水利水电工程水文测报系统设计手册-土建设计

对拟建的水利水电工程,按照“三同时”(测报系统与水利工程同时设计、同时建设、同时运行)原则,测报系统总体设计阶段的土建设计能与永久性水工建筑物结合在一起的应尽量结合在一起,以减少其土建工程量,但不应降低永久性建筑物结构的安全性。

采用浮子式水位计观测水位,水位测井是必不可少的,但具体到形式,又随着建站地点的具体情况及水位井建设的新材料、新技术的出现,呈现出多种多样的形式。目前,国内已建的水库遥测水位站,有些新建工程在永久性水工建筑物设计时即考虑到水位井;部分新建工程以及已建工程的水位井,由于厂坝区的库区周边有永久性的水工建筑物可以利用,为节省投资、方便管理、保证运行的可靠性,一般情况下不单独另外建设水位井,可选择垂直边壁的水工建筑物为支承物,根据浮子大小选用相应的工业管材,如钢管、PVC塑料管等建设外挂式测井。确实需要独立设置水位井的,应视建站地点的具体条件选用混凝土预制管或浇筑混凝土等型式。

管材材料、规格等指标的选用,应考虑是已建工程还是新建工程、观测水位的变幅、将来的运行方式及特殊防护要求、施工条件等,要具体问题具体分析。对新建工程,多种材料、规格的管材都可选择,因在地面施工,较容易固定管材,也较容易使其保持垂直安装;已建工程测井的材料选择就不宜采用预制混凝土管材,因其不易固定和连接。水位变幅大的水位井宜采用钢管或PVC管材。北方冬季结冰但要求冬季运行的水位井,因考虑到将来采取保温措施的需求,宜采用带保温层的钢套管。

全国已建的测报系统中,水库遥测水位站的建站位置大都选择在发电引水口附近翼墙边上,此处取水口为深度引水,流速不大、水面平稳、水位代表性好,水工建筑物有垂直边壁,且闸室可作仪器站房,不用另建站房。再者,闸室的底板高程一般低于其他的水工建筑物,可观测到死水位以下高程。有的水电工程,将大坝监测系统与库水位观测结合在一起。

例 [31]

莲花水电站位于松花江一级支流牡丹江的中游,坝址位于黑龙江省海林市三道河子乡。工程以发电为主,水库为一不完全多年调节水库,正常蓄水位218.00m,死水位203.00m,校核洪水位225.41m,相应库容41.8×108m3。枢纽由拦河坝、岸坡式溢洪道、发电引水系统组成。大坝为混凝土面板堆石坝,最大坝高71.8m。溢洪道由引水渠、溢流堰体、泄水槽、挑流鼻坎及尾水渠五部分组成。溢流堰堰顶高程205.6m。堰体上设置7孔弧形工作门,每孔净宽16m,高13.4m,电站装机容量550MW。多年平均水量利用系数98.68%。枢纽于1992年底开始施工,1998年正式投入运行,相应的测报系统于1997年开始投入运行。

该电站的测报系统1991年设计时,针对工程承担的任务是以发电为主,且水库多年平均水量利用系数为98.68%,基本不弃水,建设测报系统的目的主要是为电站的调度服务,使其发挥出更大的经济效益。水库不承担防洪任务,且溢洪道的溢流量大,操作灵活,洪水宣泄快,泄流机会少、时间短,故水位井的具体建站位置可选在溢洪道附近。

综合各方面情况,水库水位井设计如下:水位井设在溢洪道左 (右)侧混凝土翼墙内,在溢洪道闸门上游约60m 处;井筒为内径50cm 的无缝钢管,井口高程226.82m,比水库校核洪水位225.41m 高1.41m,井底高程202.25m,比水库死水位203.00m 低0.75m;自井底处接出两根内径20cm 的连通钢管,管端伸出导墙0.6m,管端至井筒中心线2.1m,管端底高程202.20m,其中下游侧一根为备用管,上游侧一根用同径无缝钢管,沿导流墙底部向上游延伸55m 到库区;连通钢管管端另接有长80cm 的T 字形可拆卸的套管头 (如图2-7-1所示),内径为22cm,套管两端口焊接有井字形钢筋拦污栅,以防卵石进入管内,两管套接处配有T 字形钢筋插销,拔出插销即可取下套管头清除管内泥沙淤积物。

