夠有效提升排冰和排沙效果，同時有利于減少輪機磨損，提升其使用壽命，且有助于避免冬季結冰問題。

前池進水室中心線與引水渠道中心線盡可能平行，保證水流通暢，降低水頭損失，以此來保障水流能夠從渠道平穩的進入到前池中。在平面上要保證前池與引水渠道末端連接段的兩邊對稱，擴展角要<10°，選擇1：3-1：5的斜坡作為底邊縱坡。

引水渠道末端要盡量順直，如需設置彎道，則應當將直線調整段設置在彎道終點與入口之間，或設置導向設施。前池水流速度一般要求≤0.8m/s，便于泥沙沉積并排出，還能夠避免壓力水管中進入冰凌和冰塊。將擋冰板設置在進水室之前，提升排冰效果。為了防止冰凌進入到水室之中，擋冰板伸入深度應當在前池冬季運行水位下限以下50cm。

1.3.2壓力前池水位

壓力前池正常水位：小型水電站可取通過設計流量時渠末水位近似值；壓力前池最低水位：單機引用流量60%水位或枯水期最小發電流量水位，對于農村小型水電站來說，可取渠道末端底板高程作為最低水位，保證安全；壓力前池最高水位：正常運行時，可取脫除全部負荷的最高涌波作為最高水位。

2嚴寒地區引水式水電站運行管理要點探討

2.1流冰期運行管理要點

在流冰期，引入的冰凌和渠道再生冰很容易發生渠道冰塞問題，需要加強巡視，及時清除掛凌和冰塞，保證水流暢通。如果遇到大雪天氣，則應適當加大水流量，發揮排冰閘作用，如果遇到冰塞問題，應當遵循從下游到上游的順序排除冰塞，必要時可采取爆破方式進行排冰。

2.2引水渠道結冰蓋運行

冬季來臨，隨著氣溫降低，渠道會形成冰蓋，尤其在遇到寒流導致氣溫驟降的時候，必然會形成冰蓋。冰蓋一般為拱形，表面水平，岸邊厚度可達30m，渠中心冰較薄。此時需要保持高水位運行，必要時寧可少發電，以此來保證冰蓋的穩定性。此外，電站應準備好水電阻，對發電機進行有效調節，保證其出力穩定，避免外網突然甩負荷導致水位上升。

一般來說，電站后半夜負荷較小，為了對水位進行有效控制，保證水流溢出冰洞，可適當減少泄水道排水量，從而形成70-80cm厚度的理想冰蓋，電站正式進入冰蓋運行期。

春季化冰期要防止冰蓋坍塌，避免堵塞渠道，此時要加強巡視，保證渠道暢通，將泄水道上的冰蓋打掉，排水方向為下游至上游。一旦發現冰蓋坍塌或冰塞，則要人工疏通，打碎冰塊，也可采用爆破與人工碎冰結合的方式。

結論：

綜上所述，引水式水電站設計和運行是一項系統性的工程，涉及到的環節較多。嚴寒地區負溫歷時較長，存在冰害，需要結合氣象、水溫及工程條件合理的進行引水式水電站的設計，并做好運行管理和維護工作，保證水電站能夠在冬季安全穩定的運行。

參考文獻：

[1]德吉卓嘎，普片，索央.嚴寒地區引水式水電站設計和運行經驗[J].西藏科技，2013，02：73-75.

作者簡介：

鄭建輝，1971.4.28，男，漢，湖北省孝感市，本科，中級，研究方向：智能變電站.endprint