水利工程論文-潘家口水利樞紐的設(shè)計經(jīng)驗摘要：文章總結(jié)了在潘家口樞紐設(shè)計中對樞紐布置、電站水頭變幅巨大、下池庫內(nèi)往反水流、水資源開發(fā)方式等重大技術(shù)問題、處理措施以及所采用的新技術(shù)，加寬尾墩式溢流壩、裸露式碾壓混凝土壩、變速運行等設(shè)計經(jīng)驗。關(guān)鍵詞：水利樞紐混合式抽水蓄能電站寬尾墩式溢流壩變速運行碾壓混凝土1設(shè)計中的幾個重大技術(shù)問題1.1樞紐布置樞紐布置是整個樞紐設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。在初步設(shè)計批準(zhǔn)后，我院在清華大學(xué)及本院科研所進(jìn)行了6個水工模型、5個方案的試驗研究，驗證了初步設(shè)計所推薦的樞紐布置是最優(yōu)方案，即右岸壩后式水電站的樞紐布置具有布置緊湊、管理運行方便、施工簡單、投資省、上下游流態(tài)可基本滿足運行要求。該方案又經(jīng)長期的、大量的整體及斷面水工模型試驗研究后，進(jìn)一步完善了樞紐布置：主壩泄洪建筑物由表孔和底孔組成，最大泄洪流量為56200m3s，表孔共18孔，孔寬15m，挑流消能。4個泄洪底孔為深式一短管、明流槽以及挑流消能。由于施工的需要，將底孔由電站左側(cè)遷移至表孔中部，表孔則分兩段布置即右7孔、左11孔，兩段中間布置泄洪底孔。溢流壩閘墩由流線型改為平尾墩、左3孔又改為寬尾墩、通過試驗將挑流鼻坎高程抬高了3m，增加挑射角至30等措施，達(dá)到了充分消能的目的，改善了左岸回流淘刷壩趾和下游沖刷。溢洪道右端導(dǎo)墻加設(shè)了導(dǎo)向墩，電站左導(dǎo)墻加長80m，加長部分左折20。這些措施避免了對廠房的沖擊，改善對尾水渠左導(dǎo)墻的沖刷，并大大減少了尾水渠出口淤積，為電站運行提供可靠的保證。潘家口電站是一座混合式抽水蓄能電站，裝機4臺，其中1臺150MW常規(guī)機組、3臺90MW抽水蓄能機組。這座電站是我國目前最大的混合式抽水蓄能電站，其特點：一是電站水頭變幅巨大；二是常機組布置在同一個廠房內(nèi)；三是蓄能機組需要安裝在一期工程形成在廠房內(nèi)；四是設(shè)備多、且某些設(shè)備還有特殊的要求。這些特點和要求，給機組制造與廠房布置帶來復(fù)雜性。經(jīng)過周密的布置和詳細(xì)研究，并與廠家協(xié)商，對機組的結(jié)構(gòu)做了修正和調(diào)整，才滿了運行和設(shè)計要求。保壩措施經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇了加高大壩2.5m，樞紐泄流能力提高15，最大泄量為56200m3/s。而樞紐增加投資僅占總投資的2。因此該方案是經(jīng)濟(jì)合理的、也是可靠的。1.2關(guān)于水庫誘發(fā)地震的研究潘家口壩址與庫區(qū)有東西向、北東向及弧形構(gòu)造會入，構(gòu)造復(fù)雜，又有歷史地震的記錄。根據(jù)聯(lián)合國教科文組織的規(guī)定，我院開展了關(guān)于水庫誘發(fā)地震的研究，通過擴(kuò)大的地質(zhì)測繪、遙感、精密水準(zhǔn)測量、地應(yīng)力測試、地震臺網(wǎng)的監(jiān)測，10余年來還未觀測到水庫誘發(fā)地震的跡象。但根據(jù)國內(nèi)外工程經(jīng)驗，今后還應(yīng)加強監(jiān)測工作。1.3關(guān)于堿活性骨料的研究本料場的混凝土天然骨料，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)有燧石、凝灰?guī)r、流紋巖、粗石巖、蛋白石、安山巖等活性骨料，約占總量的30，誦過巖相鑒定及化學(xué)法試驗確定，屬有害的堿活性反應(yīng)的材料。為此，又進(jìn)行了長度法試驗。試驗結(jié)果證明砂、骨料均不產(chǎn)生過量的膨脹，可評價為非活性骨料。由于缺乏骨料在混凝土中使用的經(jīng)驗，為安全可靠，設(shè)計仍用撫順低堿大壩水泥及摻粉煤灰等抑制措施。經(jīng)近20年的運行均未見異常。1.4下池庫內(nèi)往返水流混合式抽水蓄能電站下池布置在灤河干流上，因此需滿足泄洪要求，即建筑物應(yīng)能抗御大洪水沖淤的作用。下池工程為三級建筑物，要求抵御28000m3s的大洪水沖擊以及淤積造成的不利影響。為此電站左導(dǎo)墻按折線布置，挖除左岸灘地約100萬m3砂石，大大改善了尾水渠出口淤積問題。經(jīng)包括上下池整體水工模型試驗，證明大洪水過后，下池有效庫容損失約10左右，而實際設(shè)計已留有足夠的余地，因此運行是可靠的，設(shè)計也是成功的。