三門(mén)峽水利樞紐

三門(mén)峽水利樞紐三門(mén)峽水利樞紐

三門(mén)峽水利樞紐位于黃河中游下段，河南省三門(mén)峽市和山西省平陸縣的邊界河段，控制流域面積68．4萬(wàn)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(duì)下游廣大平原威脅很大。

圖2三門(mén)峽工程一期上游圍堰(尺寸單位：m)

圖3三門(mén)峽工程二期上游圍堰(尺寸單位：m)黃河三門(mén)峽工程截流是我國(guó)50年代最大的一次截流工程，截流時(shí)段考慮錯(cuò)開(kāi)冰期，選擇在11月15日～12月15日間，設(shè)計(jì)截流流量1000m3／s，相當(dāng)于該時(shí)段中水年接近5％頻率的平均流量。導(dǎo)流建筑物為左岸溢流壩段的12個(gè)底孔，設(shè)計(jì)最終截流落差8.3m。截流設(shè)計(jì)利用了河中神門(mén)、鬼門(mén)二島，在三個(gè)泄水道上用不同的方法截流，見(jiàn)圖4。截流順序?yàn)椋紫冗x用戧堤進(jìn)占法截住神門(mén)河，落差2.5m，再下閘(臨時(shí)閘墩的閘門(mén)，下同)封閉神門(mén)島泄水道，落差4.1m，最后下閘封堵鬼門(mén)島泄水道，最終落差8.3m。實(shí)際施工時(shí)，黃河流量一直穩(wěn)定在2000m3／s以上，大于設(shè)計(jì)流量1倍，而且神門(mén)島泄水道臨時(shí)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(mén)河中拋投了3.2萬(wàn)m3石渣、700塊3～5t大塊石、80塊重15t混凝土四面體，使神門(mén)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(shí)爆破法封堵了神門(mén)島泄水道，落差達(dá)4.37m，下閘截?cái)喙黹T(mén)島人工泄水道，最終落差7.08m。圖4三門(mén)峽工程神門(mén)河截流后導(dǎo)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(jìn)口高程自300m降低到287.0m,引水鋼管下臥部分總長(zhǎng)約49m,系在原有鋼管底部向下開(kāi)挖而成。為減少壩體孔口開(kāi)挖尺寸,進(jìn)水口采用小圓弧喇叭口型式,原工作閘門(mén)和檢修閘門(mén)位置保留不變。引水道自進(jìn)口至工作閘門(mén)后2m為矩形斷面,其尺寸為7.5m×6.0m(高×寬),其后為長(zhǎng)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(kāi)挖尺寸根據(jù)結(jié)構(gòu)運(yùn)用受力條件及施工需要確定。檢修門(mén)以前為鋼筋混凝土襯砌,工作門(mén)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(mén)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(jìn)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(yīng)力分布。按實(shí)體重力壩計(jì)算,原壩體的最大主壓應(yīng)力為1.43MPa,壩體開(kāi)挖成大孔口后邊墩最大主壓應(yīng)力達(dá)2.08MPa。壩體孔洞周圍的應(yīng)力分布,在施工期壩體自重作用小,孔口最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在閘門(mén)槽后,該處孔頂和孔底邊緣拉應(yīng)力分別為0.52MPa和0.87MPa。壩體經(jīng)過(guò)爆破后混凝土實(shí)際抗拉強(qiáng)度約為1.5～2.0MPa,故施工期壩體的安全從整體來(lái)說(shuō)可得以保證。運(yùn)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(yīng)力達(dá)1.32MPa,總拉力達(dá)3650kN/m?？紤]爆破影響后,混凝土強(qiáng)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(qiáng)配筋,同時(shí)增強(qiáng)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(jì)算時(shí)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(yīng)力與應(yīng)變符合文克爾假定。在引水道放空時(shí),襯砌在外水壓力或施工期灌漿壓力作用時(shí),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(dān)。根據(jù)計(jì)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(yīng)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(dān)。由于在引水道混凝土開(kāi)挖面埋設(shè)止水和鍵槽,尚不能達(dá)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(yīng)力狀況,設(shè)計(jì)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(xué)灌漿,灌漿最大壓力為0.4MPa。新建進(jìn)水口攔污柵機(jī)組進(jìn)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(jī)組之間水流可以貫通,當(dāng)壩前水位為305m,柵前平均流速小于1m/s。每個(gè)機(jī)組段分4孔,每孔凈寬4.4m,中墩厚1.2m,座落在進(jìn)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(tái),平臺(tái)高程為316.2m,汛期一般露出水面。平臺(tái)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(jì)準(zhǔn)備在每個(gè)機(jī)組的中間2孔安裝平板式轉(zhuǎn)柵清污機(jī),旁邊2孔安裝格柵式平板柵,已經(jīng)試制1臺(tái)轉(zhuǎn)柵清污機(jī)后,因存在問(wèn)題,一直未投入運(yùn)用。