严寒高海拔地区水电站引水渠道设计

吴建良

(中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，新疆　830002)



严寒高海拔地区水电站引水渠道设计

吴建良

(中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，新疆830002)

摘要：新疆地区，冬季严寒且漫长，尤其是在高海拔地区修建引水式水电站工程，冬季运行面临严酷的挑战，引水渠道冬季冰情严重，引水渠道内的冰害是影响水电站能否正常运行的的关键所在。由于严寒地区昼夜温差大及独特的自然地理条件，使得引水渠道内冰的生成和消融极其频繁，为了解决水电站冬季引水渠道打冰、捞冰、破冰等问题，水电站通常采用引水渠道结冰盖运行，现以新疆塔什库尔干河布达尔水电站工程引水渠道为例，阐述对寒冷地区引水式水电站引水渠道如何进行结冰盖设计进行详细介绍。

关键词：引水渠;严寒;冰冻;水深；水电站

1工程概况

新疆塔什库尔干河布达尔水电站工程位于新疆喀什地区塔什库尔干县塔什库尔干河上，是塔什库尔干河干流中游河段的第2级电站，为河道引水式水电站。工程区距离塔什库尔干县县城约55 km。

布达尔水电站工程引水渠首正常水位3 457.00 m，设计洪水位3 458.73 m，校核洪水位3 459.01 m；电站发电引水流量40 m3/s，额定水头88.9 m,装机3台，总装机容量30 MW，年利用小时数3 139 h, 多年平均发电量0.953亿kWh。

根据SL252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》，塔什库尔干河布达尔水电站工程规模为Ⅳ等小(1)型。电站主要建筑物引水渠首、引水渠道、压力前池、泄水陡坡、压力钢管、厂房、尾水渠道、升压站等均为4级建筑物。次要建筑物导流围堰、防洪堤为5级建筑物[1-2]。

工程所在区属于典型的高寒山区，是极干旱荒漠地区，具有大陆性高原山地干旱气候特征，全年四季不明显，只有冷暖两季，冷季5个月(11月—次年3月)，暖季7个月(4—10月)，多年平均气温3.4 ℃，极端最高气温32.5 ℃,最低气温-39.1 ℃,多年平均风速1.99 m/s，最大风速23 m/s，最大冻土深度177 cm，融化期6个月。最早结冰日期10月10日，全部融冰日期5月3日，初终冰天数平均202 d，最早开始封冻日期11月18日，流冰日期3月27日，年平均封冰天数为129 d，最大冰厚121 cm。项目区空气干燥、稀薄，相对平原地区缺氧37%左右。根据SL211—2006《水工建筑物抗冰冻设计规范》，塔什库尔干河布达尔水电站工程区属严寒气候区[3]。

工程基础大部分位于第四系上更新统的砂卵砾石层上，位于塔什库尔干河左岸Ⅱ级阶地前缘，基础不存在岩土液化、冻胀及腐蚀性，渠道边坡稳定，工程地质条件较好。

引水渠道进水口布置在引水渠首左侧，引水进口底板高程3 454.527 m，设计引用流量40 m3/s。引水渠全长13 763.59 m，引水渠道采用梯形明渠形式，设计底宽3 m，内边坡1∶1.75， 糙率0.016，纵坡1/1250，渠道采用现浇混凝土板(底板厚20 cm，边坡板厚15 cm)+土工膜+2 cm M10水泥砂浆找平层，现浇C20W6F250混凝土板。

2引水渠道设计方案比选

本电站考虑冬季运行，根据塔什库尔干河水文气象资料分析，塔什库尔干河以冰雪融水补给为主，河流水量汛期主要由气温升高，冰雪融化补给，枯水期依靠稳定的泉水、地下水补给，径流的年内及年际变化较大，冷季为枯水期，河道来水仅能满足本电站1台机发电，暖季为丰水期，3台机组均可满发电，所以设计时要充分考虑渠道的超高及渠道冬季结冰盖产生的冰凌对渠道断面处渠底和渠岸的影响，保证渠道结冰盖后仍有足够的过流能力。现根据工程实际情况对引水渠道的边坡、衬砌防渗结构、纵坡及断面型式做详细介绍。

