摘要:文章总结了在潘家口枢纽设计中对枢纽布置、电站水头变幅巨大、下池库内往反水流、水资源开发方式等重大技术问题、处理措施以及所采用的新技术,加宽尾墩式溢流坝、裸露式碾压混凝土坝、变速运行等设计经验。
关键词:水利枢纽 混合式抽水蓄能电站 宽尾墩式溢流坝 变速运行 碾压混凝土
1 设计中的几个重大技术问题
1.1 枢纽布置
枢纽布置是整个枢纽设计的关键技术问题之一。
在初步设计批准后,我院在清华大学及本院科研所进行了6个水工模型、5个方案的试验研究,验证了初步设计所推荐的枢纽布置是最优方案,即右岸坝后式水电站的枢纽布置具有布置紧凑、管理运行方便、施工简单、投资省、上下游流态可基本满足运行要求。该方案又经长期的、大量的整体及断面水工模型试验研究后,进一步完善了枢纽布置:
主坝泄洪建筑物由表孔和底孔组成,最大泄洪流量为56200m3/ s,表孔共18孔,孔宽15m,挑流消能。4个泄洪底孔为深式一短管、明流槽以及挑流消能。由于施工的需要,将底孔由电站左侧迁移至表孔中部,表孔则分两段布置即右7孔、左11孔,两段中间布置泄洪底孔。
溢流坝闸墩由流线型改为平尾墩、左3孔又改为宽尾墩、通过试验将挑流鼻坎高程抬高了3m,增加挑射角至30°等措施,达到了充分消能的目的,改善了左岸回流淘刷坝趾和下游冲刷。溢洪道右端导墙加设了导向墩,电站左导墙加长80m,加长部分左折20°。这些措施避免了对厂房的冲击,改善对尾水渠左导墙的冲刷,并大大减少了尾水渠出口淤积,为电站运行提供可靠的保证。
潘家口电站是一座混合式抽水蓄能电站,装机4台,其中1台150MW常规机组、3台90MW抽水蓄能机组。这座电站是我国目前最大的混合式抽水蓄能电站,其特点:一是电站水头变幅巨大;二是常机组布置在同一个厂房内;三是蓄能机组需要安装在一期工程形成在厂房内;四是设备多、且某些设备还有特殊的要求。这些特点和要求,给机组制造与厂房布置带来复杂性。经过周密的布置和详细研究,并与厂家协商,对机组的结构做了修正和调整,才满了运行和设计要求。
保坝措施经技术经济比较,选择了加高大坝2.5m,枢纽泄流能力提高15%,最大泄量为56200m3/s。而枢纽增加投资仅占总投资的2%。因此该方案是经济合理的、也是可靠的。
1.2 关于水库诱发地震的研究
潘家口坝址与库区有东西向、北东向及弧形构造会入,构造复杂,又有历史地震的记录。根据联合国教科文组织的规定,我院开展了关于水库诱发地震的研究,通过扩大的地质测绘、遥感、精密水准测量、地应力测试、地震台网的监测,10余年来还未观测到水库诱发地震的迹象。但根据国内外工程经验,今后还应加强监测工作。
1.3 关于碱活性骨料的研究
本料场的混凝土天然骨料,通过调查发现有燧石、凝灰岩、流纹岩、粗石岩、蛋白石、安山岩等活性骨料,约占总量的30%,诵过岩相鉴定及化学法试验确定,属有害的碱活性反应的材料。为此,又进行了长度法试验。试验结果证明砂、骨料均不产生过量的膨胀,可评价为非活性骨料。由于缺乏骨料在混凝土中使用的经验,为安全可靠,设计仍用抚顺低碱大坝水泥及掺粉煤灰等抑制措施。经近20年的运行均未见异常。
1.4 下池库内往返水流
