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摘要：本文从坝址选择、枢纽布置、引水渠道设计和压力前池设计等几个方面分析了严寒地区引水式水电站的设计问题，结合严寒地区水电站运行特点，探讨了引水式水电站运行管理要点，旨在为相关引水式水电站设计和运行实践提供参考。
关键词：严寒地区；引水式水电站；设计；运行管理
1严寒地区引水式水电站设计分析
1.1坝址选择及枢纽布置
1.1.1坝址选择
在坝址选择的过程中，首先需要考虑开发和段自然条件、地质情况、工程投资及是否便于管理等因素，之后要根据引水要求选择水量较大、河床稳定的河段作为渠道位置。为了尽可能多的引上有河床两侧溢出水，增加发电、提高水温，应当尽量在泉水溢出带下游设置渠道，这对于电站在冬季的良好运行有着重要意义[1]。如果冬季、春季上有来冰量较多，则需要对排冰能力进行考虑，选择则有利地形建闸，确保引水排冰的通畅性。
对于渠道型式来说，一般选用拦河闸、坝混合式渠道，正面泄洪排水，侧面引水发电。需要注意的是，要充分考虑水流条件因素，保证排水方向与河道轴线一致，从而避免破坏上下游河流自然形态，尽可能降低耗水量。
1.1.2枢纽布置
我国山区性河流讲多，降水是主要的径流补给方式，其次才是冰川融雪水和地下水。针对严寒地区山区性河流特点，首部枢纽有两种布置方式选择：①全闸布置：这种布置方式泄流能力较强，但运行不灵活，需要频繁的启用闸门，不利于运行管理；②闸、坝混合式布置：这种布置方式运行灵活，成本较低，方便管理，且有着良好的安全性。
一般来说，引水式水电站没有调节性能，冬季运行困难，负荷较低，这就需要根据当地地形地貌来布置具备库容调节功能的枢纽，保证冬季也能够满足发电要求。
1.2引水渠道设计
1.2.1渠线
渠线尽可能设置在河谷阳坡，通过阳光辐射提升水温，避免结冰，促进冬季顺利排水。此外，渠线应当沿着等高线进行布置，尽可能少占地，在渠尾前池形成突然下跌地形，形成落差。结合地形采用与明渠、暗渠及倒虹吸等相结合的方式进行输水渠系建筑物的布置，避免出现深挖高填的情况。
1.2.2渠道断面
山丘地区坡降较陡，且存在较大起步，此时应当选择窄深式断面，为了防止坡面砂石及滚石等落入到渠道中，应当在部分渠道上加盖板，同时能够有效降低冬季水热量流失，保证能够形成冰盖。
对于地下水位高、地势相对平坦的地区来说，应选择宽浅式断面，存在泉水可引泉水如渠道，以此来增加水温和水流量，避免冬季结冰。此外，引水渠道设计应当因地制宜，就地选取耐久性能优良、防渗性能好的材料衬砌，例如可选用抗冻性能好的混凝土进行衬砌，减少挂冰现象，保证运行安全。
1.2.3渠道纵坡
渠道纵坡陡缓能够反映水流速度，如果渠道纵坡较陡，说明受到冲涮较为严重，水流速度较大，如果渠道纵坡较为平缓，则容易淤积泥沙，导致杂草丛生，不利于保证输水能力。尤其对于严寒地区来说，结冰盖运行时，需要以地形、造价、水能等为依据合理设计纵坡，同时控制水流速度。对于输排水运行来说，纵坡前段可适当陡一些，保证输冰流速，后段可设置缓流段，一般在排并闸前30m左右，以此来满足排冰、浮冰的水流速度要求，且避免冰块流动过快冲击下游建筑。
1.2.4渠道流速
渠道流速应当≤最大允许不冲流速，防止对渠道冲刷，如果水中含有泥沙，则应当将流速控制在不淤流速之上。对于小型水电站引水渠道来说，其渠道流速选择如表1所示：
1.3压力前池
1.3.1压力前池布置
压力前池应当尽可能设置在天然稳定地基之上，避免在地基不稳处、滑坡处、裂隙发育处布置。需要密切观测前池建成前后水文地质条件动态变化带来的不利影响，避免出现滑坡等事故，保证厂房及前池的安全性。宜采用正面排冰、排沙、侧面引水发电的方式布置前池，这种布置方式能够有效提升排冰和排沙效果，同时有利于减少轮机磨损，提升其使用寿命，且有助于避免冬季结冰问题。
前池进水室中心线与引水渠道中心线尽可能平行，保证水流通畅，降低水头损失，以此来保障水流能够从渠道平稳的进入到前池中。在平面上要保证前池与引水渠道末端连接段的两边对称，扩展角要<10°，选择1：3-1：5的斜坡作为底边纵坡。
