三門峽水利樞紐

三門峽水利樞紐三門峽水利樞紐

三門峽水利樞紐位于黃河中游下段，河南省三門峽市和山西省平陸縣的邊界河段，控制流域面積68．4萬公里2，占全黃河流域的92％。黃河平均年輸沙量15．7億噸，是世界上泥沙最多的河流。黃河下游河道不斷淤積，高出兩岸地面，成為“地上河”，全靠堤防防洪。黃河洪水又大，對下游廣大平原威脅很大。

圖2三門峽工程一期上游圍堰(尺寸單位：m)

圖3三門峽工程二期上游圍堰(尺寸單位：m)黃河三門峽工程截流是我國50年代最大的一次截流工程，截流時段考慮錯開冰期，選擇在11月15日～12月15日間，設(shè)計截流流量1000m3／s，相當于該時段中水年接近5％頻率的平均流量。導流建筑物為左岸溢流壩段的12個底孔，設(shè)計最終截流落差8.3m。截流設(shè)計利用了河中神門、鬼門二島，在三個泄水道上用不同的方法截流，見圖4。截流順序為，首先選用戧堤進占法截住神門河，落差2.5m，再下閘(臨時閘墩的閘門，下同)封閉神門島泄水道，落差4.1m，最后下閘封堵鬼門島泄水道，最終落差8.3m。實際施工時，黃河流量一直穩(wěn)定在2000m3／s以上，大于設(shè)計流量1倍，而且神門島泄水道臨時閘墩損壞難以使用，在此意外的困難條件下，果斷截流。1958年11月17日起，連續(xù)33h在神門河中拋投了3.2萬m3石渣、700塊3～5t大塊石、80塊重15t混凝土四面體，使神門河合龍成功，截流落差2.97m，最大流速6.75m／s；隨后，又陸續(xù)采用立堵加鋼管攔石柵結(jié)合瞬時爆破法封堵了神門島泄水道，落差達4.37m，下閘截斷鬼門島人工泄水道，最終落差7.08m。圖4三門峽工程神門河截流后導流示意圖（尺寸單位：m）

鋼管下臥：為滿足汛期最低發(fā)電水位300.0m發(fā)電的要求,將鋼管進口高程自300m降低到287.0m,引水鋼管下臥部分總長約49m,系在原有鋼管底部向下開挖而成。為減少壩體孔口開挖尺寸,進水口采用小圓弧喇叭口型式,原工作閘門和檢修閘門位置保留不變。引水道自進口至工作閘門后2m為矩形斷面,其尺寸為7.5m×6.0m(高×寬),其后為長10m漸變段,后接直徑為7.5m圓管,立面以彎曲段與原有鋼管銜接。引水道襯砌及開挖尺寸根據(jù)結(jié)構(gòu)運用受力條件及施工需要確定。檢修門以前為鋼筋混凝土襯砌,工作門槽后為鋼板和鋼筋混凝土聯(lián)合襯砌。為了改善電站壩體結(jié)構(gòu)受力條件,將原鋼管的工作門槽后的空腔回填混凝土,兼擋水作用。工作槽后設(shè)有通氣孔,通氣孔從改建后新安裝的鋼管頂部起,連接原通氣孔。此外,在原引水道進口還增建1道鋼筋混凝土拱型堵頭,用以施工擋水。引水道鋼管改建下臥后與原有鋼管斷面形成上下重疊的大孔口,改變了壩體結(jié)構(gòu)的應力分布。按實體重力壩計算,原壩體的最大主壓應力為1.43MPa,壩體開挖成大孔口后邊墩最大主壓應力達2.08MPa。壩體孔洞周圍的應力分布,在施工期壩體自重作用小,孔口最大拉應力出現(xiàn)在閘門槽后,該處孔頂和孔底邊緣拉應力分別為0.52MPa和0.87MPa。壩體經(jīng)過爆破后混凝土實際抗拉強度約為1.5～2.0MPa,故施工期壩體的安全從整體來說可得以保證。運行期引水道襯砌后,在壩體自重和內(nèi)水壓力作用下,孔口邊緣最大拉應力達1.32MPa,總拉力達3650kN/m?？紤]爆破影響后,混凝土強度安全系數(shù)顯然是不夠的,為此需要襯砌結(jié)構(gòu)中加強配筋,同時增強新老混凝土之間的結(jié)合。襯砌結(jié)構(gòu)采用混凝土與鋼板組合型式,計算時假設(shè)襯砌與壩體聯(lián)合作用,在內(nèi)水壓力作用下,壩體為彈性抗力體,應力與應變符合文克爾假定。