寒冷地區引水式電站冬季結冰蓋運行渠道設計與研究

白俊嶺，孫亮科

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

某引水式電站位于我國西北寒冷地區，多年平均氣溫為6.5 ℃，絕對最高氣溫37.3 ℃，絕對最低氣溫-26.4 ℃，冬季累積負氣溫多年平均-762 ℃、最低-1 086 ℃。

水電站由攔河引水樞紐、引水渠道、壓力前池、壓力管道、電站廠房、尾水渠等組成。設計引水流量140 m3/s，水頭100.8 m，裝機容量124 MW，屬于Ⅲ等中型工程，地震設防烈度7 度。引水渠線長26.41 km，其中明渠長25.37 km、隧洞長1.54 km，設計引水流量140 m3/s，冬季引水流量15～30 m3/s。

工程具有冬季歷時長、溫度低且來水量小的特點，合理選擇冬季運行方案對保證運行安全和提高冬季發電效益至關重要，做好渠道設計和運行調度控制是冬季結冰蓋運行的關鍵問題。

1 冬季運行方式

在寒冷地區冬季河冰對河道和渠道輸水會造成重要影響，國內外許多學者圍繞河冰和渠道冬季輸水問題進行了大量的研究。

目前實際運行的引水式電站的冬季運行方式歸納起來大致可分為4種：①蓄冰運行方式；②輸排冰運行方式；③結冰蓋運行方式；④抽水融冰運行方式。蓄冰運行和抽水融冰運行都要求合適的地形和地質條件；輸排冰運行采用較多，但會損失一定發電水量；結冰蓋運行大多應用于引調水渠道中，在動力渠道上成功運用可減少大量棄水，增加發電效益。

本工程不具備水庫蓄冰和抽水融冰的條件，僅對輸排冰運行和結冰蓋運行進行研究。

2 渠道設計方案

2.1 明渠布置

渠道斷面為梯形，底寬4 m，邊坡1.75，渠道正常水深4.68 m。渠道采用C20W6F300 現澆混凝土板襯砌，底板厚度12 cm，邊坡板厚度12～10 cm，襯砌下鋪一布一膜，底層采用30 mm 厚M10 砂漿過渡保護層；渠道縱、橫向均3 m 設一縫，錯縫布置，縫寬20 mm，上部30 mm 為聚氨酯砂漿，下部為苯板。渠道斷面，如圖1所示。在渠道末端、壓力前池前部設置排冰閘，布置形式如圖2所示。

圖1 渠道標準斷面

圖2 彎道排冰布置

2.2 水力設計

按明渠均勻流公式計算，渠道水力要素詳見表1。在12、1、2 月的平均氣溫－7.5 ℃、無降雪及平均風速2.8 m/s情況下，渠道的產冰情況詳見表2。

表1 渠道水力參數

表2 平均氣象條件下渠道產冰量計算成果

從表2 中看出，在冬季平均氣溫、風速和無降雪條件時，渠道流量大于15 m3/s 運行時，其流凌密度較小，不會導致冰花插堵形成冰塞，渠道輸冰運行穩定可靠。在極端條件下，流凌密度小于0.2，亦能滿足輸冰運行條件。

電站最小發電流量約15.5 m3/s，考慮排冰流量2.5 m3/s，渠道在冬季可引流量小于18 m3/s 時，電站停機，渠道停止引水。停水后須等渠道內冰凌化盡后，具備發電條件才能再次引水。

3 結冰蓋運行方案設計

3.1 結冰蓋輸水運行條件

根據國內外的研究成果，渠道形成熱力冰蓋的條件是：①渠道水流的佛汝德數小于0.08～0.12；②水流流速小于0.5 m/s；③冬季引水流量基本穩定。

由表1 可以看出，渠道水流的佛汝德數均大于0.4，在渠道上自然形成冰蓋是不可行的。

引水渠道設計引水流量140 m3/s，水深4.68 m，加上超高，深度在6.2～6.7 m。冬季渠道可引流量在30 m3/s以下，其均勻流水深2.28 m，渠道還有2.4 m富余空間。充分利用這部分富余空間，減小水流流速，使其形成熱力冰蓋。