引水渠道末端要尽量顺直，如需设置弯道，则应当将直线调整段设置在弯道终点与入口之间，或设置导向设施。前池水流速度一般要求≤0.8m/s，便于泥沙沉积并排出，还能够避免压力水管中进入冰凌和冰块。将挡冰板设置在进水室之前，提升排冰效果。为了防止冰凌进入到水室之中，挡冰板伸入深度应当在前池冬季运行水位下限以下50cm。
1.3.2压力前池水位
压力前池正常水位：小型水电站可取通过设计流量时渠末水位近似值；压力前池最低水位：单机引用流量60%水位或枯水期最小发电流量水位，对于农村小型水电站来说，可取渠道末端底板高程作为最低水位，保证安全；压力前池最高水位：正常运行时，可取脱除全部负荷的最高涌波作为最高水位。
2严寒地区引水式水电站运行管理要点探讨
2.1流冰期运行管理要点
在流冰期，引入的冰凌和渠道再生冰很容易发生渠道冰塞问题，需要加强巡视，及时清除挂凌和冰塞，保证水流畅通。如果遇到大雪天气，则应适当加大水流量，发挥排冰闸作用，如果遇到冰塞问题，应当遵循从下游到上游的顺序排除冰塞，必要时可采取爆破方式进行排冰。
2.2引水渠道结冰盖运行
冬季来临，随着气温降低，渠道会形成冰盖，尤其在遇到寒流导致气温骤降的时候，必然会形成冰盖。冰盖一般为拱形，表面水平，岸边厚度可达30m，渠中心冰较薄。此时需要保持高水位运行，必要时宁可少发电，以此来保证冰盖的稳定性。此外，电站应准备好水电阻，对发电机进行有效调节，保证其出力稳定，避免外网突然甩负荷导致水位上升。
一般来说，电站后半夜负荷较小，为了对水位进行有效控制，保证水流溢出冰洞，可适当减少泄水道排水量，從而形成70-80cm厚度的理想冰盖，电站正式进入冰盖运行期。
春季化冰期要防止冰盖坍塌，避免堵塞渠道，此时要加强巡视，保证渠道畅通，将泄水道上的冰盖打掉，排水方向为下游至上游。一旦发现冰盖坍塌或冰塞，则要人工疏通，打碎冰块，也可采用爆破与人工碎冰结合的方式。
结论：
综上所述，引水式水电站设计和运行是一项系统性的工程，涉及到的环节较多。严寒地区负温历时较长，存在冰害，需要结合气象、水温及工程条件合理的进行引水式水电站的设计，并做好运行管理和维护工作，保证水电站能够在冬季安全稳定的运行。
参考文献：
[1]德吉卓嘎，普片，索央.严寒地区引水式水电站设计和运行经验[J].西藏科技，2013，02：73-75.
作者简介：
郑建辉，1971.4.28，男，汉，湖北省孝感市，本科，中级，研究方向：智能变电站.
关键词：严寒地区；引水式水电站；设计；运行管理
1严寒地区引水式水电站设计分析
1.1坝址选择及枢纽布置
1.1.1坝址选择
在坝址选择的过程中，首先需要考虑开发和段自然条件、地质情况、工程投资及是否便于管理等因素，之后要根据引水要求选择水量较大、河床稳定的河段作为渠道位置。为了尽可能多的引上有河床两侧溢出水，增加发电、提高水温，应当尽量在泉水溢出带下游设置渠道，这对于电站在冬季的良好运行有着重要意义[1]。如果冬季、春季上有来冰量较多，则需要对排冰能力进行考虑，选择则有利地形建闸，确保引水排冰的通畅性。
对于渠道型式来说，一般选用拦河闸、坝混合式渠道，正面泄洪排水，侧面引水发电。需要注意的是，要充分考虑水流条件因素，保证排水方向与河道轴线一致，从而避免破坏上下游河流自然形态，尽可能降低耗水量。
1.1.2枢纽布置
我国山区性河流讲多，降水是主要的径流补给方式，其次才是冰川融雪水和地下水。针对严寒地区山区性河流特点，首部枢纽有两种布置方式选择：①全闸布置：这种布置方式泄流能力较强，但运行不灵活，需要频繁的启用闸门，不利于运行管理；②闸、坝混合式布置：这种布置方式运行灵活，成本较低，方便管理，且有着良好的安全性。
一般来说，引水式水电站没有调节性能，冬季运行困难，负荷较低，这就需要根据当地地形地貌来布置具备库容调节功能的枢纽，保证冬季也能够满足发电要求。
1.2引水渠道设计
1.2.1渠线
渠线尽可能设置在河谷阳坡，通过阳光辐射提升水温，避免结冰，促进冬季顺利排水。此外，渠线应当沿着等高线进行布置，尽可能少占地，在渠尾前池形成突然下跌地形，形成落差。结合地形采用与明渠、暗渠及倒虹吸等相结合的方式进行输水渠系建筑物的布置，避免出现深挖高填的情况。
1.2.2渠道断面
山丘地区坡降较陡，且存在较大起步，此时应当选择窄深式断面，为了防止坡面砂石及滚石等落入到渠道中，应当在部分渠道上加盖板，同时能够有效降低冬季水热量流失，保证能够形成冰盖。