混合式抽水蓄能电站下池布置在滦河干流上,因此需满足泄洪要求,即建筑物应能抗御大洪水冲淤的作用。下池工程为三级建筑物,要求抵御28000m3/s的大洪水冲击以及淤积造成的不利影响。为此电站左导墙按折线布置,挖除左岸滩地约100万m3砂石,大大改善了尾水渠出口淤积问题。经包括上下池整体水工模型试验,证明大洪水过后,下池有效库容损失约10%左右,而实际设计已留有足够的余地,因此运行是可靠的,设计也是成功的。
1.5 水资源开发与经济效益。
由于京津唐地区缺水严重,因此水资源开发与利用成为当时的一个核心问题,引起各方面的关注。在审查潘家口初设时,华北电管局明确提出在原供水、防洪及季节性电站的基础上,在可能条件下,增设3×90MW抽水蓄能机组扩大装机容量,使季节性电站变为混合式抽水蓄能电站。其优点:(1)结合供水发电,发电不降低供水的效益;(2)可避免在枯水时段或不需要供水时出力受阻甚至停机;(3)常蓄机组互补,可增加尖峰发电量,减少输入电量,提高机组的综合效率;(4)由于增设抽水蓄能机组,大大改善了电站在系统中的地位和作用。提高对系统的调节能力,具有明显的调频效应,为系统提供了一个可靠的调峰电源。量增加了3.87倍,总峰荷电量达4.838亿kW·h.峰荷电量大幅度增长的原因:抽水发电2.307亿kW·h,另外在系统中填谷210~270MW,解放了火电机组调峰500MW。这种混合式水电资源开发的经济效益是十分明显的。
2 设计中采用的新技术
2.1 坝型
主坝采用了低宽缝重力坝,这种坝型是由宽缝重力坝
发展而来的。为了区别,可视一般宽缝重力坝为高宽缝重力坝。高宽缝为坝高的1/2。低宽缝重力坝缝腔高为坝高的1/3。其次是缝腔的体形不同,低宽缝尽量避免倒模板,将上下游缝腔的坡度改为竖直坡。这种坝型的优点是:(1)较实体重力坝节省工程量10%;(2)保留了高宽缝重力坝的优点如降低扬压力,便于检修、坝体冷却,便于基础排水和排水设施的布置,便于使用预制模板等;(3)封腔早,便于机械施工、提高工效、加快进度。
2.2 宽尾墩式溢流坝
宽尾墩式溢流坝是由一般带挑流鼻坎消能工的溢流坝发展而来的。即由一般溢流坝加宽尾墩形成宽尾墩式溢流坝。这是我院
科技人员在国内外首创的一种消能工。在闸室内宽尾墩强迫水流收缩成水冠,过闸室后水冠扩散,在反弧段内,宽尾墩两侧高速水流相撞,充分掺气,形成高低坎消能效果,增大入水角和扩散面,减弱冲刷能力,达到充分消能的目的,采用宽尾墩后当泄5000年一遇洪水时,坝下冲刷变淤积,消能效果明显,保证了大坝泄洪时安全运行。
2.3 裸露式具有抗冻性的碾压混凝土重力坝
下池左岸挡水坝段经过技术
经济比较,以碾压混凝土重力坝代替了常态混凝土重力坝,取消了常态混凝土保护层。碾压混凝土直接接触空气和水,并且要与常态混凝土坝一样,要经受一切大
自然如阳光、温度、水的作用等。由于下池处于寒冷区,水位日变幅5.5m,因此要求坝体水位变动区应达到150次冻融循环,其它部位也应达到50次抗冻要求。设计采取了以下措施:(1)总胶凝材料用量177~145kg/m3,水泥用量122~94kg/m3。(2)混凝土内掺用复合外加剂,使碾压混凝土含气量达到4~6%。(3)施工过程中在上下游坝面喷洒胶凝剂,加强了层间结合,使坝体达到一定的抗渗性。
另外简化了断面,取消了廊道、上游直坡、下游阶梯状斜坡等,以适应碾压要求。