減小水流流速可以通過壅高水位來實現，在渠道上建壅水閘可以壅高水位。但閘前水位是一條壅水曲線，越遠離壅水閘，壅水程度越低。如要使渠道上每個斷面水流因子均符合形成熱力冰蓋的條件，則需要建設多座壅水閘。根據有關研究，水流形成熱力冰蓋和動力冰蓋的臨界佛汝德數為0.08～0.12，為安全計，在設置壅水閘時控制水流佛汝德數小于0.09。

3.2 渠道結冰蓋設計

3.2.1 渠道結冰蓋輸水水力設計

熱力冰蓋冰層厚度的發展與累積負氣溫有關。冰層厚度按《水工設計手冊》（1984 年）推薦的公式計算：

式中：h為冰厚（cm）；∑t為累積負氣溫（℃）；α為系數，與累積負氣溫的計算方式有關，當用日平均負氣溫總和時，α＝2；當用月平均負氣溫總和時，α＝11。

根據氣象站歷年氣溫的統計資料，計算閘后渠道的冰蓋厚度，最小冰厚42.6 cm，最大冰厚67.4 cm，平均冰厚53.0 cm。

冰蓋形成后的水力計算，參照以下公式：

設冰蓋厚度為hi，則：

綜合糙率計算公式為：

式中：h0為渠道的設計水深（m）；Ji為縱比降；Qi為設計通過流量（m3/s）；bi為梯形斷面底寬（m）；p 為邊坡系數；n0為糙率；hi為冰厚（cm）；ni為冰底糙率；Ai為明流情況下的斷面面積（m2）；Ri為水力半徑（m）；χi為濕周（m）；Vi為斷面平均流速（m/s）；B為冰蓋寬度（m）。

通過建閘壅高水位以滿足結冰蓋運行條件，閘上影響區渠道水力因子詳見表3。以佛汝德數小于0.09為控制原則，如輸送流量控制在15 m3/s，閘間距可以控制在5 800 m；如輸送流量控制在20 m3/s，閘間距最大可以控制在5 500 m。

表3 渠道水力因子計算成果

結合渠道布置設置4 座節制閘，位置樁號分別為3+260、8+458、5+874和10+921，形成分別為4 683、5 197、7 695、5 047、5 153 m 的5段渠段。其中第三段包含隧洞1.55 km，考慮水流在隧洞內不失溫，也不會產生冰花，該段長度亦能滿足結冰蓋要求。

3.2.2 渠道結冰蓋結構設計

作用在渠道襯砌和水閘上的冰壓力，與冰厚和溫度升高率有關，最大冰壓力作為設計荷載。考慮渠道冰面寬度較小，冰壓力有所折減，按180 kN計算。

按襯砌板厚0.10、0.12 m 2 種，板寬分別為2.0、2.5、2.7、3.0 m，坡度1∶1.75，冰壓力頂端作用于襯砌的水平分縫處，水壓力作用于冰蓋以下考慮，按彈性地基梁計算襯砌板的應力。不同寬度襯砌板斷面應力，結果詳見表4—6。

表4 3 m寬襯砌板斷面應力

表5 2.5 m寬襯砌板斷面應力

表6 2 m寬襯砌板斷面應力

襯砌的最大應力發生在襯砌板底面上，不同板寬在不同的冰壓力下的在相同截面處的彎矩差異較大，直接承受冰壓力作用范圍內的襯砌板的應力較大，板厚0.1 和0.12 m 的襯砌的應力相差較大，達44 %。當板寬為2.0 m 時，不管板厚是0.12 m 還是0.1 m，冰厚小于0.6 m 時，板中最大應力均不超過1.29 MPa，小于C30混凝土的設計強度1.43 MPa。

3.3 渠道運行控制

水電站引水渠道在冬季流量逐步減少，引水流量最大不超過25 m3/s 條件下，渠道運行控制只要通過4個壅水閘下閘便可實現。控制渠道內流量穩定并根據氣溫情況合理選擇雍水閘下閘時間，使渠道形成熱力冰蓋是重點。

控制各渠段的渠道水面流速不超過0.6 m/s，佛汝德數小于0.09，一般氣候條件下，渠道在11 月下旬—12 月初就能形成冰蓋。根據氣象站和水文站歷年的氣溫和寒潮情況，統計了1971—2000 年30 a氣象站每年冬季首次連續3 d 日平均氣溫低于-5 ℃的發生時間，詳見表7。

