寒冷地区引水式电站冬季结冰盖运行渠道设计与研究

白俊岭，孙亮科

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

某引水式电站位于我国西北寒冷地区，多年平均气温为6.5 ℃，绝对最高气温37.3 ℃，绝对最低气温-26.4 ℃，冬季累积负气温多年平均-762 ℃、最低-1 086 ℃。

水电站由拦河引水枢纽、引水渠道、压力前池、压力管道、电站厂房、尾水渠等组成。设计引水流量140 m3/s，水头100.8 m，装机容量124 MW，属于Ⅲ等中型工程，地震设防烈度7 度。引水渠线长26.41 km，其中明渠长25.37 km、隧洞长1.54 km，设计引水流量140 m3/s，冬季引水流量15～30 m3/s。

工程具有冬季历时长、温度低且来水量小的特点，合理选择冬季运行方案对保证运行安全和提高冬季发电效益至关重要，做好渠道设计和运行调度控制是冬季结冰盖运行的关键问题。

1 冬季运行方式

在寒冷地区冬季河冰对河道和渠道输水会造成重要影响，国内外许多学者围绕河冰和渠道冬季输水问题进行了大量的研究。

目前实际运行的引水式电站的冬季运行方式归纳起来大致可分为4种：①蓄冰运行方式；②输排冰运行方式；③结冰盖运行方式；④抽水融冰运行方式。蓄冰运行和抽水融冰运行都要求合适的地形和地质条件；输排冰运行采用较多，但会损失一定发电水量；结冰盖运行大多应用于引调水渠道中，在动力渠道上成功运用可减少大量弃水，增加发电效益。

本工程不具备水库蓄冰和抽水融冰的条件，仅对输排冰运行和结冰盖运行进行研究。

2 渠道设计方案

2.1 明渠布置

渠道断面为梯形，底宽4 m，边坡1.75，渠道正常水深4.68 m。渠道采用C20W6F300 现浇混凝土板衬砌，底板厚度12 cm，边坡板厚度12～10 cm，衬砌下铺一布一膜，底层采用30 mm 厚M10 砂浆过渡保护层；渠道纵、横向均3 m 设一缝，错缝布置，缝宽20 mm，上部30 mm 为聚氨酯砂浆，下部为苯板。渠道断面，如图1所示。在渠道末端、压力前池前部设置排冰闸，布置形式如图2所示。

图1 渠道标准断面

图2 弯道排冰布置

2.2 水力设计

按明渠均匀流公式计算，渠道水力要素详见表1。在12、1、2 月的平均气温－7.5 ℃、无降雪及平均风速2.8 m/s情况下，渠道的产冰情况详见表2。

表1 渠道水力参数

表2 平均气象条件下渠道产冰量计算成果

从表2 中看出，在冬季平均气温、风速和无降雪条件时，渠道流量大于15 m3/s 运行时，其流凌密度较小，不会导致冰花插堵形成冰塞，渠道输冰运行稳定可靠。在极端条件下，流凌密度小于0.2，亦能满足输冰运行条件。

电站最小发电流量约15.5 m3/s，考虑排冰流量2.5 m3/s，渠道在冬季可引流量小于18 m3/s 时，电站停机，渠道停止引水。停水后须等渠道内冰凌化尽后，具备发电条件才能再次引水。

3 结冰盖运行方案设计

3.1 结冰盖输水运行条件

根据国内外的研究成果，渠道形成热力冰盖的条件是：①渠道水流的佛汝德数小于0.08～0.12；②水流流速小于0.5 m/s；③冬季引水流量基本稳定。

由表1 可以看出，渠道水流的佛汝德数均大于0.4，在渠道上自然形成冰盖是不可行的。

引水渠道设计引水流量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，其均匀流水深2.28 m，渠道还有2.4 m富余空间。充分利用这部分富余空间，减小水流流速，使其形成热力冰盖。

减小水流流速可以通过壅高水位来实现，在渠道上建壅水闸可以壅高水位。但闸前水位是一条壅水曲线，越远离壅水闸，壅水程度越低。如要使渠道上每个断面水流因子均符合形成热力冰盖的条件，则需要建设多座壅水闸。根据有关研究，水流形成热力冰盖和动力冰盖的临界佛汝德数为0.08～0.12，为安全计，在设置壅水闸时控制水流佛汝德数小于0.09。

