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技術(shù)文章

中、小型引水式水電站水工設(shè)計試驗變壓器經(jīng)驗介紹
摘　要：發(fā)源于天山北坡的河流一般都具有坡陡水急、水能梯級開發(fā)條件好的特點，但同時又存在大河來水豐枯變化大、泥沙多、冬季冰凍嚴(yán)重的問題。文章結(jié)合新疆實際，**系統(tǒng)地介紹了中、小型引水式水電站在引水、泄洪、排冰、排沙和防冰凍破壞方面的水工設(shè)計經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：試驗變壓器；水電站；水工設(shè)計；經(jīng)驗介紹

新疆兵團(tuán)農(nóng)五師地處博爾塔拉蒙古自治州境內(nèi)，水能資源較為豐富，30多年來，全師已建引水式水電站27座，裝機(jī)65臺，總裝機(jī)容量2．26萬kW，年發(fā)電量約9000萬kW·h，占五師全年用電量的65％以上。
試驗變壓器
五師在水電站水工設(shè)計中，能夠結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件和運行管理水平，比較注重解決好引水、泄洪、排冰、排沙和防冰凍方面的問題，每設(shè)計一座新電站之前，都要對已建電站的設(shè)計和運行情況進(jìn)行回訪，從中總結(jié)經(jīng)驗、找出問題、吸取教訓(xùn)，為優(yōu)化新建電站的設(shè)計提供決策依據(jù)。通過30多年的設(shè)計和運行實踐，在小型引水式水電站水工設(shè)計方面積累了一些經(jīng)驗，現(xiàn)總結(jié)歸納如下。
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1　引水渠首設(shè)計

（1）在渠首位置選擇時，首先要考慮多引水的要求，要將渠首位置選在來水量大并且河床較為穩(wěn)定的河段上。有條件的地方，要盡可能將渠首設(shè)在潛水溢出帶的下游，以爭取多引上游河床兩側(cè)溢出的泉水，這樣既可以增加發(fā)電水量，又可以提高水溫，利于電站冬季運行。對冬、春季節(jié)上游來冰量較多的河道，除要考慮多引水的要求外，還要考慮排冰要求，要盡可能選擇有利地形建閘引水，確保渠首在冬、春季節(jié)排冰順暢。
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（2）在渠首型式選擇上，根據(jù)河道的水文特性和渠首所處地形條件的不同，采用不同的渠首型式。一般情況下，采用正面泄洪、排冰、排沙，側(cè)面引水發(fā)電的攔河閘式渠首，力求排冰、排沙和河道水流方向一致，達(dá)到排冰、排沙耗水量少效果好之目的。在汛期泥沙含量較多的河道上，多采用人工彎道式引水渠首，利用人工彎道的環(huán)流作用提高排沙效果。五師已建的阿卡爾引水渠首和托托引水渠首都采用人工彎道式渠首，根據(jù)近20年的運行證明，引水、泄洪和排沙效果很好。

