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俄罗斯:萨彦舒申斯克水电站(Sayano Shushenskaya Hydropower Station)

2013-08-29  来源:长江技术经济学会网

1 概述

萨彦舒申斯克水电站建在俄罗斯西伯利亚叶尼塞(Енисей)河上游,位于克拉斯诺雅尔斯克州宋努斯克市附近。重力拱坝,最大坝高245m,总装机640万kW,多年平均发电量235亿kW·h。水库总库容313亿m3,有效库容147亿m3,为多年调节水库。工程具有发电、灌溉、航运和供水等综合经济效益。工程于1968年动工兴建,1975年10月11日河道截流,1978年第1台临时机组在60m水头下投入运行,这时主体工程浇筑的混凝土量约为全 部混凝土工程量的1/3(320万m3),1989年全部工程竣工。

坝区属大陆性气候,多年平均气温为1℃,1月份最低气温为-42℃,6~8月气温 35~36℃。坝区年降雨量665mm,日最大降雨量89mm。

坝址以上集水面积18万km2,多年平均流量1480m3/s,春夏冰雪解冻期为坝区洪水季节,5~6月实测洪峰流量10000~12000m3/s。最大的理论推算流量为25000m3/s(万年一遇),百年一遇春季最大设计流量13500m3/s,最小流量500m3/s。多年 平均输沙量442万t,水流平均含沙量0.095kg/m3。冬季为枯水期,河床流量只有200~300m3/s。春秋两季常有流冰出现,造成施工困难。

坝区为西萨彦山块峡谷地形,叶尼塞河穿过这段峡谷流到下游30km处进入宽阔的努辛斯克盆地,形成多滩的河道。坝区两岸岩层较陡,水流湍急,基岩多为坚硬的结晶页岩,是 修建高坝的良好基础。

坝址呈梯形峡谷,平水年河槽宽350m,最高水位时河槽宽可达400m左右。两岸岸坡倾 角38°~48°,坝顶高程处宽1066m,河谷宽高比4.351。河床冲积层厚10m。坝址段属西萨彦构造带,目前仍在继续上升,地震烈度为7度。整个坝区岩层为变质结晶页岩,含有明显的绿帘闪石石英矿物成份。坝址岩层一般由北向南倾斜,并受到北东向褶皱带的严重挤压。坝址距构造破碎带较远。

2 枢纽布置与建筑物

萨彦舒申斯克水利枢纽由拦河坝、泄水建筑物和水电站等主要建筑物组成(见萨彦舒申斯克水利枢纽平面布置图)。拦河坝为混凝土重力拱坝,最大坝高245m,坝顶长1066m, 坝的长高比为4.35。坝顶厚25m,坝底最大厚度114m,大坝迎水面(上游面)为垂直面,平面半径可达600m,下游面做成变化的坡度(1∶0.05~1∶0.70)。传递到大坝底部中心部位和两岸的联接段的主压应力达到7~9MPa,上部(拱冠)承受的水平压应力达7~8MPa,局部坝体产生的拉应力主要是在上游面。为了防止拉应力对坝体的有害影响,拱坝下部都做成变化的半径,两岸联接段要小。

大坝分为右岸溢流坝段、左岸厂房坝段及两岸非溢流坝。溢流坝段长189.6m,共布置11个溢水孔,孔口尺寸为5m×6m,进口高程479m,最大泄量按宣泄万年一遇洪水设计,流量为13600m3/s。进口处装有平面定轮闸门,工作水头61m,出口处装弧形工作闸门,尺寸为5m×6m,工作水头110m。溢流面设有挑坎式和坎槽式掺气设施。下游设有长142m的消力池,起点处宽130.6m,末端设消力槛,槛高29m,此处宽度为112m,最大单宽流量121m3/s。消力池后为混凝土海漫,末端宽97m。消力池底板为15m×12.5m、厚2.5m的钢筋混凝土板,板下有混凝土垫层,厚度不小于0.5m。板面接缝深0.4m处有水平不锈钢止水片,沿周边缝设 两层止铜片(见萨彦—舒申斯克水电站大坝剖面图)。为了导流,在溢流坝段坝体底部设有导 流底孔,进口高程374m(共11孔,其中两侧两孔进口高程较高,尺寸为5.3m×11m,在坝体 中部设有初期运用溢流孔,进口高程388m。