1.5水資源開發(fā)與經(jīng)濟(jì)效益。由于京津唐地區(qū)缺水嚴(yán)重，因此水資源開發(fā)與利用成為當(dāng)時的一個核心問題，引起各方面的關(guān)注。在審查潘家口初設(shè)時，華北電管局明確提出在原供水、防洪及季節(jié)性電站的基礎(chǔ)上，在可能條件下，增設(shè)390MW抽水蓄能機組擴(kuò)大裝機容量，使季節(jié)性電站變?yōu)榛旌鲜匠樗钅茈娬?。其?yōu)點：（1）結(jié)合供水發(fā)電，發(fā)電不降低供水的效益；（2）可避免在枯水時段或不需要供水時出力受阻甚至停機；（3）常蓄機組互補，可增加尖峰發(fā)電量，減少輸入電量，提高機組的綜合效率；（4）由于增設(shè)抽水蓄能機組，大大改善了電站在系統(tǒng)中的地位和作用。提高對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，具有明顯的調(diào)頻效應(yīng)，為系統(tǒng)提供了一個可靠的調(diào)峰電源。量增加了3.87倍，總峰荷電量達(dá)4.838億kWh.峰荷電量大幅度增長的原因：抽水發(fā)電2.307億kWh，另外在系統(tǒng)中填谷210270MW，解放了火電機組調(diào)峰500MW。這種混合式水電資源開發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。2設(shè)計中采用的新技術(shù)2.1壩型主壩采用了低寬縫重力壩，這種壩型是由寬縫重力壩發(fā)展而來的。為了區(qū)別，可視一般寬縫重力壩為高寬縫重力壩。高寬縫為壩高的12。低寬縫重力壩縫腔高為壩高的13。其次是縫腔的體形不同，低寬縫盡量避免倒模板，將上下游縫腔的坡度改為豎直坡。這種壩型的優(yōu)點是：（1）較實體重力壩節(jié)省工程量10；（2）保留了高寬縫重力壩的優(yōu)點如降低揚壓力，便于檢修、壩體冷卻，便于基礎(chǔ)排水和排水設(shè)施的布置，便于使用預(yù)制模板等；（3）封腔早，便于機械施工、提高工效、加快進(jìn)度。2.2寬尾墩式溢流壩寬尾墩式溢流壩是由一般帶挑流鼻坎消能工的溢流壩發(fā)展而來的。即由一般溢流壩加寬尾墩形成寬尾墩式溢流壩。這是我院科技人員在國內(nèi)外首創(chuàng)的一種消能工。在閘室內(nèi)寬尾墩強迫水流收縮成水冠，過閘室后水冠擴(kuò)散，在反弧段內(nèi)，寬尾墩兩側(cè)高速水流相撞，充分摻氣，形成高低坎消能效果，增大入水角和擴(kuò)散面，減弱沖刷能力，達(dá)到充分消能的目的，采用寬尾墩后當(dāng)泄5000年一遇洪水時，壩下沖刷變淤積，消能效果明顯，保證了大壩泄洪時安全運行。2.3裸露式具有抗凍性的碾壓混凝土重力壩下池左岸擋水壩段經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，以碾壓混凝土重力壩代替了常態(tài)混凝土重力壩，取消了常態(tài)混凝土保護(hù)層。碾壓混凝土直接接觸空氣和水，并且要與常態(tài)混凝土壩一樣，要經(jīng)受一切大自然如陽光、溫度、水的作用等。由于下池處于寒冷區(qū)，水位日變幅5.5m，因此要求壩體水位變動區(qū)應(yīng)達(dá)到150次凍融循環(huán)，其它部位也應(yīng)達(dá)到50次抗凍要求。設(shè)計采取了以下措施：（1）總膠凝材料用量177145kgm3，水泥用量12294kgm3。（2）混凝土內(nèi)摻用復(fù)合外加劑，使碾壓混凝土含氣量達(dá)到46。（3）施工過程中在上下游壩面噴灑膠凝劑，加強了層間結(jié)合，使壩體達(dá)到一定的抗?jié)B性。另外簡化了斷面，取消了廊道、上游直坡、下游階梯狀斜坡等，以適應(yīng)碾壓要求。這座裸露式具有抗凍性碾壓混凝土重力壩，最大壩高24.5m，壩頂長275m，橫縫間距57m。該壩已建成5年，運行正常，是國內(nèi)外首例，對碾壓混凝土筑壩技術(shù)的發(fā)展具有一定的開創(chuàng)性。2.4機組變速運行為了適應(yīng)水頭變幅巨大的運行要求，在引進(jìn)蓄能機組的過程中，經(jīng)與廠家研究，采用變極雙速機組，起動變頻器擴(kuò)大容量為60MW，串連在機組與主變之間，即可實現(xiàn)水泵起動和變速運行，這種定子接線60MW變速運行機組在國內(nèi)外是首例。60MW變頻器能保證蓄能機組在發(fā)電工況（3653m），水泵工況（3679m）內(nèi)以最佳轉(zhuǎn)速在高效區(qū)運行。機組效率提高：發(fā)電工況12，水泵工況19.2。機組綜合效率由60提高到80，替代容量增加15，氣蝕振動大人減輕，提高了