3.2 渠道结冰盖设计

3.2.1 渠道结冰盖输水水力设计

热力冰盖冰层厚度的发展与累积负气温有关。冰层厚度按《水工设计手册》（1984 年）推荐的公式计算：

式中：h为冰厚（cm）；∑t为累积负气温（℃）；α为系数，与累积负气温的计算方式有关，当用日平均负气温总和时，α＝2；当用月平均负气温总和时，α＝11。

根据气象站历年气温的统计资料，计算闸后渠道的冰盖厚度，最小冰厚42.6 cm，最大冰厚67.4 cm，平均冰厚53.0 cm。

冰盖形成后的水力计算，参照以下公式：

设冰盖厚度为hi，则：

综合糙率计算公式为：

式中：h0为渠道的设计水深（m）；Ji为纵比降；Qi为设计通过流量（m3/s）；bi为梯形断面底宽（m）；p 为边坡系数；n0为糙率；hi为冰厚（cm）；ni为冰底糙率；Ai为明流情况下的断面面积（m2）；Ri为水力半径（m）；χi为湿周（m）；Vi为断面平均流速（m/s）；B为冰盖宽度（m）。

通过建闸壅高水位以满足结冰盖运行条件，闸上影响区渠道水力因子详见表3。以佛汝德数小于0.09为控制原则，如输送流量控制在15 m3/s，闸间距可以控制在5 800 m；如输送流量控制在20 m3/s，闸间距最大可以控制在5 500 m。

表3 渠道水力因子计算成果

结合渠道布置设置4 座节制闸，位置桩号分别为3+260、8+458、5+874和10+921，形成分别为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，考虑水流在隧洞内不失温，也不会产生冰花，该段长度亦能满足结冰盖要求。

3.2.2 渠道结冰盖结构设计

作用在渠道衬砌和水闸上的冰压力，与冰厚和温度升高率有关，最大冰压力作为设计荷载。考虑渠道冰面宽度较小，冰压力有所折减，按180 kN计算。

按衬砌板厚0.10、0.12 m 2 种，板宽分别为2.0、2.5、2.7、3.0 m，坡度1∶1.75，冰压力顶端作用于衬砌的水平分缝处，水压力作用于冰盖以下考虑，按弹性地基梁计算衬砌板的应力。不同宽度衬砌板断面应力，结果详见表4—6。

表4 3 m宽衬砌板断面应力

表5 2.5 m宽衬砌板断面应力

表6 2 m宽衬砌板断面应力

衬砌的最大应力发生在衬砌板底面上，不同板宽在不同的冰压力下的在相同截面处的弯矩差异较大，直接承受冰压力作用范围内的衬砌板的应力较大，板厚0.1 和0.12 m 的衬砌的应力相差较大，达44 %。当板宽为2.0 m 时，不管板厚是0.12 m 还是0.1 m，冰厚小于0.6 m 时，板中最大应力均不超过1.29 MPa，小于C30混凝土的设计强度1.43 MPa。

3.3 渠道运行控制

水电站引水渠道在冬季流量逐步减少，引水流量最大不超过25 m3/s 条件下，渠道运行控制只要通过4个壅水闸下闸便可实现。控制渠道内流量稳定并根据气温情况合理选择雍水闸下闸时间，使渠道形成热力冰盖是重点。

控制各渠段的渠道水面流速不超过0.6 m/s，佛汝德数小于0.09，一般气候条件下，渠道在11 月下旬—12 月初就能形成冰盖。根据气象站和水文站历年的气温和寒潮情况，统计了1971—2000 年30 a气象站每年冬季首次连续3 d 日平均气温低于-5 ℃的发生时间，详见表7。