消力池在运行过程中,曾遭到多次破坏。1978、1982年检查发现底板破坏深度分别达0.2~0.3m和1.0~2.8m。1985年夏秋,溢流坝5个孔过流,流量达4500m3/s,11月底检查发现80%的底板面积遭到破坏,有的部位岩基冲深达8m,锚杆拉断,底板与基础脱开,冲走混凝土2.7万m3、基岩3000m3。主要原因是:过流时间过长(44号和45号坝段溢洪时间 长达60d和70d);由于早期补强填料破坏底板基础产生脉动压力,消力池首部和底部底板脉动压力分别达11~12 m和3~4m水头。先后进行了3次补修。修复主要措施为基础水泥灌浆、表面补浇一层混凝土、冲刷区涂聚合物料,设锚筋等。修复研究中得出的基本经验是:①溢流坝泄槽末端 设附加鼻坎,改善运行条件,可使底板上的脉动压力荷载降低1/2;②动水压力计算,一般 取最大脉动压力值为消力池进口流速水头的7%~9%,此值可降低10%~15%;③平均厚6m,尺寸为6.25m×7.5m的底板,如接缝不灌浆,缝内存在脉动压力作用,会破坏底板安全。

厂房坝段长331.8m,布置有进水孔和压力钢管。孔口设有拦污栅和平板运行闸门,孔口尺寸为7.5m×10.5m。压力钢 管布置在大坝下游面,这样不致于削弱应力集中的部位,还可保证大坝施工期间管道安装工作和混凝土施工不致相互干扰。压力钢管内径7.5m。

厂房内共布置有10台单机容量64万kW的立轴混流式水轮发电机组。水轮机为PO230/833-677 型,转轮直径6.77m,转速142.8r/min,比转数58.3mkW。额定水头194m,流量358m3/s,额定出力65万kW,最大水头212m,最大出力73.5万kW,转轮重156t。最高效率96%。转轮采用耐空蚀不锈钢制造。发电机为伞式,额定电压15.75kV,额定容量为711MVA, 最大容量736MVA,转子采用强制风冷,定子采用水内冷。发电机转子重935t,发电机总重1860t。

电厂发出的电能通过500kV和750kV高压输电线送到左岸露天配电站,然后输入电力系统。

机组的正常工作水头是175~220m,但首批2台机组60m水头开始即发电,运行水头范围为60~140m,采用临时转轮,直径6m,60m水头下出力15.5万kW,140m水头下出力40万kW。 当水库水位超过460m时,更换为正式转轮。为配合低水头临时发电要求,设6个临时进水口 ,分别按3个高程布置,1、2号机组进水口高程369.5m,4、5、6号机组进水口高程426.5m ,3号机组进水口在上述两高程之间。

3 工程施工

主体工程分两期完成,一期为右岸基坑工程,包括导流底孔坝段、消力池、上游纵向围堰、隔墙、下游右岸挡土墙;二期为左岸基坑工程,包括厂房坝段和水电站厂房。一期施工导流是通过围堰束窄天然河床58%完成的。二期施工时,利用一期纵向围堰抛石立 堵进占,首先形成石戗堤,然后在二期上游围堰滤水坝址处进行最后的河床截流。截流后河水从导流底孔通过。

截流设计流量与实测流量相当,为550m3/s。截流戗堤落差为2.7m。抛石戗堤顶宽18m,堤顶高程327m,抛石方量71000m3。截流时一期上游围堰龙口宽度为84m,下游为74m。1975年10月15日合拢。

