鞏憲春 ,劉宇航 ,金 賢 ,孫 瑜
(1.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心,吉林長春 130061;2.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,吉林長春 130061;3.華能通榆新華風(fēng)力發(fā)電有限公司,吉林長春 130022)
蓮花水電站位于牡丹江下游河段,壩址處河道呈彎曲形,并由無名島和狗王島構(gòu)成壩址上下游2個分叉型河段。樞紐由混凝土面板堆石壩、岸坡式溢洪道、廠房及引水系統(tǒng)組成,最大壩高71.8 m,總庫容41.8×108m3,裝機容量55 kW。
工程施工階段采用一次斷流、隧洞導(dǎo)流方式。2條導(dǎo)流隧洞平行布置在大壩的右岸,洞身由兩部分組成,前半部在施工導(dǎo)流結(jié)束后,作為永久發(fā)電引水隧洞。隧洞進口分為4孔,每孔凈寬6 m的進水口,至閘門井處收縮為兩孔,每孔寬仍為6 m,進口段自岸邊伸進水庫約40 m,2條導(dǎo)流隧洞進口中心線均與河道斜交,交角分別為60°和70°。
蓮花水電站地處嚴(yán)寒山區(qū),由于導(dǎo)流隧洞前緣進口單孔凈寬小于武開江的平均冰塊尺寸10 m×7 m,統(tǒng)計1954—1975年流冰期實測資料表明,開江時因冰塊堆積產(chǎn)生冰壩或冰塊滑動而顯著抬高上游水位的年份共有8年,抬高水位范圍為1.50~3.23 m,其余年份為文開江。在開江期間各年流量多變化在400~700 m3/s,最大流量為1 200 m3/s。開江時,最大冰塊尺寸約200 m×100 m,小者1 m×1 m,一般在10 m×7 m。最大冰速約2.0 m/s,流冰密度(即流冰面積與河道水面之比)通常在0.6~0.3之間,流冰時間可不連續(xù)地持續(xù)5~7 d,最長可達18 d。
分析計算認為,蓮花水電站導(dǎo)流隧洞前緣在流冰期會發(fā)生冰塞,冰塞類型為寬河阻塞型,水位壅高較大,需要采取相應(yīng)的工程措施。
為解決導(dǎo)流遂洞過冰及防冰害問題,在1∶100比尺模型上,用石蠟?zāi)M天然冰進行定性試驗觀察,冰塊模擬尺寸為4 m×4 m,5 m×5 m,6 m×6 m,6 m×7 m。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):凡對角邊長小于6.0 m的冰塊,在導(dǎo)流洞進口處繞行旋轉(zhuǎn)后全部下泄;而對角邊長大于6.0 m的冰塊,在進口處,由于水流流速加大,使冰塊產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和傾覆,進而封堵于進口。小流量400 m3/s時,由于進水口前行近流速小而不易傾覆,大流量1 260 m3/s時相反。另外,經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn),堵塞多發(fā)生在導(dǎo)流洞進口前和閘門井2處,一旦發(fā)生堵塞,將造成上游水位壅高,進而威脅圍堰安全。
為了保證導(dǎo)流隧洞在開江期間流冰的安全運行,需要采取適當(dāng)?shù)拇胧?。根?jù)前面的分析,隧洞泄冰是有條件的,只能泄放較小尺寸冰塊。為此,在正常運行時,可利用隧洞閘門調(diào)節(jié)水位,形成蓄冰條件,以攔蓄大尺寸冰塊。此外,也可以利用攔冰排將冰攔置于隧洞進口上游,以形成穩(wěn)定冰蓋為特點的蓄冰、攔冰或采用攔蓄結(jié)合的防冰害措施。