表7 首次连续3 d日平均气温低于-5℃的发生日期

考虑到在寒潮来临后，渠道流凌密度增大，暴露于空气的钢闸门、轨道温度与大气温度相同，壅水闸及门槽热传导系数大，水中的钢轨表面会结冰，并附着水内冰，门槽水面附近更会结冰，导致闸门无法下降，开度控制困难。因此，要求根据天气预报，在日平均气温下降到0 ℃之前，并不迟于渠道内出现流冰花之前将壅水闸闸门放下，并根据流量控制闸门开度，等待寒潮的来临。一般每年11 月15 日下闸，最晚不迟于11月25日。

3.4 渠道结冰盖运行风险与解决措施

根据引黄济青等工程运行经验，电站输水渠冬季运行可能面临如下风险：闸门运行不灵活；闸门操作失误；理论出现偏差，渠道产生严重冰塞或冰坝；在冰拉力作用下，渠道混凝土衬砌板破坏。

解决措施如下。

（1）在冬季运行期，预先准备喷灯、电暖气、移动锅炉、铲冰设备，在闸门下游安装防风帘子。排冰闸和壅水闸闸门加热装置正常运行，以保证排冰闸随时可以开闸排冰。

（2）闸门操作失误有可能使闸门快速提起或快速放下，此问题可在冬季运行前预先对闸门操作人员进行培训，并在现场进行实际操作，取得经验。

（3）减小水流流速，使水流佛汝德数满足形成热力冰盖的条件。理论上，形成热力冰盖的水流佛汝德数要求小于0.12，本次设计取0.09，如此值有问题，在渠道上形成的冰塞可能壅水漫渠。在运行中一旦出现冰塞壅水，且壅水位接近设计水位时，减小引水流量。预备1 台长臂反铲，用长臂反铲破坏冰坝，利用排冰闸排冰。

（4）引水流量变化必然导致冰面升降。冰面升降时，冻结在渠道衬砌板上的冰必然对衬砌板产生拉力。冰对衬砌板的作用力目前还没有成熟的计算方法，通过调研，未发现此类的破坏。设计中已经对冰盖附近部位渠道衬砌板进行加强。

4 工程运行效果分析

4.1 渠道运行验证

经过一个冬季的结冰盖运行，对设计计算情况进行了验证，也取得了较多的运行控制经验。①11月河道来水量较大，且气温较高，结冰盖于12 月下旬开始，10 d左右形成稳定冰盖。②通过进水闸、冲沙闸控制渠道流量，基本稳定在20 m3/s，壅水闸控制水位与设计值相同，在壅水闸单孔控制时存在冰花下潜现象，调节为双孔同开度则比较稳定。③岸冰与渠道衬砌的粘结力不大，气温升高时存在岸冰脱落现象，但未对渠道衬砌造成破坏。④壅水闸下游侧闸室未采用防冰冻措施，闸门槽未被冻住，闸门上下操作灵活。应该和气温较高有关，建议在进入冬季前，应做好除冰准备。⑤试运行期间，前池到4#壅水闸渠段结成了较长的冰盖，根据此段冰盖复核的水力参数与设计一致。

4.2 效益分析

水电站连续2 个冬季分别按输排冰方式和结冰盖方式进行试运行。2 种方式都能成功运行，2 a 冬季运行效益对比详见表8。

表8 2 a冬季运行效益对比

以12 月到翌年2 月计算，结冰盖运行多发电4 235 kW·h，增加经济收益1 100 万元。结冰盖运行方案仅增加4 座壅水闸，建设投资1 200 万元，一个冬季基本收回投资。此外，结冰盖运行极大地减轻了冬季运行管理人员的工作量，改善了冬季运行管理人员的工作环境。

5 结语

本工程在2 个冬季采用了不同的运行方式，实践证明，结冰盖运行方式是适宜的。分析主要控制条件是冬季引水流量小，较大的渠道断面可满足冰下输水条件，通过设置雍水闸来控制渠道输水的水力要素，完成了少弃水多发电的目标。经过试运行验证，渠道运行的水力参数基本可行，渠道结构安全亦能保证。寒冷地区水电站冬季输水运行，是复杂的工程技术问题，也是个实际操作的过程和经验的积累过程。文章对结冰盖运行的设计条件和控制运用取得了一定的经验，对同类型工程有较大的借鉴意义。