对于地下水位高、地势相对平坦的地区来说，应选择宽浅式断面，存在泉水可引泉水如渠道，以此来增加水温和水流量，避免冬季结冰。此外，引水渠道设计应当因地制宜，就地选取耐久性能优良、防渗性能好的材料衬砌，例如可选用抗冻性能好的混凝土进行衬砌，减少挂冰现象，保证运行安全。
1.2.3渠道纵坡
渠道纵坡陡缓能够反映水流速度，如果渠道纵坡较陡，说明受到冲涮较为严重，水流速度较大，如果渠道纵坡较为平缓，则容易淤积泥沙，导致杂草丛生，不利于保证输水能力。尤其对于严寒地区来说，结冰盖运行时，需要以地形、造价、水能等为依据合理设计纵坡，同时控制水流速度。对于输排水运行来说，纵坡前段可适当陡一些，保证输冰流速，后段可设置缓流段，一般在排并闸前30m左右，以此来满足排冰、浮冰的水流速度要求，且避免冰块流动过快冲击下游建筑。
1.2.4渠道流速
渠道流速应当≤最大允许不冲流速，防止对渠道冲刷，如果水中含有泥沙，则应当将流速控制在不淤流速之上。对于小型水电站引水渠道来说，其渠道流速选择如表1所示：
1.3压力前池
1.3.1压力前池布置
压力前池应当尽可能设置在天然稳定地基之上，避免在地基不稳处、滑坡处、裂隙发育处布置。需要密切观测前池建成前后水文地质条件动态变化带来的不利影响，避免出现滑坡等事故，保证厂房及前池的安全性。宜采用正面排冰、排沙、侧面引水发电的方式布置前池，这种布置方式能够有效提升排冰和排沙效果，同时有利于减少轮机磨损，提升其使用寿命，且有助于避免冬季结冰问题。
前池进水室中心线与引水渠道中心线尽可能平行，保证水流通畅，降低水头损失，以此来保障水流能够从渠道平稳的进入到前池中。在平面上要保证前池与引水渠道末端连接段的两边对称，扩展角要<10°，选择1：3-1：5的斜坡作为底边纵坡。
引水渠道末端要尽量顺直，如需设置弯道，则应当将直线调整段设置在弯道终点与入口之间，或设置导向设施。前池水流速度一般要求≤0.8m/s，便于泥沙沉积并排出，还能够避免压力水管中进入冰凌和冰块。将挡冰板设置在进水室之前，提升排冰效果。为了防止冰凌进入到水室之中，挡冰板伸入深度应当在前池冬季运行水位下限以下50cm。
1.3.2压力前池水位
压力前池正常水位：小型水电站可取通过设计流量时渠末水位近似值；压力前池最低水位：单机引用流量60%水位或枯水期最小发电流量水位，对于农村小型水电站来说，可取渠道末端底板高程作为最低水位，保证安全；压力前池最高水位：正常运行时，可取脱除全部负荷的最高涌波作为最高水位。
2严寒地区引水式水电站运行管理要点探讨
2.1流冰期运行管理要点
在流冰期，引入的冰凌和渠道再生冰很容易发生渠道冰塞问题，需要加强巡视，及时清除挂凌和冰塞，保证水流畅通。如果遇到大雪天气，则应适当加大水流量，发挥排冰闸作用，如果遇到冰塞问题，应当遵循从下游到上游的顺序排除冰塞，必要时可采取爆破方式进行排冰。
2.2引水渠道结冰盖运行
冬季来临，随着气温降低，渠道会形成冰盖，尤其在遇到寒流导致气温骤降的时候，必然会形成冰盖。冰盖一般为拱形，表面水平，岸边厚度可达30m，渠中心冰较薄。此时需要保持高水位运行，必要时宁可少发电，以此来保证冰盖的稳定性。此外，电站应准备好水电阻，对发电机进行有效调节，保证其出力稳定，避免外网突然甩负荷导致水位上升。
一般来说，电站后半夜负荷较小，为了对水位进行有效控制，保证水流溢出冰洞，可适当减少泄水道排水量，從而形成70-80cm厚度的理想冰盖，电站正式进入冰盖运行期。
春季化冰期要防止冰盖坍塌，避免堵塞渠道，此时要加强巡视，保证渠道畅通，将泄水道上的冰盖打掉，排水方向为下游至上游。一旦发现冰盖坍塌或冰塞，则要人工疏通，打碎冰块，也可采用爆破与人工碎冰结合的方式。
结论：
综上所述，引水式水电站设计和运行是一项系统性的工程，涉及到的环节较多。严寒地区负温历时较长，存在冰害，需要结合气象、水温及工程条件合理的进行引水式水电站的设计，并做好运行管理和维护工作，保证水电站能够在冬季安全稳定的运行。
参考文献：
[1]德吉卓嘎，普片，索央.严寒地区引水式水电站设计和运行经验[J].西藏科技，2013，02：73-75.
作者简介：
郑建辉，1971.4.28，男，汉，湖北省孝感市，本科，中级，研究方向：智能变电站.