在引水道放空時,襯砌在外水壓力或施工期灌漿壓力作用時,則不考慮彈性抗力作用,而將部分外力由新老混凝土之間的灌漿錨筋承擔。根據(jù)計算:在鋼板、鋼筋混凝土和壩體聯(lián)合作用下,鋼管管壁的切向應力很小,80%以上的內(nèi)水壓力傳遞給外圈襯砌和壩體共同承擔。由于在引水道混凝土開挖面埋設(shè)止水和鍵槽,尚不能達到良好的防滲效果,為減輕沿引水道新老混凝土接縫之間的滲漏,改善壩體和襯砌結(jié)構(gòu)應力狀況,設(shè)計了防滲灌漿和排水措施。在襯砌頂部和縫隙較大的部位采用水泥灌漿,其余部位均采用化學灌漿,灌漿最大壓力為0.4MPa。新建進水口攔污柵機組進水口下臥至高程287.0m,原有攔污柵已不起作用,需增建新的攔污柵。新建攔污柵結(jié)構(gòu)采取通欄直墻式布置,機組之間水流可以貫通,當壩前水位為305m,柵前平均流速小于1m/s。每個機組段分4孔,每孔凈寬4.4m,中墩厚1.2m,座落在進水口底板的外伸牛腿上,邊墩厚0.9m,采取特殊措施將基礎(chǔ)嵌固在迎水壩坡上。柵墩總高29.0m,頂部設(shè)有清污工作平臺,平臺高程為316.2m,汛期一般露出水面。平臺下游側(cè)建有排污溜槽和支承結(jié)構(gòu),考慮柵墩將承受不均衡的側(cè)向水壓力和地震力,分別在高程289.5、307.0m和柵墩聯(lián)成“三層四跨”的框架結(jié)構(gòu)。原設(shè)計準備在每個機組的中間2孔安裝平板式轉(zhuǎn)柵清污機,旁邊2孔安裝格柵式平板柵,已經(jīng)試制1臺轉(zhuǎn)柵清污機后,因存在問題,一直未投入運用。實際運用全部采用平板柵。吸取黃河上已建水電站的運行經(jīng)驗,在保證機組安全運用的前提下,采取適當加大柵距,讓水草盡可能通過機組泄向下游,以減輕壩前清污負擔,柵距選用220mm。原攔污柵框架結(jié)構(gòu)是依附于壩體的空間桿系結(jié)構(gòu)。為了滿足新建攔污柵起吊、搬運和清污的需要,在原建攔污柵框架高程337.5m平臺上增設(shè)150t移動式懸伸吊起重機。計算表明,當空車遇地震時,在垂直水流方向地震作用下,地震慣性力大部分由平臺承擔,但高程337.5m平臺原有混凝土板較薄,整體性差,平臺梁系和各個中墩原有強度不能滿足要求。在順水流方向地震作用下或剎車時,軌道大梁支座及337.5m平臺大梁將會產(chǎn)生很大力矩和軸向拉力。為此,在平臺上鋪筑1層厚度為15cm鋼筋混凝土板,將原大梁加高60cm,形成新老混凝土疊合梁,以提高板、梁的抗側(cè)移剛度。此外,將高程307m以下原進水口堵頭前三角體空間部位回填混凝土以加強原柵墩基礎(chǔ)強度。主廠房及主要開關(guān)站布置：廠房為壩后式,主廠房與大壩間設(shè)有伸縮縫。機組間距23m,安裝間長33.45m,廠房總長度為223.88m,總高度為47.8m。廠房除二期混凝土外,大部分土建工程已完成。原機組的水下部分寬度為40.5m,機坑底高程為273.0～274.0m,尾水管底部高程為263.06m,故機組段水下部分的高度為27.5m。尾水管為4H型,擴散段分為2孔,尾水平臺上配有1臺2×50t尾水閘門啟閉機。進廠鐵路、公路、發(fā)電機層和安裝場地面高程均為289.5m,廠房水上部分為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),高18.3m。廠內(nèi)已安裝1臺跨度為21m,容量為350/75t橋式起重機。廠壩間為主變壓器場地,副廠房緊靠安裝場右端墻。改建后廠房內(nèi)安裝5臺單機容量為50MW軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機組。