图2-7-1　莲花坝上水位测井引水横管头部示意图

井台上建有4m2观测仪器室,周围有栏杆。房盖设保温和防水层、备保温门,室内设有通风管和照明取暖电源。房顶设天线、太阳能电池板和遥测雨量计,避雷引线由墙内扁钢与井壁焊接,井壁与混凝土导墙钢筋网焊接。水位计和终端机置于室内,雨量计、天线、太阳能板固定在仪器室顶部。

例 [43]

松江河梯级水电工程的小山水电站位于第二松花江的二级支流松江河上,坝址位于吉林省抚松县松江河镇。以发电为主,兼顾防洪及综合利用。

小山水库正常蓄水位为683.00m,死水位为664.00m,有效库容为0.53×108m3,为年调节水库。其设计洪水位为683.00m,校核洪水位为684.80m,水库总库容为1.05×108m3,装机容量为160MW。工程由拦河坝、岸坡式溢洪道、引水发电系统、厂房及开关站组成。溢洪道布置在紧邻面板的堆石坝右岸;引水发电系统布置在左岸山体,引水洞进口底板高程630.00m。小山枢纽工程坝型为混凝土面板堆石坝,岸坡式溢洪道采用WES堰型,设3孔,每孔净宽8.0m,由弧形闸门控制泄流,溢洪道陡槽侧墙为钢筋混凝土贴坡式衬砌或重力式混凝土挡墙,挑流消能。工程于1994年正式开工,1997年下闸蓄水发电,测报系统于1996年正式投入运行。

1991年进行测报系统总体设计时,结合工程的水工建筑物布置,水库水位井选在引水洞前的闸门建筑物上。具体建站位置设在发电引水闸门启闭机右侧翼墙的外侧。井管采用的嵌套式钢管,钢管间10cm 的空间以防冻材料充填。钢管底部焊接有钢筋拦污栅,以防杂物进入管内。钢管的高度至死水位以下1.5m。在启闭机平台上预留水位井井管的出露圆孔。翼墙侧壁上,在铅垂方向,上下每隔4.0m 从混凝土钢筋网上露出两根扁铁,两根扁铁在水平方向相隔70cm,以固定水位井井筒。井筒底部焊接一方形支架,支架坐落在做过处理的混凝土基础上,上部与井筒焊接,一方面作为井筒的支撑,另一方面又可防意外的落石直接碰击井筒。

井台上建有4m2观测仪器室,采用夹层钢板焊接,中间填充隔温材料,隔层的厚度考虑隔温材料的性质和当地的极端气温情况,确保仪器设备不受气候的影响而损害。外层用油漆粉刷、备保温门,室内设有通风管和照明取暖电源。房顶设天线、太阳能电池板,避雷引线由墙内以扁钢与井壁焊接,井壁与混凝土翼墙钢筋网焊接,水位计和终端机置于房内,房内设壁挂式仪器箱。

采用压力式水位计观测水位,感应探头尺寸小,终端机的体积也较小,特别适用于观测水位变率较小的水体,对水库的水位观测特别适用。理论上讲,采用压力式水位计,不需要建任何辅助的土建设施,仅将感应探头固定好位置即可。虽然如此,但为保护感应探头和连接电缆,确保仪器的正常运行,同时也为方便运行维护及检修,将探头及电缆线置于如钢管、聚乙烯管或PVC塑料管内。

例 [44](www.xing528.com)

