潘家口水利樞紐的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)論文

時(shí)間：2023-04-30 22:13:10 論文范文我要投稿

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　　摘要：文章總結(jié)了在潘家口樞紐設(shè)計(jì)中對(duì)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(yùn)行等設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

潘家口水利樞紐的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)論文

　　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(yùn)行碾壓混凝土

　　1設(shè)計(jì)中的幾個(gè)重大技術(shù)問題

　　1.1樞紐布置

　　樞紐布置是整個(gè)樞紐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

　　在初步設(shè)計(jì)批準(zhǔn)后，我院在清華大學(xué)及本院科研所進(jìn)行了6個(gè)水工模型、5個(gè)方案的試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了初步設(shè)計(jì)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(yùn)行方便、施工簡單、投資省、上下游流態(tài)可基本滿足運(yùn)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(yàn)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56200m3／s，表孔共18孔，孔寬15m，挑流消能。4個(gè)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(yàn)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(duì)廠房的沖擊，改善對(duì)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(yùn)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(jī)4臺(tái)，其中1臺(tái)150MW常規(guī)機(jī)組、3臺(tái)90MW抽水蓄能機(jī)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(diǎn)：一是電站水頭變幅巨大；二是常機(jī)組布置在同一個(gè)廠房內(nèi)；三是蓄能機(jī)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(diǎn)和要求，給機(jī)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(duì)機(jī)組的結(jié)構(gòu)做了修正和調(diào)整，才滿了運(yùn)行和設(shè)計(jì)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(huì)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(cè)繪、遙感、精密水準(zhǔn)測(cè)量、地應(yīng)力測(cè)試、地震臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)，10余年來還未觀測(cè)到水庫誘發(fā)地震的跡象。但根據(jù)國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)，今后還應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)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(yàn)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(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明砂、骨料均不產(chǎn)生過量的膨脹，可評(píng)價(jià)為非活性骨料。由于缺乏骨料在混凝土中使用的經(jīng)驗(yàn)，為安全可靠，設(shè)計(jì)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(yùn)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(jí)建筑物，要求抵御28000m3／s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(yàn)，證明大洪水過后，下池有效庫容損失約10％左右，而實(shí)際設(shè)計(jì)已留有足夠的余地，因此運(yùn)行是可靠的，設(shè)計(jì)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(shí)的一個(gè)核心問題，引起各方面的關(guān)注。在審查潘家口初設(shè)時(shí)，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)3×90MW抽水蓄能機(jī)組擴(kuò)大裝機(jī)容量，使季節(jié)性電站變?yōu)榛旌鲜匠樗钅茈娬�。其�?yōu)點(diǎn)：（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(shí)段或不需要供水時(shí)出力受阻甚至停機(jī)；（3）常蓄機(jī)組互補(bǔ)，可增加尖峰發(fā)電量，減少輸入電量，提高機(jī)組的綜合效率；（4）由于增設(shè)抽水蓄能機(jī)組，大大改善了電站在系統(tǒng)中的地位和作用。提高對(duì)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(gè)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kW·h.峰荷電量大幅度增長的原因：抽水發(fā)電2.307億kW·h，另外在系統(tǒng)中填谷210～270MW，解放了火電機(jī)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(jì)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1／2。低寬縫重力壩縫腔高為壩高的1／3。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(diǎn)是：（1）較實(shí)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(diǎn)如降低揚(yáng)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(jī)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(qiáng)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(shí)，壩下沖刷變淤積，消能效果明顯，保證了大壩泄洪時(shí)安全運(yùn)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(dòng)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(jì)采取了以下措施：（1）總膠凝材料用量177～145kg／m3，水泥用量122～94kg／m3。（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4～6％。（3）施工過程中在上下游壩面噴灑膠凝劑，加強(qiáng)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(yùn)行正常，是國內(nèi)外首例，對(duì)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(jī)組變速運(yùn)行

　　為了適應(yīng)水頭變幅巨大的運(yùn)行要求，在引進(jìn)蓄能機(jī)組的過程中，經(jīng)與廠家研究，采用變極雙速機(jī)組，起動(dòng)變頻器擴(kuò)大容量為60MW，串連在機(jī)組與主變之間，即可實(shí)現(xiàn)水泵起動(dòng)和變速運(yùn)行，這種定子接線60MW變速運(yùn)行機(jī)組在國內(nèi)外是首例。60MW變頻器能保證蓄能機(jī)組在發(fā)電工況（36～53m），水泵工況（36～79m）內(nèi)以最佳轉(zhuǎn)速在高效區(qū)運(yùn)行。機(jī)組效率提高：發(fā)電工況12％，水泵工況19.2％。機(jī)組綜合效率由60％提高到80％，替代容量增加15％，氣蝕振動(dòng)大人減輕，提高了機(jī)組的壽命。