發(fā)電機層高程仍保持289.5m,水輪機層高程為284.0m,水輪機安裝高程為275.2m,金屬蝸殼中心高程為277.5m,與原有鋼管中心一致,蝸殼采用焊接組裝,包角=346°30′,蝸殼入口斷面直徑6.68m,進口流速受機組段尺寸限制達5.43m/s。鑒于三門峽水庫汛期水中攜帶大量泥沙和水草,為減輕水草、泥沙淤堵威脅,從工程已建成實際情況考慮,經(jīng)多方研究在蝸殼上開孔增設(shè)叉管的措施。叉管位于廠房第象限,由開孔處內(nèi)徑2.8m,漸變到2.2m,爾后再由圓形漸變至矩形。出口尺寸為1.5m×1.9m(寬×高),出口設(shè)有控制閘門。水流經(jīng)挑流鼻坎將水草、泥沙排至下游尾水。為提高鋼管內(nèi)壁的抗磨蝕能力,在叉管的內(nèi)壁和出口段抹環(huán)氧砂漿抗磨層,在鼻坎混凝土面鋪砌輝綠巖鑄石板。根據(jù)黃河水含沙量大,水草懸浮物多,工業(yè)用水量大,地下水源不足的情況,發(fā)電機冷卻采用開敞通風和密閉自循環(huán)渾水冷卻2種方式。為了開敞通風需要,在發(fā)電機風罩外圍又設(shè)排風通道,冷風經(jīng)風罩上排風口及下蓋板的進風口吸入,熱風由風罩上排風口經(jīng)排風道排至廠房下游。為避免熱風倒灌廠內(nèi),電廠近來進行了改造,排風通道引伸至屋頂排出。機組設(shè)置2套供水系統(tǒng),其中渾水供水系統(tǒng)水源取自每臺機組的蝸殼,每臺機組配備1套清污濾水器。清水供水系統(tǒng)水源取自地下水,主要是在汛期和含沙量較大時,提供發(fā)電機推力軸承、上導、水導的冷卻。廠房內(nèi)風、水、油管路布置在水輪機層的下游側(cè),電纜溝設(shè)于高程284.0m地面下。改建設(shè)計要求樞紐汛期在一般洪水情況下敞泄,遇特大洪水時根據(jù)下游水情進行控泄。電站下游設(shè)防標準定為100年一遇,由調(diào)洪計算得知廠房尾水位已超過進廠鐵路和尾水平臺的地面高程,并將淹沒主廠房,為此,在廠區(qū)范圍內(nèi)采取防淹、防滲和防倒灌等措施。廠壩間主變場地共布置4臺變壓器,其中1、2號機組和3、4號機組分別為兩機一變擴大單元方式接入110kV電壓母線;5號機組以一機一變單元方式接入220kV電壓母線,另1臺為聯(lián)接110kV和220kV母線的自耦聯(lián)絡(luò)變壓器。為使輸出負荷與電網(wǎng)潮流分布相適應,減少供電損耗,通過運行后將4號和5號機組組成擴大單元接入220kV。110kV現(xiàn)開關(guān)站位于副廠房右側(cè),場地為預制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。主母線采取雙層布置,上層高程為302m,下層高程為292.0m有2回出線,提供三門峽市區(qū)生產(chǎn)、生活用電。220kV開關(guān)站設(shè)在廠房右側(cè)高程342.0m黃土臺地上,采用單母線分段帶旁路母線結(jié)線方式。出線2回,1回接至洛陽,1回為備用。機組運行及存在的問題電站自1973年第1臺機組投入運行以來,已累計發(fā)電約220億kW·h,為豫西地區(qū)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展作出了貢獻。由于黃河高含沙量特點,含沙水流對水輪機的磨蝕十分突出,為改善機組運行工況,自1980年以后改為非汛期運行,汛期一般不發(fā)電,只安排機組檢修和調(diào)相運行。電站在運行中曾暴露不少問題,隨著運行和管理水平的提高而逐步得到解決,目前機組存在的主要問題是:(1)汛期運行水輪機過流部件磨蝕嚴重。曾經(jīng)采取一些抗磨蝕措施,如在葉片表面涂敷環(huán)氧金鋼砂抗磨層,對葉片正面抗磨效果顯著,但在氣蝕嚴重部位涂層大部分脫落。