過水建筑物前的堵塞分為“內(nèi)堵”和“外堵”兩種類型。當(dāng)冰塊進入進水口后,在進水口下游的過水道某處,由于斷面形狀的改變使冰塊無法通過,而造成“卡殼”,后面的來冰進一步堆積,這樣形成的堵塞稱為內(nèi)堵。當(dāng)冰塊的強度較大時,“卡殼”的冰塊不發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞,有壓水道的內(nèi)堵冰塞就會將水道完全堵死,這就出現(xiàn)了“死堵”的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象對水工建筑物的危害最大。“死堵”現(xiàn)象較易出現(xiàn)在過流道的閘門井處,使泄流能力大大降低,危害巨大。
冰塊在進水口前緣形成堵塞,而進水口下游的過水道暢通無阻,這樣的冰塞稱為“外堵”。外堵一般不會出現(xiàn)死堵現(xiàn)象,但并不排除上游有冰壩潰決,使進水口前的冰塊突然增多,進水口前水位來不及上升,大量冰塊將進水口完全封堵的情況。外堵與天然河道開江所形成的冰壩,均屬于動冰的冰蓋型堵塞,在沒有特殊說明的情況下,常常說的冰塞現(xiàn)象,都是指“外堵”這種類型的堵塞。
在施工導(dǎo)流期間,考慮冰塊尺寸較大,隧洞不能順利泄冰,此時可利用閘門將庫水位抬高,以增加水深,降低隧洞進口前的水流流速,促使形成并置型冰蓋。根據(jù)對隧洞進口前各種水流情況的測試,當(dāng)進口前出現(xiàn)使冰塊不翻轉(zhuǎn)的臨界流速時,庫區(qū)早已形成并置型冰蓋所需的水流條件,所以,只要控制進口前的冰塊不翻轉(zhuǎn),并置型冰蓋就會自然形成。
由冰置型冰蓋公式
得到冰蓋下面水流的平均流速計算公式為
式中:Vu——冰蓋下面水流的平均流速,m/s;g——重力加速度,m/s2;ρ——水的密度,kg/m3;ρi——冰的密度,kg/m3;t——冰蓋的厚度,m。
試驗選取開江流量Q=600 m3/s、冰厚0.5 m,引用式(1)計算出為使浮冰并置于進口前的臨界流速v=0.86 m/s。模型試驗中,按此條件控制閘門開度,形成并置型冰蓋的水庫水位比該流量下正常導(dǎo)流時高出10 m多,見表1,將造成圍堰高度不足,因此,該工程導(dǎo)流不宜采用蓄冰方案。
攔冰排是鋼索固定原木所形成的攔冰設(shè)施,它可以促進冰蓋的形成,并將冰蓋限定在指定位置,使在較低水位條件下,形成并置型冰蓋,從而達到防冰害目的。成功的攔冰排應(yīng)具備如下特點[1]:流量相對均衡;橫斷面面積沒有急劇的變化,并且要有一個穩(wěn)定的河床;水流的佛勞德數(shù)必須小于0.08。據(jù)此,河面流速必須小于0.69 m/s才能具有較好的攔冰效果,而導(dǎo)流試驗中所測得攔冰排前河道水面流速均小于0.69 m/s,表明河道的水流狀態(tài)具備使用攔冰排的條件。結(jié)合蓮花河道的具體特點,可在隧洞進口前30~60 m范圍設(shè)一總長300 m的攔冰排。
表1 蓄冰試驗流速分布m/s
隧洞導(dǎo)流情況下,導(dǎo)流洞進口前庫區(qū)范圍在開江流量600 m3/s時,河寬為500 m,河道糙率nb=0.051,河道水面比降j=0.133‰,據(jù)此條件計算河道中形成的冰蓋屬于寬河阻塞型,見表2。表明單獨設(shè)攔冰排不能將冰全面攔置于攔冰排前。
表2 攔冰方案河道冰蓋水力參數(shù)
為了使攔冰排前的浮冰全部攔置,形成并置型冰蓋,可以適當(dāng)抬高進口前的水位,減小上游河道的水面比降,即采取攔蓄結(jié)合的防冰害措施。經(jīng)計算,當(dāng)河道比降為0.001%,河道水位升至171.28 m時,攔冰排前河道冰蓋類型為并置型,見表3,此時河道平均流速為0.15 m/s,按指數(shù)流速公式可以算出表面流速。