山口水电站为已建水电站,电站位于嫩江左岸一级支流讷谟尔河的上游,坝址位于黑龙江省五大连池市,工程于2000年正式投入运行,其测报系统也于2001年正式投入运行。

2000年末进行测报系统的土建设计时,经技术经济比较,决定库水位的观测采用振弦压力式水位计。

压力式水位计的安装位置选择在发电引水闸门翼墙的外侧,采用镀锌钢管,弦式水位计探头放置在其中。镀锌钢管焊接一个接线箱,空气补偿管及电缆线放置其中。接线箱上设置一弯头管,信号线经过此口接入终端设备上,终端设备放置在启闭机的机房内,其土建施工如下:

(1)接线箱用钢板焊制,箱壁留进线弯头;接线箱底部与竖管垂直焊接(留孔)。

(2)竖管采用镀锌管,两竖管连接处用加强筋焊接。

(3)探头位置在死水位以下1.0m,探头位置处焊接铁网防护罩(防止探头脱落),将镀锌钢管与接地引线焊接。

(4)焊接避雷设施。

采用非接触式遥测水位计观测水位,不用建水位井,但其他相关的土建工程必不可少。其土建工程设计在本章第二节中将作详细叙述。

水库遥测水位站的天线架设土建工程量小,因其位置较高,一般不需要单独架设铁塔,采用塔杆即可,塔杆在建筑物上也较易固定。也可以利用水库本身的有关铁塔,作为一级中继。

水库遥测水位站的设备地网和避雷地网因与水工建筑物的接地网相连接,满足避雷设计要求,不用作特殊处理。

从水位的感应方式上,目前已建系统的水库遥测水位站大部分采用浮子式。近年新建的一些遥测系统,随着科学技术的发展,逐步采用压力式、非接触的超声波式以及其他形式,土建工作也大大减少或简化。

水库遥测雨量计应尽量与水库遥测水位计结合在一起,不但可节省土建的工作量,也可减少仪器设备的投资,并且给系统的运行维护、管理带来方便。

水库遥测水位站房,在确保仪器设备不受自然和人为因素破坏的前提下,应尽量利用现有的土建设施,避免重复建设,引水闸门、溢洪道的闸室都可利用。库区的遥测水位站,一般受人为因素破坏的情况较少,若需建站房,站房位置应尽可能靠近水位井,以缩短电缆线长度,减少信号的衰减和雷击的几率。独立建设水位井的水库遥测站,必须建设站房,站房面积一般不大于5m2,站房位置建在水位井的一旁或水位井的顶部。建平顶房可安装遥测雨量计。如果遥测水位不与遥测雨量站结合,则应尽量简化。

北方需冬季观测水位的水库,水位井及站房的保温防冻设计非常重要,应根据各地气候情况,具体分析防护措施。下面介绍几个成功进行防护设计的例子。

例 [43]

图2-7-2　小山水位测井冬季保温示意图

小山水电站(详细情况见前述),水位井采用内外双层钢管,中间填充材料,为确保井内水体不封冻,又设计了在井内水体的水面下加温的方法,具体做法是:将一500W的电热水器用防水线和一牵引线连接,置于水下约1.0m 处加热,确保井内水体不结冰(如图2-7-2所示)。具体使用时应注意以下几点:一是应根据气候变化,特别是库内冰层的变化,掌握好开始加温的时机、每天加温的次数以及每天开始加温的时间;二是随时根据库水位的变化,升降电热水器的入水深度。如果电热水器不及时调整,若水位上升,电热水器入水深度增大,电热效果差,甚至水面结冰,达不到预期的目的;水位下降,有可能使电热水器露出水面被烧坏。应该说明的是,冬季库水位的变化是缓慢的,并不用天天升降电热水器,此工作量并不大,也不麻烦。站房保温除了站房设计时考虑的保温措施外,再根据站房的大小采用加一个电暖气的办法即可解决。