實(shí)際運(yùn)用全部采用平板柵。吸取黃河上已建水電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),在保證機(jī)組安全運(yùn)用的前提下,采取適當(dāng)加大柵距,讓水草盡可能通過(guò)機(jī)組泄向下游,以減輕壩前清污負(fù)擔(dān),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(yùn)和清污的需要,在原建攔污柵框架高程337.5m平臺(tái)上增設(shè)150t移動(dòng)式懸伸吊起重機(jī)。計(jì)算表明,當(dāng)空車遇地震時(shí),在垂直水流方向地震作用下,地震慣性力大部分由平臺(tái)承擔(dān),但高程337.5m平臺(tái)原有混凝土板較薄,整體性差,平臺(tái)梁系和各個(gè)中墩原有強(qiáng)度不能滿足要求。在順?biāo)鞣较虻卣鹱饔孟禄騽x車時(shí),軌道大梁支座及337.5m平臺(tái)大梁將會(huì)產(chǎn)生很大力矩和軸向拉力。為此,在平臺(tái)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(jìn)水口堵頭前三角體空間部位回填混凝土以加強(qiáng)原柵墩基礎(chǔ)強(qiáng)度。主廠房及主要開(kāi)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(jī)組間距23m,安裝間長(zhǎng)33.45m,廠房總長(zhǎng)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(jī)組的水下部分寬度為40.5m,機(jī)坑底高程為273.0～274.0m,尾水管底部高程為263.06m,故機(jī)組段水下部分的高度為27.5m。尾水管為4H型,擴(kuò)散段分為2孔,尾水平臺(tái)上配有1臺(tái)2×50t尾水閘門(mén)啟閉機(jī)。進(jìn)廠鐵路、公路、發(fā)電機(jī)層和安裝場(chǎng)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(tái)跨度為21m,容量為350/75t橋式起重機(jī)。廠壩間為主變壓器場(chǎng)地,副廠房緊靠安裝場(chǎng)右端墻。改建后廠房?jī)?nèi)安裝5臺(tái)單機(jī)容量為50MW軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)層高程仍保持289.5m,水輪機(jī)層高程為284.0m,水輪機(jī)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(jìn)口流速受機(jī)組段尺寸限制達(dá)5.43m/s。鑒于三門(mén)峽水庫(kù)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(shí)際情況考慮,經(jīng)多方研究在蝸殼上開(kāi)孔增設(shè)叉管的措施。叉管位于廠房第象限,由開(kāi)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(mén)。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(jī)冷卻采用開(kāi)敞通風(fēng)和密閉自循環(huán)渾水冷卻2種方式。為了開(kāi)敞通風(fēng)需要,在發(fā)電機(jī)風(fēng)罩外圍又設(shè)排風(fēng)通道,冷風(fēng)經(jīng)風(fēng)罩上排風(fēng)口及下蓋板的進(jìn)風(fēng)口吸入,熱風(fēng)由風(fēng)罩上排風(fēng)口經(jīng)排風(fēng)道排至廠房下游。為避免熱風(fēng)倒灌廠內(nèi),電廠近來(lái)進(jìn)行了改造,排風(fēng)通道引伸至屋頂排出。機(jī)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(tái)機(jī)組的蝸殼,每臺(tái)機(jī)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(shí),提供發(fā)電機(jī)推力軸承、上導(dǎo)、水導(dǎo)的冷卻。廠房?jī)?nèi)風(fēng)、水、油管路布置在水輪機(jī)層的下游側(cè),電纜溝設(shè)于高程284.0m地面下。改建設(shè)計(jì)要求樞紐汛期在一般洪水情況下敞泄,遇特大洪水時(shí)根據(jù)下游水情進(jìn)行控泄。電站下游設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)定為100年一遇,由調(diào)洪計(jì)算得知廠房尾水位已超過(guò)進(jìn)廠鐵路和尾水平臺(tái)的地面高程,并將淹沒(méi)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(chǎng)地共布置4臺(tái)變壓器,其中1、2號(hào)機(jī)組和3、4號(hào)機(jī)組分別為兩機(jī)一變擴(kuò)大單元方式接入110kV電壓母線;5號(hào)機(jī)組以一機(jī)一變單元方式接入220kV電壓母線,另1臺(tái)為聯(lián)接110kV和220kV母線的自耦聯(lián)絡(luò)變壓器。為使輸出負(fù)荷與電網(wǎng)潮流分布相適應(yīng),減少供電損耗,通過(guò)運(yùn)行后將4號(hào)和5號(hào)機(jī)組組成擴(kuò)大單元接入220kV。110kV現(xiàn)開(kāi)關(guān)站位于副廠房右側(cè),場(chǎng)地為預(yù)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(mén)峽市區(qū)生產(chǎn)、生活用電。220kV開(kāi)關(guān)站設(shè)在廠房右側(cè)高程342.0m黃土臺(tái)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(yáng),1回為備用。