　　2.5碾壓混凝土路面

　　潘家口水利樞紐對(duì)外交通7.2km，其中5.9km路段采用碾壓混凝土筑路技術(shù)。經(jīng)過試驗(yàn)研究，將干砂漿（無坍落度砂漿）應(yīng)用于碾壓混凝土路面，保證了路面平整不露石子，提高了路面力學(xué)強(qiáng)度和耐磨性，成為國內(nèi)外首創(chuàng)筑路新工藝。全碾壓式一級(jí)配混凝土、表面鋪干砂漿厚5～10mm，一次碾壓成高級(jí)路面。

　　2.6水電站主廠房防火的改進(jìn)措施

　　電站防火設(shè)計(jì)經(jīng)過唐山市消防支隊(duì)的審查，設(shè)計(jì)符合國家、部頒設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，并有所創(chuàng)新，國內(nèi)外首次采用的改進(jìn)措施：

　�。�1）常開門式封閉樓梯。（2）擋煙垂壁，在機(jī)組段之間橫梁（梁高0.6m）下設(shè)輕鋼龍骨，外側(cè)固定石膏板，擋煙垂高0.9m，總壁高1.5m，保護(hù)電纜效果明顯；（3）自動(dòng)報(bào)警與手動(dòng)報(bào)警相結(jié)合；（4）電纜夾層采用固定式鹵代烷滅火系統(tǒng)。以上四項(xiàng)措施對(duì)廠房結(jié)構(gòu)改動(dòng)很小、投資少、易實(shí)施、效果明顯，提高了防火安全性和可靠性。

　　3提高效益的設(shè)想

　　3.1為了進(jìn)一步發(fā)揮混合式抽水蓄能電站的效益，建議再引進(jìn)兩臺(tái)60MW變頻器。

　　3.2抬高運(yùn)行水位

　　由于在大壩設(shè)計(jì)中已適當(dāng)留有余地，可考慮抬高水位運(yùn)行，每抬高1m，即可增加5000萬m3的有效庫容。這一措施，效益很高，可在適當(dāng)時(shí)機(jī)在不影響大壩安全運(yùn)行的前提下，予以實(shí)施。

　　3.3在引灤供水系統(tǒng)中，除潘家口之外，還有大黑汀、于橋、邱莊、陡河水庫等，已形成一個(gè)關(guān)系密切的供水網(wǎng)絡(luò)，建議在不增加投資的條件下，加強(qiáng)調(diào)度與管理，即可達(dá)到多蓄水，提高供水效益的目的。如潘家口與大黑汀水庫聯(lián)合運(yùn)用可多調(diào)節(jié)水量1.2億m3，如五庫聯(lián)合運(yùn)用，其效益更為可觀。

　　3.4進(jìn)一步發(fā)揮水庫排沙對(duì)下游入海口沖刷的作用

　　潘家口水庫有4個(gè)底孔，這4個(gè)底孔泄量尚不能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，應(yīng)該充分發(fā)揮現(xiàn)有底孔排沙作用。經(jīng)過科學(xué)計(jì)算和研究后在汛期低水位時(shí)，在有準(zhǔn)備的條件下，泄水拉沙，隔幾年進(jìn)行一次以提高水庫壽命。這一措施帶來的另一個(gè)好處是：利用人造洪峰對(duì)入海口進(jìn)行沖刷，防止海口淤積。

　　參考文獻(xiàn)

　　1潘家口混合式抽水蓄能電站、曹楚生.1990年4月國際抽水蓄能會(huì)議論集。

　　2一期工程概述.曾楚生.李成乾，水利水電工程.1986年2期

　　3混合式抽水蓄能電站布置.魏恒德.李啟業(yè).水利水電工程.1986年2期

　　4樞紐布置的研究.李成乾.水利水電工程.1986年2期5水頭變幅很大的抽水蓄能電站運(yùn)行方式的探討.袁淼.楊志申.蔡體安.李建國.水利水電工程.1990年4期

　　6潘家口對(duì)外交通公路碾壓混凝土路面研究.李成乾.水利水電工程.1992年3期

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