式中:u——點流速,m;um——表面流速,m;H——水深,m;y——任意點水位,m,平均流速處計算式y(tǒng)=0.6H。
按式(3)算得的表面流速為0.16 m/s,遠小0.69 m/s,說明攔蓄結(jié)合方案所設(shè)置的攔冰排將會有很好的攔冰效果。
據(jù)以上分析計算,工程擬采用攔蓄結(jié)合的防冰害措施。其冰力計算中,有關(guān)冰蓋的水力參數(shù)均采用表3的計算結(jié)果。
作用在攔冰排上的力有[1]
式中:fw——水流對冰蓋的拖拽力;fa——風(fēng)對冰蓋的拖拽力;fg——冰蓋重力在水流方向的分力;fp——冰蓋形成初期的水流壓力;fk——大浮冰塊聚集時的撞擊力;fs——冰與岸邊的摩擦力;fv——船只、冰塊、結(jié)構(gòu)物之間的相互作用力。
這里可以忽略fp與fk,不考慮fv,并假定風(fēng)是向下游吹的。而冰與岸邊的摩擦力fs目前尚不能確定,但野外觀察表明,冰荷載來自攔冰排前一定區(qū)域。這里可將冰蓋看成由冰塊組成的松散體,利用普氏“坍落拱”[6]理論,計算對攔冰排有影響的冰力范圍:
表3 攔蓄結(jié)合方案河道水力參數(shù)(B=600 m)
式中:l——沿水流方向α冰力影響的范圍,m;f——等于tgα,冰的摩擦角為α=26°;B——河面寬度。
由此可求得l=1.02B,即作用在攔冰排上的冰荷載來自攔冰排前1.02倍河寬的區(qū)域。為了使工程有一定的安全度,根據(jù)文獻[1]的建議,設(shè)計時應(yīng)取5倍的河寬。據(jù)此計算作用在攔冰排單位長度上的冰力fi為:
攔冰排擬采用2根直徑為0.36 m原木,用螺栓并排固定在一起的原木式攔冰排,每根原木長為5.5 m,各原木間用連續(xù)的鋼索連接,鋼索的重量由輔助的漂浮體承受。攔冰排端部采用灌漿錨鏈錨固在岸邊及河中,從河底至漂浮體的錨索長取[1](12倍的水深)150 m。攔冰排的鋼索與弦(從鋼索一端到另一端的直線的長度)的比值取1.15,弦長(跨度)取50 m,攔冰排共由6跨組成,其單跨形式見圖1。
圖1 攔冰排形式示意圖
蓮花水電站施工導(dǎo)流期經(jīng)計算可形成寬河阻塞型冰蓋,冰蓋厚度為1.66 m,需適當(dāng)抬高庫水位,改變水面比降,使其轉(zhuǎn)變?yōu)椴⒅眯捅w后,才便于實施攔蓄結(jié)合的工程措施。通過模型試驗和計算分析,提出的防冰害工程措施效果較好。
[1]美國陸軍工程兵團,丁志華、陸正勇譯.冰工程[M].能源部、水利部北京勘測設(shè)計院標(biāo)準(zhǔn)化室,1991,12.
[2]Pariset E,Hansser R,GagnonA.Formation of Ice Covers ang Ice Jame in Rivers,Journal of the Hydraulics Division,ASCE.Vol.92,1966:1-24.
[3]Beltioss.River IceJams∶Thery,CaseStudies,andApplications,Journal of the Hydraulics Engineering[J].1983,109(10):1338—1359.
[4]水利電力部東北勘測設(shè)計院科學(xué)研究所,黑龍江省水利科學(xué)研究所,水利電力部西北水利科學(xué)研究所編.水工建筑物凍害及其防治[M].長春:吉林省科學(xué)技術(shù)出版社,1990,6.
[5]A.M.Wasantha lal Hung Tao Shen.葛麗榮譯.河冰數(shù)學(xué)模型[J].山東黃河科技,1990(1—4).
[6]熊啟鈞,高昌俠編.隧洞[M].北京:水利電力出版社,1983,3.