严寒地区引水式水电站设计和安全运行规范

'阿勒泰地区位于东经85º31"57”～91º01"15”，北纬44º59"35”～49º10"45”，地处新疆维吾尔自治区最北部，气候特点是春旱多风，夏短不热，秋高气爽，冬季严寒而漫长，全年冬季长达5～6个月，极端最低气温达－51.5℃，最冷月平均气温达－18℃～21℃，河内冰厚0.5～1.0m,冻土深1.2～1.5m。经过40年的建设，阿勒泰地区已建成电站20余座，除可可托海电站、富蕴县一级电站等为坝后式电站外，其余多为明渠引水式电站。现结合我区几十年来积累的经验，就引水式水电站的设计要求和运行管理两个方面作一初步总结。1对引水式电站的设计要求1．1引水枢纽的布置及形式的选择在地形条件允许时，应考虑在电站上游建水库，以便冬季蓄冰，蓄冰库设计，不能仅以回水曲线形成的上游容积为界，应考虑到冰凌堆积和冰盖翘起后，来凌仍可向上游堆积一段距离,一般蓄冰静库容达到年输冰量的1/3即可。对于没有条件修建蓄冰库的引水枢纽，需考虑泄洪、排砂、拦冰和排冰措施。进水口应放在设计水位以下5～6m，以防止进水口控制设施的冻结。引水枢纽宜选择在河床较稳定的平直段内，以防闸前冰凌堵塞，拦河溢流坝或导流堤需适当增加超高，应大于河道冰厚，避免因闸前进水受阻时坝顶溢流而造成“跑水”。对于冬季流量较小的河道应能使河水全部进入引水渠，采用底栏栅式进水闸较好，这样能避免冰块进入渠内。对于冬季河道流量较大的电站，采用新疆常用的弯道式渠首，排冰效果较好，耗水量也小。1．2 引水渠设计1．2．1 渠线选择 为保证电站冬季顺利排冰，引水渠应尽量将渠线选择在河谷的阳坡，利用冬季阳光的辐射来提高水温，减少再生冰。渠线应直、顺，当必须设置弯道时，其弯道半径宜大于10倍设计水面宽度，以避免冰块在弯道上堵塞；渠线宜布置在挖方段，不宜布置在填方段，避免冰盖推力而引起渠堤滑坡、渠道决口。富蕴县二级电站引水渠道大多为填方，冬季运行时曾发生多起渠道决口事件，严重影响安全生产。1．2．2 渠道断面为了防止冬季渠道水热量的散失，形成稳定的冰盖，采用窄深式弧形渠底矩形或梯形断面比较适宜，弧形渠底采用浆砌卵石结构，边坡采用混凝土结构，这样渠道抗冻性好，边坡比较光滑，渠道挂冰现象少，对安全运行有利。渠道超高大小，要充分考虑冬季渠底和渠岸自生冰凌对过水断面的影响，一般要求以大河的冰盖厚度再加大30～60cm作为超高，这样可以保证冰盖形成以后，渠道仍有足够的过水断面。1．2．3 流速渠道设计流速的大小，主要按渠道运行方式而定。当引水渠采用输冰运行时，渠道流速可在1.1～1.5m/s,不能大于1.5m/s。对于结冰盖运行的的电站，渠道流速一般在0.5～0.6m/s,既缓流运行，又无冰塞现象。黑山头水电站引水渠设计流速，当初没有考虑到冬季输冰运行要求，引水渠除部分渠段（矩形断面）流速能达到1.1m/s外，其余渠段（梯形断面）流速在0.5m/s以下，因此每年冬季冰塞或决口事件多发生在此渠段。1.2.4 糙率当冰盖下满流输水时，综合糙率按下式计算：n=n1〔1+a(n2/n1)2/(1+a)〕1/2a=x2/x1式中 n－冰盖综合糙率系数；x1－渠道湿周长度，m； x2－冰盖湿周长度,m；n1－渠底及边坡的糙率系数；n2－冰盖下表面的糙率系数，可按下表选用。冰盖下表面糙率系数n2结冰期平均流速v(m/s)糙率系数n2 无冰凌，冰有裂缝有冰凌，冰有裂缝0.4