2　引水渠道設(shè)計

（1）在渠線選擇上必須遵循以下原則：盡量走直線，少拐彎，若必須拐彎時，要求彎道半徑不得小于10倍渠道設(shè)計水面寬度，以求水流穩(wěn)定；盡量避開地下水位高的大孔隙土和坡積松散地段，盡量走在砂礫土地基上，防止不均勻沉陷和凍脹破壞；盡量減少渠系建筑物；盡量走在向陽背風(fēng)地段上，以減免渠道冬季結(jié)冰。
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（2）渠道縱坡設(shè)計，既要考慮對電站發(fā)電水頭的影響，又要考慮渠道冬季輸冰的要求。如果引水渠冬季有泉水引入且水溫較高而又沒有輸冰要求時，設(shè)計縱坡在滿足渠道不淤流速的前提下可以緩些，以爭取發(fā)電水頭，提高長期發(fā)電效益。如果渠道冬季有輸冰要求時，設(shè)計縱坡應(yīng)滿足輸冰流速1．3～1．5m／s的要求。
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（3）關(guān)于渠道斷面形式的防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計，對大劈坡盤山渠道，采用矩形或門洞形暗渠斷面，這樣既可以有效防止上部塌坡下滑的泥石流危及渠道**，又可以使渠道冬季保溫防凍，確保渠道正常運行。為縮減暗渠的過水?dāng)嗝?，減少投資，采用漿砌石外模在過水?dāng)嗝嫔犀F(xiàn)澆10cm厚的混凝土防滲層的混合結(jié)構(gòu)，收到了很好的防滲和節(jié)省投資效果。對冬性結(jié)構(gòu)梯形渠道，因柔性結(jié)構(gòu)具有較好的抗凍脹變形的適應(yīng)能力，在五師已建的87團(tuán)1、2級水電站和88團(tuán)哈達(dá)海1級水電站的引水渠道上，設(shè)計采用現(xiàn)澆混凝土板防滲，運行后均發(fā)生嚴(yán)重的凍脹破壞，每年都要投入大量資金進(jìn)行維修。后來在87團(tuán)匯河1、2級水電站和88團(tuán)哈達(dá)海2級水電站引水干渠設(shè)計時，采用了邊坡為1∶2．5的梯形斷面塑膜防滲和粘土防滲的兩種結(jié)構(gòu)形式，都收到了很好的防滲和抗凍脹破壞效果。柔性結(jié)構(gòu)防滲渠道設(shè)計時，關(guān)鍵要控制好以下幾點：嚴(yán)格控制不沖流速；使跨渠建筑物盡量不改變渠道的過水?dāng)嗝娉叽绾土鲬B(tài)；合理確定渠道邊坡；保證塑膜保護(hù)層或粘土防滲層的厚度，并使其干密度不得小于1．6t／m3；適當(dāng)增加渠肩寬度，防止因渠肩浸水后軟化而失去穩(wěn)定。
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3　壓力前池設(shè)計

（1）在平面布置上，吸取了原來采用正面引水發(fā)電、側(cè)面排冰、排沙使用效果差的教訓(xùn)，為提高前池排冰、排沙效果，減免水輪機(jī)磨損和前池冬季積冰，現(xiàn)都采用正面排冰、排沙側(cè)面引水發(fā)電的平面布置型式，收到了很好的運行效果。
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（2）為提高前池的排冰效果：在進(jìn)水室前增設(shè)了一道擋冰板，擋冰板底部伸入到前池冬季*低運行水位以下50cm，以防止冰凌進(jìn)入進(jìn)水室；前室采用正面雙向溢流排冰設(shè)計，擴(kuò)大了排冰溢流面，縮短了排冰時間；在排冰流道范圍內(nèi)設(shè)置了工作橋和攔桿，便于人工破冰和輔助排冰作業(yè)。

（3）為提高排沙效果：將排沙閘設(shè)在前室底板縱向坡降的*低處，以利匯流排沙；沿排沙閘進(jìn)口兩側(cè)設(shè)縱向?qū)晨?，以形成排沙閘前的縱向漏斗，達(dá)到束水沖沙之目的；將前室底板縱坡由傳統(tǒng)的平坡改為3％以上的陡坡，加大排沙閘前的輸沙流速。

（4）為確保電站冬季正常運行，將傳統(tǒng)的開敞式進(jìn)水室改為封閉虹吸式進(jìn)水室。虹吸進(jìn)水代替了傳統(tǒng)的閘門進(jìn)水，這樣既徹底解決了開敞式進(jìn)水室因閘門凍結(jié)導(dǎo)致壓力管進(jìn)水失控的問題，又為水輪機(jī)組徹底斷流檢修提供了方便。
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4　壓力管道設(shè)計