在氣蝕和磨損的聯(lián)合作用下,葉片背面和轉(zhuǎn)輪室中環(huán)球部鋪焊的不銹鋼板均被侵蝕掉,而且連母材亦遭受嚴重侵蝕。(2)葉片產(chǎn)生裂紋。1988年汛期曾對5臺機組進行全面檢查,發(fā)現(xiàn)31個葉片有裂紋,裂紋產(chǎn)生的部位在葉片的出水邊根部,裂紋長度達200～400mm,個別葉片出現(xiàn)斷裂。1989年開始陸續(xù)對機組更換不銹鋼葉片,但由于葉型和運行工況沒有改變,因此,并沒有從根本上解決葉片的裂紋問題,這已成為近幾年來影響機組正常運行的主要問題。水電站擴建工程：三門峽水電站是河南省電力系統(tǒng)僅有的1座大型水電站,系統(tǒng)缺少調(diào)峰機組,因此電站已成為系統(tǒng)安全運行的一個重要環(huán)節(jié)。5臺機組平均年發(fā)電量為10億kW·h,盡管每臺機組平均運行已超過4000h。由于機組裝機容量偏小,在非汛期水庫仍有大量棄水,據(jù)統(tǒng)計每年發(fā)電用水僅為非汛期入庫水量的70%,平均每年棄水約40億m3,而系統(tǒng)電力供應緊張,現(xiàn)有機組運行工況差,潛伏著運行不安全因素。為了充分利用非汛期棄水,增發(fā)電能,并為現(xiàn)有機組更新改造和恢復汛期發(fā)電創(chuàng)造條件,1990年水利部批準工程立項,擴建2臺單機容量為75MW混流式水輪發(fā)電機組,工程分2期進行,第1期工程改建2臺機組的進水口和廠房內(nèi)部開挖,在6號機坑安裝水輪發(fā)電機組,同步建設(shè)三門峽至五源220kV環(huán)網(wǎng)線路,6號機組于1993年初開工,1994年4月并網(wǎng)發(fā)電。1995年初第2期工程擴建7號機組相繼開工,1997年3月發(fā)電。擴建2臺機組年平均增發(fā)電能2.2億kW·h,年利用1470h。擴建工程是以不改變樞紐現(xiàn)有運行方式,不影響水庫防洪、防凌、供水和發(fā)電效益,充分利用非汛期棄水發(fā)電為原則。將原已改建的6號和7號泄流排沙鋼管挖除,恢復原有機坑安裝水輪發(fā)電機組。由于原電站進水口底坎高程為300.0m,不能滿足非汛期一般水位310.0m發(fā)電進水要求,如采取降低進水口底坎高程,不僅工程量大,施工困難,而且嚴重影響水庫運用,因此擴建機組按汛期不發(fā)電,非汛期發(fā)電運行方式選擇機型。為滿足非汛期最低水位310m安全運行,進水口也進行了改建,即將原有工作閘門孔口7.5m×12m(寬×高)壓縮為7.5m×7.0m。三門峽水庫采取“蓄清排渾”運用方式,非汛期防凌最高蓄水位為326.0m,春灌蓄水位為324m,一般月份水位為310m。擴機的特征水頭為最大水頭48.3m,最小水頭28.1m,加權(quán)平均水位為37.6m。由于擴機只在非汛期運行,水頭變幅小,含沙量少,經(jīng)廣泛比選,認為混流式機型較軸流式機型結(jié)構(gòu)簡單,維修方便,在現(xiàn)有機坑尺寸制約下,在相同水頭時可增加裝機容量5000～10000kW,故而選用混流式機型。水輪機型號為HL(820)-LJ-550,額定水頭36m,轉(zhuǎn)速88.2r/min,額定流量232.5m3/s。發(fā)電機型號SF75-68/11350,為使機組多發(fā)電量,發(fā)電機允許在不超過1.15倍額定功率下連續(xù)過載運行,最大出力達86.25MW。主廠房發(fā)電機層高程為289.5m,水輪機層高程為284.0m,與1～5號機組一致。廠房內(nèi)新增1臺2×200t雙小車橋式吊車,承擔新裝機組的安裝和維修任務(wù)。發(fā)電機采用密閉雙向再循環(huán)冷卻系統(tǒng),發(fā)電機母線出線位于上游側(cè),經(jīng)母線廊道向上引至廠壩之間主