2.1引水渠道边坡比选

引水渠渠基主要为卵石混合砂砾石，基础地质条件较好，地下水埋深较大。地质建议开挖边坡：碎石土开挖边坡1∶1～1∶1.25，砂卵砾石开挖边坡1∶1.5；SL18-2004《渠道防渗工程技术规范》表5.4.1-2中对刚性材料防渗渠道的最小边坡系数要求，考虑渠道边坡衬砌及基础的稳定性，初拟引水渠过水断面边坡为1∶1.75，外边坡为1∶1.5[4]，渠道边坡稳定系数计算见表1。

经计算，渠道过水边坡1∶1.75、外边坡1∶1.5/1∶2在不同工况下均满足SL274—2001《碾压土石坝设计规范》中对边坡稳定的要求[5]。

表1　渠道边坡稳定系数计算表

2.2引水渠道衬砌防渗结构比选

引水渠衬砌型式采用现浇混凝土板衬砌和预制混凝土衬砌2种型式进行比选。现浇混凝土方案衬砌结构自上而下为：现浇混凝土板(底板厚20 cm，边坡板厚15 cm)+土工膜+2 cm M10水泥砂浆找平层；预制混凝土板方案衬砌结构自上而下为：预制混凝土板(底板厚18 cm、边坡板厚12 cm)+2 cm M10水泥砂浆+土工膜+2 cm M10水泥砂浆。引水渠衬砌方案比选结果见表2。

表2　渠道衬砌型式方案比选表

综合工程区地质及水文条件、料场选用、衬砌抗冲、抗冻胀、施工条件、投资及冬季运行等几个方面进行比选，综合分析，推荐现浇混凝土板方案。

选择现浇混凝土方案，根据SL18—2004《渠道防渗工程技术规范》的条文规定，结合水文、气象，选定糙率n=0.016。

2.3引水渠渠道断面型式比选

引水渠道沿线出露的地层岩性主要为第四系卵石混合砂砾石，渠道土为非冻胀性土；渠道沿线地下水埋深较深；电站动力渠道应满足不冲不於流速，又因电站冬季运行发电，故要考虑渠道的输冰流速(不小于1.1 m/s)[6]，渠道设计流量较大，所以只考虑明渠方案。根据水文、地质条件，便于施工等条件，拟定3种方案进行比选：方案1，采用现浇混凝土衬砌梯形明渠；方案2，采用弧形底梯形明渠(底部浆砌石，上部混凝土板)；方案3，采用弧形底浆砌卵石梯形明渠。比选情况见表3。

综合分析，推荐方案1。

2.4引水渠道纵坡比选

根据DL/ T5079—2007《水电站引水渠道及前池设计规范》，发电引水渠道纵坡的选择一般要遵循以下原则：① 中低水头、大流量引水渠道，清水渠道及土渠，采用较缓的纵坡；② 高水头电站的引水渠道，多泥沙渠道，傍山衬砌渠道，不衬砌的岩石渠道及输冰运行的渠道，采用较陡的纵坡[7]。保证引水渠道过流流量Q=40 m3/s不变，引水渠道纵坡拟定分别按方案1为1/1250，方案2为1/1000，方案3为1/800进行比选。

表3　引水渠渠道断面型式比选表

(1) 方案1

纵坡1/1250，流速2.21 m/s，底宽3.0 m，水深2.473 m，内边坡1∶1.75。

(2) 方案2

纵坡1/1000，流速2.4 m/s，底宽3 m，水深2.346 m，内边坡1∶1.75。

(3) 方案3

纵坡1/800，流速2.61 m/s，底宽3.0 m，水深2.23 m，内边坡1∶1.75。

综合分析，并根据发电引水渠线比选，本工程推荐方案1为电站引水渠道布置形式。

3引水渠道水力计算

3.1水力计算

渠道水力学计算根据明渠均匀流公式确定[8]，计算公式为：

(1)

3.2渠道超高

渠道超高应按渠道通过设计流量水电站正常运行条件下突然甩负荷时产生的最大涌波高度再加安全超高来确定，因此渠道按受涌波影响段和不受涌波影响段分别计算渠道超高[9]。

不受涌波影响段的渠道超高确定：本工程水电站引水渠为4级建筑物，根据GB50288—99《灌溉与排水工程设计规范》,渠道超高按Fb=1/4hb+0.2确定[10]，引水渠设计流量为40m3/s，设计水深2.473m，经计算渠道超高为0.818m，为便于施工超高取0.93m。引水渠道水力计算结果见表4。