機(jī)組運(yùn)行及存在的問(wèn)題電站自1973年第1臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行以來(lái),已累計(jì)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(xiàn)。由于黃河高含沙量特點(diǎn),含沙水流對(duì)水輪機(jī)的磨蝕十分突出,為改善機(jī)組運(yùn)行工況,自1980年以后改為非汛期運(yùn)行,汛期一般不發(fā)電,只安排機(jī)組檢修和調(diào)相運(yùn)行。電站在運(yùn)行中曾暴露不少問(wèn)題,隨著運(yùn)行和管理水平的提高而逐步得到解決,目前機(jī)組存在的主要問(wèn)題是:(1)汛期運(yùn)行水輪機(jī)過(guò)流部件磨蝕嚴(yán)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(duì)葉片正面抗磨效果顯著,但在氣蝕嚴(yán)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(yán)重侵蝕。(2)葉片產(chǎn)生裂紋。1988年汛期曾對(duì)5臺(tái)機(jī)組進(jìn)行全面檢查,發(fā)現(xiàn)31個(gè)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(zhǎng)度達(dá)200～400mm,個(gè)別葉片出現(xiàn)斷裂。1989年開(kāi)始陸續(xù)對(duì)機(jī)組更換不銹鋼葉片,但由于葉型和運(yùn)行工況沒(méi)有改變,因此,并沒(méi)有從根本上解決葉片的裂紋問(wèn)題,這已成為近幾年來(lái)影響機(jī)組正常運(yùn)行的主要問(wèn)題。水電站擴(kuò)建工程：三門(mén)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(jī)組,因此電站已成為系統(tǒng)安全運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。5臺(tái)機(jī)組平均年發(fā)電量為10億kW·h,盡管每臺(tái)機(jī)組平均運(yùn)行已超過(guò)4000h。由于機(jī)組裝機(jī)容量偏小,在非汛期水庫(kù)仍有大量棄水,據(jù)統(tǒng)計(jì)每年發(fā)電用水僅為非汛期入庫(kù)水量的70%,平均每年棄水約40億m3,而系統(tǒng)電力供應(yīng)緊張,現(xiàn)有機(jī)組運(yùn)行工況差,潛伏著運(yùn)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(jī)組更新改造和恢復(fù)汛期發(fā)電創(chuàng)造條件,1990年水利部批準(zhǔn)工程立項(xiàng),擴(kuò)建2臺(tái)單機(jī)容量為75MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組,工程分2期進(jìn)行,第1期工程改建2臺(tái)機(jī)組的進(jìn)水口和廠房?jī)?nèi)部開(kāi)挖,在6號(hào)機(jī)坑安裝水輪發(fā)電機(jī)組,同步建設(shè)三門(mén)峽至五源220kV環(huán)網(wǎng)線路,6號(hào)機(jī)組于1993年初開(kāi)工,1994年4月并網(wǎng)發(fā)電。1995年初第2期工程擴(kuò)建7號(hào)機(jī)組相繼開(kāi)工,1997年3月發(fā)電。擴(kuò)建2臺(tái)機(jī)組年平均增發(fā)電能2.2億kW·h,年利用1470h。擴(kuò)建工程是以不改變樞紐現(xiàn)有運(yùn)行方式,不影響水庫(kù)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(hào)和7號(hào)泄流排沙鋼管挖除,恢復(fù)原有機(jī)坑安裝水輪發(fā)電機(jī)組。由于原電站進(jìn)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(jìn)水要求,如采取降低進(jìn)水口底坎高程,不僅工程量大,施工困難,而且嚴(yán)重影響水庫(kù)運(yùn)用,因此擴(kuò)建機(jī)組按汛期不發(fā)電,非汛期發(fā)電運(yùn)行方式選擇機(jī)型。為滿足非汛期最低水位310m安全運(yùn)行,進(jìn)水口也進(jìn)行了改建,即將原有工作閘門(mén)孔口7.5m×12m(寬×高)壓縮為7.5m×7.0m。三門(mén)峽水庫(kù)采取“蓄清排渾”運(yùn)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(kuò)機(jī)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(kuò)機(jī)只在非汛期運(yùn)行,水頭變幅小,含沙量少,經(jīng)廣泛比選,認(rèn)為混流式機(jī)型較軸流式機(jī)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維修方便,在現(xiàn)有機(jī)坑尺寸制約下,在相同水頭時(shí)可增加裝機(jī)容量5000～10000kW,故而選用混流式機(jī)型。水輪機(jī)型號(hào)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(jī)型號(hào)SF75-68/11350,為使機(jī)組多發(fā)電量,發(fā)電機(jī)允許在不超過(guò)1.15倍額定功率下連續(xù)過(guò)載運(yùn)行,最大出力達(dá)86.25MW。主廠房發(fā)電機(jī)層高程為289.5m,水輪機(jī)層高程為284.0m,與1～5號(hào)機(jī)組一致。廠房?jī)?nèi)新增1臺(tái)2×200t雙小車橋式吊車,承擔(dān)新裝機(jī)組的安裝和維修任務(wù)。發(fā)電機(jī)采用密閉雙向再循環(huán)冷卻系統(tǒng),發(fā)電機(jī)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