（1）為節(jié)省投資，在設(shè)計中除比較短的壓力管道采用單機(jī)單管布置外，大部分都采用總管分岔的布置形式。
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（2）在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，當(dāng)壓力管的設(shè)計水頭（含水錘）小于50m時，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土壓力管較為經(jīng)濟(jì)。在設(shè)計水頭超過50m的長壓力管都采用鋼管結(jié)構(gòu)，可根據(jù)不同的水頭壓力區(qū)段分別進(jìn)行強(qiáng)度和剛度設(shè)計，以充分發(fā)揮材料的承載力，由上至下分別采用薄壁鋼管加剛性環(huán)和厚壁鋼管的混合結(jié)構(gòu)，這樣既能滿足不同的設(shè)計水頭條件下的強(qiáng)度和剛度要求，又節(jié)約了投資，做到了優(yōu)化設(shè)計。

（3）為保證長壓力管冬季保溫運行，在確定壓力管線開挖深度時，要考慮壓力管頂部保溫土層的覆蓋厚度要求，即壓力管線開挖深度應(yīng)等于壓力管直徑＋保溫覆蓋土層厚度。只有這樣才能保證壓力管頂部的有效埋置深度，避免側(cè)向冷空氣入侵。

（4）五師已建的阿卡爾4級水電站，設(shè)計水頭120m，壓力管長1058m，是目前新疆境內(nèi)已建水電站中水錘*大的水電站。為解決高水頭長壓力管的水錘問題，通過方案比較，首先采用了安裝調(diào)壓閥來解決水錘升高的設(shè)計方案，通過近兩年的運行證明，較好地將水錘升高值控制在規(guī)范規(guī)定值以內(nèi)，為正在施工的阿卡爾5級水電站（設(shè)計水頭113m，壓力管長1480m）在解決水錘問題上提供了經(jīng)驗，也為本區(qū)今后解決高水頭長壓力管水錘問題積累了經(jīng)驗。用安裝調(diào)壓閥來解決水錘問題，是比較經(jīng)濟(jì)的設(shè)計方案，但設(shè)計時關(guān)鍵要把握好以下幾點：確定好調(diào)節(jié)保證計算的有關(guān)參數(shù)；認(rèn)真做好調(diào)節(jié)保證計算；選好調(diào)壓閥型號和生產(chǎn)廠家，確保調(diào)壓閥質(zhì)量；根據(jù)調(diào)節(jié)保證計算的成果，擬定好水輪機(jī)導(dǎo)葉的分段關(guān)閉時間；組織好各種不同運行工況下的甩負(fù)荷試驗，在試驗中修正并*終確定水輪機(jī)導(dǎo)葉分段關(guān)閉時間的整定值。
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5　廠房下部設(shè)計

為減少廠房下部基礎(chǔ)開挖深度，在與水輪機(jī)制造廠家協(xié)商和不影響水輪機(jī)效率的前提下，可將水輪機(jī)的錐形尾水管改為肘形尾水管。這樣可減少廠房基坑開挖深度2m左右，既減少了廠房基坑水下土方的開挖又縮短了工期，節(jié)約了投資。根據(jù)五師已建的阿卡爾3級、87團(tuán)匯河1、2級和88團(tuán)哈達(dá)海1、2級水電站對尾水管的改造使用情況來看，機(jī)組運行穩(wěn)定，尾水流態(tài)平穩(wěn)，機(jī)組出力都能達(dá)到設(shè)計要求。
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6　泄水陡坡設(shè)計

陡坡設(shè)計如果采用梯形斷面，在冬季運行時由于邊坡的附著作用容易形成岸冰，過水?dāng)嗝婵s小，導(dǎo)致前池泄水或排冰受阻，嚴(yán)重的會造成過水?dāng)嗝嫒糠鈨龆滤?，故陡坡不宜采用梯形斷面，而?yīng)采用矩形斷面或陡梯形（邊坡1∶0．25～1∶0．75）斷面，盡可能減免岸冰形成，確保陡坡形成高速集中排冰水帶，對較長的陡坡還應(yīng)采用加蓋保溫措施。
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