通常冬季运行渠道，冰盖厚度一般可控制在10～5cm范围内[11]，根据工程经验，本工程引水渠道设计结冰厚度为0.6～0.8m，冬季仅有1台机发电，发电引水单机流量为13.33m3/s，相对应的水深为1.45m，大于设计结冰盖厚度，符合设计要求。本电站经过几年的冬季结冰盖运行，电站渠道未出现不良运行工况。

表4　不同设计流量引水渠道水力计算表

4工程设计体会

引水渠道是引水式水电站正常输水、集中部分落差的动力渠道[12]，本工程所在地为严寒区，电站渠道在冬季结冰前，将压力前池和引水渠道水位雍高到2台机发电水位以上，水深不小于2.04 m，此时电站只运行1台水轮机组，并通过运行人员密切监测前池水位，根据当地气象资料，使压力前池和引水渠道水位保持数天之后并确定冰盖已经形成，再缓慢使引水渠道水位回落到1台机组水深1.45 m。在结冰盖运行时，要保证冰盖面与水面之间空气能正常流通，以免在水流通过时形成负压，通常要在冰盖底面与水面间形成一个高度为0.4 m左右的空间[13]，确保引水渠道的正常运行。

水电站引水渠道冬季确定采用结冰盖运行时，在条件允许的情况下压力前池建议采用虹吸式进口，这样能更好地防止冰凌、水中飘浮物、砂砾等对进水口的危害，在严寒地区可以彻底解决因进水口冰冻而带来的管理和运行中的一系列问题，并在前池设有溢流堰，既能在水电站引水渠道雍高水位结冰盖期间通过溢流堰更好地控制水位，且操作更加简单方便，值得推广与运用。

5结语

小水电站冬季运行过程中，难免会遇到冰害问题，一旦水电站及相关设施受到冰害的影响，则无法确保水电站的正常运行。因此，加强对水电站冬季运行防治冰害技术措施研究，具有非常重大的现实意义[14]。

综上所述，根据新疆已建冬季运行的水电站引水渠道采用结冰盖设计，经验较丰富，对于寒冷地区的引水式水电站引水渠道纵坡选择应考虑冬季最小流量时，渠道流速应大于1.2 m/s。尤其在地形复杂的山区或丘陵地区，引水渠道工程设计要求质量易保证、易维修、适应变形能力好， 因地制宜，不迷信某一种型式，不拘泥于固定的经验，在继承中发展，在发展中创新，既要安全可靠，又要经济合理，广泛吸取工程实践经验，积极采用新结构、新材料、新技术、新工艺[15]。

参考文献:

[1]吴文斌.高寒地区小型水电站防冰冻运行发电措施的探讨[J].杨凌职业技术学院学报,2005,4(1)：.8-11.

[2]SL252-2000，水利水电工程等级划分及洪水标准[S].北京：中国水利水电出版社,2000.

[3]SL211-2006，水工建筑物抗冰冻设计规范[S].北京：中国水利水电出版社,2007.

[4]SL18-2004，渠道防渗工程技术规范[S].北京：中国水利水电出版社,2005.

[5]SL274-2001，碾压土石坝设计规范[S].北京：中国水利水电出版社,2002.

[6]GB50288-99，灌溉与排水工程设计规范[S].北京：水利部出版社,1999.

[7]DL/ T5079-2007，水电站引水渠道及前池设计规范[S].北京：中国水利水电出版社,2002.

[8]李炜.水力计算手册[M].北京：水利水电出版社，2006.

[9]吕宏兴，裴国霞，杨玲霞.水力学[M].北京：中国农业出版社，2002.

[10]邱秀云. 水力学[M].乌鲁木齐：新疆电子出版社,2004.

[11]华东水利学院.水工设计手册-第八卷水电站建筑物[M].北京：水利电力出版社，1989.

[12]吕德生,李敏,张雪峰.新疆引水式小水电站冬季运行防治冰害的技术措施研究[J].石河子大学学报(自然科学版),2004,(3)：1-2.

[13]赵明.阿勒泰市拉斯特水电站工程引水渠道结冰盖设计[J].新疆水利，2011,(2)：42-44.

[14]将增花.新疆引水式小水电站冬季运行防治冰害技术措施研究[J].河南水利与南水北调,2015,(2)：6-7.

[15]吴建良.布达尔水电站工程引水枢纽布置探讨[J].中国水能及电气化,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

中图分类号：TV133

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.008

作者简介：吴建良(1982- )，男，江苏省苏州市人，工程师，主要从事水利水电工程设计工作.

收稿日期：2015-04-27

文章编号：1006—2610(2016)01—0033—04