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中、小型引水式水电站水工设计试验变压器经验介绍

摘　要：发源于天山北坡的河流一般都具有坡陡水急、水能梯级开发条件好的特点，但同时又存在大河来水丰枯变化大、泥沙多、冬季冰冻严重的问题。文章结合新疆实际，**系统地介绍了中、小型引水式水电站在引水、泄洪、排冰、排沙和防冰冻破坏方面的水工设计经验。

关键词：试验变压器；水电站；水工设计；经验介绍

新疆兵团农五师地处博尔塔拉蒙古自治州境内，水能资源较为丰富，30多年来，全师已建引水式水电站27座，装机65台，总装机容量2．26万kW，年发电量约9000万kW·h，占五师全年用电量的65％以上。
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五师在水电站水工设计中，能够结合当地的自然条件和运行管理水平，比较注重解决好引水、泄洪、排冰、排沙和防冰冻方面的问题，每设计一座新电站之前，都要对已建电站的设计和运行情况进行回访，从中总结经验、找出问题、吸取教训，为优化新建电站的设计提供决策依据。通过30多年的设计和运行实践，在小型引水式水电站水工设计方面积累了一些经验，现总结归纳如下。
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1　引水渠首设计

（1）在渠首位置选择时，首先要考虑多引水的要求，要将渠首位置选在来水量大并且河床较为稳定的河段上。有条件的地方，要尽可能将渠首设在潜水溢出带的下游，以争取多引上游河床两侧溢出的泉水，这样既可以增加发电水量，又可以提高水温，利于电站冬季运行。对冬、春季节上游来冰量较多的河道，除要考虑多引水的要求外，还要考虑排冰要求，要尽可能选择有利地形建闸引水，确保渠首在冬、春季节排冰顺畅。
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（2）在渠首型式选择上，根据河道的水文特性和渠首所处地形条件的不同，采用不同的渠首型式。一般情况下，采用正面泄洪、排冰、排沙，侧面引水发电的拦河闸式渠首，力求排冰、排沙和河道水流方向一致，达到排冰、排沙耗水量少效果好之目的。在汛期泥沙含量较多的河道上，多采用人工弯道式引水渠首，利用人工弯道的环流作用提高排沙效果。五师已建的阿卡尔引水渠首和托托引水渠首都采用人工弯道式渠首，根据近20年的运行证明，引水、泄洪和排沙效果很好。

2　引水渠道设计

（1）在渠线选择上必须遵循以下原则：尽量走直线，少拐弯，若必须拐弯时，要求弯道半径不得小于10倍渠道设计水面宽度，以求水流稳定；尽量避开地下水位高的大孔隙土和坡积松散地段，尽量走在砂砾土地基上，防止不均匀沉陷和冻胀破坏；尽量减少渠系建筑物；尽量走在向阳背风地段上，以减免渠道冬季结冰。
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（2）渠道纵坡设计，既要考虑对电站发电水头的影响，又要考虑渠道冬季输冰的要求。如果引水渠冬季有泉水引入且水温较高而又没有输冰要求时，设计纵坡在满足渠道不淤流速的前提下可以缓些，以争取发电水头，提高长期发电效益。如果渠道冬季有输冰要求时，设计纵坡应满足输冰流速1．3～1．5m／s的要求。
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（3）关于渠道断面形式的防渗结构设计，对大劈坡盘山渠道，采用矩形或门洞形暗渠断面，这样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温防冻，确保渠道正常运行。为缩减暗渠的过水断面，减少投资，采用浆砌石外模在过水断面上现浇10cm厚的混凝土防渗层的混合结构，收到了很好的防渗和节省投资效果。对冬性结构梯形渠道，因柔性结构具有较好的抗冻胀变形的适应能力，在五师已建的87团1、2级水电站和88团哈达海1级水电站的引水渠道上，设计采用现浇混凝土板防渗，运行后均发生严重的冻胀破坏，每年都要投入大量资金进行维修。后来在87团汇河1、2级水电站和88团哈达海2级水电站引水干渠设计时，采用了边坡为1∶2．5的梯形断面塑膜防渗和粘土防渗的两种结构形式，都收到了很好的防渗和抗冻胀破坏效果。柔性结构防渗渠道设计时，关键要控制好以下几点：严格控制不冲流速；使跨渠建筑物尽量不改变渠道的过水断面尺寸和流态；合理确定渠道边坡；保证塑膜保护层或粘土防渗层的厚度，并使其干密度不得小于1．6t／m3；适当增加渠肩宽度，防止因渠肩浸水后软化而失去稳定。
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3　压力前池设计