表7 首次連續3 d日平均氣溫低于-5℃的發生日期

考慮到在寒潮來臨后，渠道流凌密度增大，暴露于空氣的鋼閘門、軌道溫度與大氣溫度相同，壅水閘及門槽熱傳導系數大，水中的鋼軌表面會結冰，并附著水內冰，門槽水面附近更會結冰，導致閘門無法下降，開度控制困難。因此，要求根據天氣預報，在日平均氣溫下降到0 ℃之前，并不遲于渠道內出現流冰花之前將壅水閘閘門放下，并根據流量控制閘門開度，等待寒潮的來臨。一般每年11 月15 日下閘，最晚不遲于11月25日。

3.4 渠道結冰蓋運行風險與解決措施

根據引黃濟青等工程運行經驗，電站輸水渠冬季運行可能面臨如下風險：閘門運行不靈活；閘門操作失誤；理論出現偏差，渠道產生嚴重冰塞或冰壩；在冰拉力作用下，渠道混凝土襯砌板破壞。

解決措施如下。

（1）在冬季運行期，預先準備噴燈、電暖氣、移動鍋爐、鏟冰設備，在閘門下游安裝防風簾子。排冰閘和壅水閘閘門加熱裝置正常運行，以保證排冰閘隨時可以開閘排冰。

（2）閘門操作失誤有可能使閘門快速提起或快速放下，此問題可在冬季運行前預先對閘門操作人員進行培訓，并在現場進行實際操作，取得經驗。

（3）減小水流流速，使水流佛汝德數滿足形成熱力冰蓋的條件。理論上，形成熱力冰蓋的水流佛汝德數要求小于0.12，本次設計取0.09，如此值有問題，在渠道上形成的冰塞可能壅水漫渠。在運行中一旦出現冰塞壅水，且壅水位接近設計水位時，減小引水流量。預備1 臺長臂反鏟，用長臂反鏟破壞冰壩，利用排冰閘排冰。

（4）引水流量變化必然導致冰面升降。冰面升降時，凍結在渠道襯砌板上的冰必然對襯砌板產生拉力。冰對襯砌板的作用力目前還沒有成熟的計算方法，通過調研，未發現此類的破壞。設計中已經對冰蓋附近部位渠道襯砌板進行加強。

4 工程運行效果分析

4.1 渠道運行驗證

經過一個冬季的結冰蓋運行，對設計計算情況進行了驗證，也取得了較多的運行控制經驗。①11月河道來水量較大，且氣溫較高，結冰蓋于12 月下旬開始，10 d左右形成穩定冰蓋。②通過進水閘、沖沙閘控制渠道流量，基本穩定在20 m3/s，壅水閘控制水位與設計值相同，在壅水閘單孔控制時存在冰花下潛現象，調節為雙孔同開度則比較穩定。③岸冰與渠道襯砌的粘結力不大，氣溫升高時存在岸冰脫落現象，但未對渠道襯砌造成破壞。④壅水閘下游側閘室未采用防冰凍措施，閘門槽未被凍住，閘門上下操作靈活。應該和氣溫較高有關，建議在進入冬季前，應做好除冰準備。⑤試運行期間，前池到4#壅水閘渠段結成了較長的冰蓋，根據此段冰蓋復核的水力參數與設計一致。

4.2 效益分析

水電站連續2 個冬季分別按輸排冰方式和結冰蓋方式進行試運行。2 種方式都能成功運行，2 a 冬季運行效益對比詳見表8。

表8 2 a冬季運行效益對比

以12 月到翌年2 月計算，結冰蓋運行多發電4 235 kW·h，增加經濟收益1 100 萬元。結冰蓋運行方案僅增加4 座壅水閘，建設投資1 200 萬元，一個冬季基本收回投資。此外，結冰蓋運行極大地減輕了冬季運行管理人員的工作量，改善了冬季運行管理人員的工作環境。

5 結語

本工程在2 個冬季采用了不同的運行方式，實踐證明，結冰蓋運行方式是適宜的。分析主要控制條件是冬季引水流量小，較大的渠道斷面可滿足冰下輸水條件，通過設置雍水閘來控制渠道輸水的水力要素，完成了少棄水多發電的目標。經過試運行驗證，渠道運行的水力參數基本可行，渠道結構安全亦能保證。寒冷地區水電站冬季輸水運行，是復雜的工程技術問題，也是個實際操作的過程和經驗的積累過程。文章對結冰蓋運行的設計條件和控制運用取得了一定的經驗，對同類型工程有較大的借鑒意義。