工程施工采用的混凝土拌合设备有1座全自动化连续式拌合楼,生产能力为300m3/h,1座分批生产的拌合楼(4×2.5m拌合机,生产能力为150m3/h)。主要混凝土浇筑设备是25t的塔式起重机,起重臂伸距为40m,起重机架在自升式栈桥上,一共安装了10座栈桥,能满足月浇筑强度达到35万m3的要求。单机最大月浇筑强度达2.23万m3,自升式栈桥КВГС-1000 结构很简单,即一个钢制构架固定在 4根钢管上,钢管直径为1000mm,并装有螺旋提升机,4个螺旋提升机同时启动时,钢架随 其上的起重机一起上升,每小时上升速度为2.3m。自升机栈桥总重为245t,载重量为513t。起重机沿栈桥轨道的可移动距离为20m。1977年,对这种起重机又重新作了布置,利用 大坝下游面的键槽,将起重机布置在第二层浇筑块上,这样可扩大每台起重机的浇筑范围。由自卸卡车将混凝土送到起重机,用高程344m上第三柱状块,高程401m上的第二柱块和高程343m、413.5m上的栈桥作运输平台。仓内振捣和平整工作用装有振捣设备(推土板和大型振捣器组)的A-6 63型电动拖拉机完成。振捣器组装在自行式宽履带拖拉机上,操作平台为全旋转式的,平台上装有一个活动套管工作臂,升降全由液压控制。工作臂端部装一横梁,其上挂有4~5个振捣器。工作臂最大伸距为7.5m,能在15m宽的仓内进行振捣。采用宽履带拖拉机能使振捣 器组在坍落度为5cm的混凝土层上顺利地振捣。一层振捣完毕后,可转入下一层振捣,卸下振捣器组的横梁,还可用来转运模板,振捣器组每小时可振捣混凝土80~100m3

工地还试验一种B-1-69型新式振捣器,这种振捣器振捣厚度可达到1~5m。在平面尺寸较大的仓内(30m×27m)使用这种振捣器较为适合,使劳动消耗量和能量消耗均有所下降,并满足振捣的要求,浇筑强度和质量都有提高。

工程还采用双层悬臂式模板,面积40m2,重6t。每m2模板钢筋耗量为1.63kg。

实际施工时,混凝土浇筑块尺寸为12m×30m和27m×30m,浇筑块高3m的混凝土占48%,高3~23m的占28%(约200万m3混凝土)。为了达到提前发电、分期蓄水的要求,第一柱块先达到挡水要求。位于基岩面上第一层混凝土中心温度与坝基下1m厚处的温差不超过20 ~21℃,向上每增加1m高,容许温差增加1.5℃,但最高不超过42~44℃,混凝拌和 机出口温度控制在16~20℃。坝内冷却用塑料管,冬季用保温板保护暴露面。坝体横缝灌 浆设计温差为2~7℃,施工时实际为4~12℃。

1985年对已浇600万m3混凝土的调查,发现有大小裂缝5590条,开裂坝块占总坝块数的24%。裂缝平均开度0.2mm,大都呈垂直式或近似垂直分布在浇筑块的侧面,长度最大者达30 m。贯入整个坝段的裂缝约有300条。1991年检查发现,一些坝段有强的渗漏水,漏水量为0.03~20.0L/s。

总工程量为:土方开挖680万m3,石方开挖1010万m3,土石方填筑1000万m3,混凝土浇筑908万m3,实际施工高峰人数6000人,混凝土年浇筑最高强度为120万m3,总工期达19年。

萨彦舒申斯克水电站是世界上最大的水电站之一。工程始建于20世纪60年代末期,由于长期运行,基础设施老化严重,而且在运行过 程中陆续发现一些主要设备出现了空化、裂缝、漏油等问题。为了确保电站能继续安全可靠 地运行、延长使用寿命,已经着手进行维护和改造,更换一些陈旧的主要设备,并计划在2011年开始更换水轮机的所有转轮,以使水电站能达到安全运行标准。围绕新设备的研究、设计及制造,开展了调查与试验工作。

责任编辑:刘霄