（1）在平面布置上，吸取了原来采用正面引水发电、侧面排冰、排沙使用效果差的教训，为提高前池排冰、排沙效果，减免水轮机磨损和前池冬季积冰，现都采用正面排冰、排沙侧面引水发电的平面布置型式，收到了很好的运行效果。
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（2）为提高前池的排冰效果：在进水室前增设了一道挡冰板，挡冰板底部伸入到前池冬季*低运行水位以下50cm，以防止冰凌进入进水室；前室采用正面双向溢流排冰设计，扩大了排冰溢流面，缩短了排冰时间；在排冰流道范围内设置了工作桥和拦杆，便于人工破冰和辅助排冰作业。

（3）为提高排沙效果：将排沙闸设在前室底板纵向坡降的*低处，以利汇流排沙；沿排沙闸进口两侧设纵向导沙坎，以形成排沙闸前的纵向漏斗，达到束水冲沙之目的；将前室底板纵坡由传统的平坡改为3％以上的陡坡，加大排沙闸前的输沙流速。

（4）为确保电站冬季正常运行，将传统的开敞式进水室改为封闭虹吸式进水室。虹吸进水代替了传统的闸门进水，这样既彻底解决了开敞式进水室因闸门冻结导致压力管进水失控的问题，又为水轮机组彻底断流检修提供了方便。
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4　压力管道设计

（1）为节省投资，在设计中除比较短的压力管道采用单机单管布置外，大部分都采用总管分岔的布置形式。
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（2）在结构设计上，当压力管的设计水头（含水锤）小于50m时，采用现浇钢筋混凝土压力管较为经济。在设计水头超过50m的长压力管都采用钢管结构，可根据不同的水头压力区段分别进行强度和刚度设计，以充分发挥材料的承载力，由上至下分别采用薄壁钢管加刚性环和厚壁钢管的混合结构，这样既能满足不同的设计水头条件下的强度和刚度要求，又节约了投资，做到了优化设计。

（3）为保证长压力管冬季保温运行，在确定压力管线开挖深度时，要考虑压力管顶部保温土层的覆盖厚度要求，即压力管线开挖深度应等于压力管直径＋保温覆盖土层厚度。只有这样才能保证压力管顶部的有效埋置深度，避免侧向冷空气入侵。

（4）五师已建的阿卡尔4级水电站，设计水头120m，压力管长1058m，是目前新疆境内已建水电站中水锤*大的水电站。为解决高水头长压力管的水锤问题，通过方案比较，首先采用了安装调压阀来解决水锤升高的设计方案，通过近两年的运行证明，较好地将水锤升高值控制在规范规定值以内，为正在施工的阿卡尔5级水电站（设计水头113m，压力管长1480m）在解决水锤问题上提供了经验，也为本区今后解决高水头长压力管水锤问题积累了经验。用安装调压阀来解决水锤问题，是比较经济的设计方案，但设计时关键要把握好以下几点：确定好调节保证计算的有关参数；认真做好调节保证计算；选好调压阀型号和生产厂家，确保调压阀质量；根据调节保证计算的成果，拟定好水轮机导叶的分段关闭时间；组织好各种不同运行工况下的甩负荷试验，在试验中修正并*终确定水轮机导叶分段关闭时间的整定值。
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5　厂房下部设计

为减少厂房下部基础开挖深度，在与水轮机制造厂家协商和不影响水轮机效率的前提下，可将水轮机的锥形尾水管改为肘形尾水管。这样可减少厂房基坑开挖深度2m左右，既减少了厂房基坑水下土方的开挖又缩短了工期，节约了投资。根据五师已建的阿卡尔3级、87团汇河1、2级和88团哈达海1、2级水电站对尾水管的改造使用情况来看，机组运行稳定，尾水流态平稳，机组出力都能达到设计要求。
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6　泄水陡坡设计

陡坡设计如果采用梯形断面，在冬季运行时由于边坡的附着作用容易形成��冰，过水断面缩小，导致前池泄水或排冰受阻，严重的会造成过水断面全部封冻堵死，故陡坡不宜采用梯形断面，而应采用矩形断面或陡梯形（边坡1∶0．25～1∶0．75）断面，尽可能减免岸冰形成，确保陡坡形成高速集中排冰水带，对较长的陡坡还应采用加盖保温措施。

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