这座裸露式具有抗冻性碾压混凝土重力坝,最大坝高24.5m,坝顶长275m,横缝间距57m。该坝已建成5年,运行正常,是国内外首例,对碾压混凝土筑坝技术的发展具有一定的开创性。
2.4 机组变速运行
为了适应水头变幅巨大的运行要求,在引进蓄能机组的过程中,经与厂家
研究,采用变极双速机组,起动变频器扩大容量为60MW,串连在机组与主变之间,即可实现水泵起动和变速运行,这种定子接线60MW变速运行机组在国内外是首例。60MW变频器能保证蓄能机组在发电工况(36~53m),水泵工况(36~79m)内以最佳转速在高效区运行。机组效率提高:发电工况12%,水泵工况19.2%。机组综合效率由60%提高到80%,替代容量增加15%,气蚀振动大人减轻,提高了机组的寿命。
2.5 碾压混凝土路面
潘家口水利枢纽对外
交通7.2km,其中5.9km路段采用碾压混凝土筑路技术。经过试验研究,将干砂浆(无坍落度砂浆)
应用于碾压混凝土路面,保证了路面平整不露石子,提高了路面力学强度和耐磨性,成为国内外首创筑路新工艺。全碾压式一级配混凝土、表面铺干砂浆厚5~10mm,一次碾压成高级路面。
2.6 水电站主厂房防火的改进措施
电站防火设计经过唐山市消防支队的审查,设计符合国家、部颁设计规范的要求,并有所创新,国内外首次采用的改进措施:
(1)常开门式封闭楼梯。(2)挡烟垂壁,在机组段之间横梁(梁高0.6m)下设轻钢龙骨,外侧固定石膏板,挡烟垂高0.9m,总壁高1.5m,保护电缆效果明显;(3)自动报警与手动报警相结合;(4)电缆夹层采用固定式卤代烷灭火系统。以上四项措施对厂房结构改动很小、投资少、易实施、效果明显,提高了防火安全性和可靠性。
3 提高效益的设想
3.1 为了进一步发挥混合式抽水蓄能电站的效益,建议再引进两台60MW变频器。
3.2 抬高运行水位
由于在大坝设计中已适当留有余地,可考虑抬高水位运行,每抬高1m,即可增加5000万m3的有效库容。这一措施,效益很高,可在适当时机在不
影响大坝安全运行的前提下,予以实施。
3.3 在引滦供水系统中,除潘家口之外,还有大黑汀、于桥、邱庄、陡河水库等,已形成一个关系密切的供水
网络,建议在不增加投资的条件下,加强调度与管理,即可达到多蓄水,提高供水效益的目的。如潘家口与大黑汀水库联合运用可多调节水量1.2亿m3,如五库联合运用,其效益更为可观。
3.4 进一步发挥水库排沙对下游入海口冲刷的作用
潘家口水库有4个底孔,这4个底孔泄量尚不能满足现行规范的要求,应该充分发挥现有底孔排沙作用。经过
科学计算和研究后在汛期低水位时,在有准备的条件下,泄水拉沙,隔几年进行一次以提高水库寿命。这一措施带来的另一个好处是:利用人造洪峰对入海口进行冲刷,防止海口淤积。
参考文献 1 潘家口混合式抽水蓄能电站、曹楚生.1990年4月国际抽水蓄能会议论集。
2 一期工程概述.曾楚生.李成乾,水利水电工程.1986年2期
3 混合式抽水蓄能电站布置.魏恒德.李启业.水利水电工程.1986年2期
4 枢纽布置的研究.李成乾.水利水电工程.1986年2期5 水头变幅很大的抽水蓄能电站运行方式的探讨.袁淼.杨志申.蔡体安.李建国.水利水电工程.1990年4期
6 潘家口对外交通公路碾压混凝土路面研究.李成乾.水利水电工程.1992年3期