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中、小型引水式水電站水工設計試驗變壓器經驗介紹
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、冬季冰凍嚴重的問題。文章結合新疆實際，**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計經驗。

關鍵詞：試驗變壓器；水電站；水工設計；經驗介紹

新疆兵團農五師地處博爾塔拉蒙古自治州境內，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65臺，總裝機容量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計中，能夠結合當?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，每設計一座新電站之前，都要對已建電站的設計和運行情況進行回訪，從中總結經驗、找出問題、吸取教訓，為優(yōu)化新建電站的設計提供決策依據(jù)。通過30多年的設計和運行實踐，在小型引水式水電站水工設計方面積累了一些經驗，現(xiàn)總結歸納如下。
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1　引水渠首設計

（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，要盡可能將渠首設在潛水溢出帶的下游，以爭取多引上游河床兩側溢出的泉水，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。
試驗變壓器
（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；盡量走在向陽背風地段上，以減免渠道冬季結冰。
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（2）渠道縱坡設計，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，設計縱坡應滿足輸冰流速1．3～1．5m／s的要求。
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（3）關于渠道斷面形式的防滲結構設計，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。為縮減暗渠的過水斷面，減少投資，采用漿砌石外模在過水斷面上現(xiàn)澆10cm厚的混凝土防滲層的混合結構，收到了很好的防滲和節(jié)省投資效果。對冬性結構梯形渠道，因柔性結構具有較好的抗凍脹變形的適應能力，在五師已建的87團1、2級水電站和88團哈達海1級水電站的引水渠道上，設計采用現(xiàn)澆混凝土板防滲，運行后均發(fā)生嚴重的凍脹破壞，每年都要投入大量資金進行維修。后來在87團匯河1、2級水電站和88團哈達海2級水電站引水干渠設計時，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構形式，都收到了很好的防滲和抗凍脹破壞效果。柔性結構防滲渠道設計時，關鍵要控制好以下幾點：嚴格控制不沖流速；使跨渠建筑物盡量不改變渠道的過水斷面尺寸和流態(tài)；合理確定渠道邊坡；保證塑膜保護層或粘土防滲層的厚度，并使其干密度不得小于1．6t／m3；適當增加渠肩寬度，防止因渠肩浸水后軟化而失去穩(wěn)定。
試驗變壓器
3　壓力前池設計

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

（3）為提高排沙效果：將排沙閘設在前室底板縱向坡降的*低處，以利匯流排沙；沿排沙閘進口兩側設縱向導沙坎，以形成排沙閘前的縱向漏斗，達到束水沖沙之目的；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)的開敞式進水室改為封閉虹吸式進水室。虹吸進水代替了傳統(tǒng)的閘門進水，這樣既徹底解決了開敞式進水室因閘門凍結導致壓力管進水失控的問題，又為水輪機組徹底斷流檢修提供了方便。
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4　壓力管道設計

（1）為節(jié)省投資，在設計中除比較短的壓力管道采用單機單管布置外，大部分都采用總管分岔的布置形式。
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（2）在結構設計上，當壓力管的設計水頭（含水錘）小于50m時，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土壓力管較為經濟。在設計水頭超過50m的長壓力管都采用鋼管結構，可根據(jù)不同的水頭壓力區(qū)段分別進行強度和剛度設計，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構，這樣既能滿足不同的設計水頭條件下的強度和剛度要求，又節(jié)約了投資，做到了優(yōu)化設計。

（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，避免側向冷空氣入侵。

（4）五師已建的阿卡爾4級水電站，設計水頭120m，壓力管長1058m，是目前新疆境內已建水電站中水錘*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，首先采用了安裝調壓閥來解決水錘升高的設計方案，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，為正在施工的阿卡爾5級水電站（設計水頭113m，壓力管長1480m）在解決水錘問題上提供了經驗，也為本區(qū)今后解決高水頭長壓力管水錘問題積累了經驗。用安裝調壓閥來解決水錘問題，是比較經濟的設計方案，但設計時關鍵要把握好以下幾點：確定好調節(jié)保證計算的有關參數(shù)；認真做好調節(jié)保證計算；選好調壓閥型號和生產廠家，確保調壓閥質量；根據(jù)調節(jié)保證計算的成果，擬定好水輪機導葉的分段關閉時間；組織好各種不同運行工況下的甩負荷試驗，在試驗中修正并*終確定水輪機導葉分段關閉時間的整定值。
試驗變壓器
5　廠房下部設計

為減少廠房下部基礎開挖深度，在與水輪機制造廠家協(xié)商和不影響水輪機效率的前提下，可將水輪機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團匯河1、2級和88團哈達海1、2級水電站對尾水管的改造使用情況來看，機組運行穩(wěn)定，尾水流態(tài)平穩(wěn)，機組出力都能達到設計要求。
試驗變壓器
6　泄水陡坡設計

陡坡設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??，過水斷面縮小，導致前池泄水或排冰受阻，嚴重的會造成過水斷面全部封凍堵死，故陡坡不宜采用梯形斷面，而應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，對較長的陡坡還應采用加蓋保溫措施。