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潘家口水利枢纽的设计经验论文
摘要：文章总结了在潘家口枢纽设计中对枢纽布置、电站水头变幅巨大、下池库内往反水流、水资源开发方式等重大技术问题、处理措施以及所采用的新技术，加宽尾墩式溢流坝、裸露式碾压混凝土坝、变速运行等设计经验。
关键词：水利枢纽混合式抽水蓄能电站宽尾墩式溢流坝变速运行碾压混凝土
1设计中的几个重大技术问题
1.1枢纽布置
枢纽布置是整个枢纽设计的关键技术问题之一。
在初步设计批准后，我院在清华大学及本院科研所进行了6个水工模型、5个方案的试验研究，验证了初步设计所推荐的枢纽布置是最优方案，即右岸坝后式水电站的枢纽布置具有布置紧凑、管理运行方便、施工简单、投资省、上下游流态可基本满足运行要求。该方案又经长期的、大量的整体及断面水工模型试验研究后，进一步完善了枢纽布置：
主坝泄洪建筑物由表孔和底孔组成，最大泄洪流量为56200m3／s，表孔共18孔，孔宽15m，挑流消能。4个泄洪底孔为深式一短管、明流槽以及挑流消能。由于施工的需要，将底孔由电站左侧迁移至表孔中部，表孔则分两段布置即右7孔、左11孔，两段中间布置泄洪底孔。
溢流坝闸墩由流线型改为平尾墩、左3孔又改为宽尾墩、通过试验将挑流鼻坎高程抬高了3m，增加挑射角至30°等措施，达到了充分消能的目的，改善了左岸回流淘刷坝趾和下游冲刷。溢洪道右端导墙加设了导向墩，电站左导墙加长80m，加长部分左折20°。这些措施避免了对厂房的冲击，改善对尾水渠左导墙的冲刷，并大大减少了尾水渠出口淤积，为电站运行提供可靠的保证。
潘家口电站是一座混合式抽水蓄能电站，装机4台，其中1台150MW常规机组、3台90MW抽水蓄能机组。这座电站是我国目前最大的混合式抽水蓄能电站，其特点：一是电站水头变幅巨大；二是常机组布置在同一个厂房内；三是蓄能机组需要安装在一期工程形成在厂房内；四是设备多、且某些设备还有特殊的要求。这些特点和要求，给机组制造与厂房布置带来复杂性。经过周密的布置和详细研究，并与厂家协商，对机组的结构做了修正和调整，才满了运行和设计要求。
保坝措施经技术经济比较，选择了加高大坝2.5m，枢纽泄流能力提高15％，最大泄量为56200m3/s。而枢纽增加投资仅占总投资的2％。因此该方案是经济合理的、也是可靠的。
1.2关于水库诱发地震的研究
潘家口坝址与库区有东西向、北东向及弧形构造会入，构造复杂，又有历史地震的记录。根据联合国教科文组织的规定，我院开展了关于水库诱发地震的研究，通过扩大的地质测绘、遥感、精密水准测量、地应力测试、地震台网的监测，10余年来还未观测到水库诱发地震的迹象。但根据国内外工程经验，今后还应加强监测工作。
1.3关于碱活性骨料的研究
本料场的混凝土天然骨料，通过调查发现有燧石、凝灰岩、流纹岩、粗石岩、蛋白石、安山岩等活性骨料，约占总量的30％，诵过岩相鉴定及化学法试验确定，属有害的碱活性反应的材料。为此，又进行了长度法试验。试验结果证明砂、骨料均不产生过量的膨胀，可评价为非活性骨料。由于缺乏骨料在混凝土中使用的经验，为安全可靠，设计仍用抚顺低碱大坝水泥及掺粉煤灰等抑制措施。经近20年的运行均未见异常。
1.4下池库内往返水流
混合式抽水蓄能电站下池布置在滦河干流上，因此需满足泄洪要求，即建筑物应能抗御大洪水冲淤的作用。下池工程为三级建筑物，要求抵御28000m3／s的大洪水冲击以及淤积造成的不利影响。为此电站左导墙按折线布置，挖除左岸滩地约100万m3砂石，大大改善了尾水渠出口淤积问题。经包括上下池整体水工模型试验，证明大洪水过后，下池有效库容损失约10％左右，而实际设计已留有足够的余地，因此运行是可靠的，设计也是成功的。
1.5水资源开发与经济效益。
由于京津唐地区缺水严重，因此水资源开发与利用成为当时的一个核心问题，引起各方面的关注。在审查潘家口初设时，华北电管局明确提出在原供水、防洪及季节性电站的基础上，在可能条件下，增设3×90MW抽水蓄能机组扩大装机容量，使季节性电站变为混合式抽水蓄能电站。其优点：（1）结合供水发电，发电不降低供水的效益；（2）可避免在枯水时段或不需要供水时出力受阻甚至停机；（3）常蓄机组互补，可增加尖峰发电量，减少输入电量，提高机组的综合效率；（4）由于增设抽水蓄能机组，大大改善了电站在系统中的地位和作用。提高对系统的调节能力，具有明显的调频效应，为系统提供了一个可靠的调峰电源。量增加了3.87倍，总峰荷电量达4.838亿kW·h.峰荷电量大幅度增长的原因：抽水发电2.307亿kW·h，另外在系统中填谷210～270MW，解放了火电机组调峰500MW。这种混合式水电资源开发的经济效益是十分明显的。
2设计中采用的新技术
2.1坝型
主坝采用了低宽缝重力坝，这种坝型是由宽缝重力坝发展而来的。为了区别，可视一般宽缝重力坝为高宽缝重力坝。高宽缝为坝高的1／2。低宽缝重力坝缝腔高为坝高的1／3。其次是缝腔的体形不同，低宽缝尽量避免倒模板，将上下游缝腔的坡度改为竖直坡。这种坝型的优点是：（1）较实体重力坝节省工程量10％；（2）保留了高宽缝重力坝的优点如降低扬压力，便于检修、坝体冷却，便于基础排水和排水设施的布置，便于使用预制模板等；（3）封腔早，便于机械施工、提高工效、加快进度。
2.2宽尾墩式溢流坝
宽尾墩式溢流坝是由一般带挑流鼻坎消能工的溢流坝发展而来的。即由一般溢流坝加宽尾墩形成宽尾墩式溢流坝。这是我院科技人员在国内外首创的一种消能工。在闸室内宽尾墩强迫水流收缩成水冠，过闸室后水冠扩散，在反弧段内，宽尾墩两侧高速水流相撞，充分掺气，形成高低坎消能效果，增大入水角和扩散面，减弱冲刷能力，达到充分消能的目的，采用宽尾墩后当泄5000年一遇洪水时，坝下冲刷变淤积，消能效果明显，保证了大坝泄洪时安全运行。
2.3裸露式具有抗冻性的碾压混凝土重力坝
下池左岸挡水坝段经过技术经济比较，以碾压混凝土重力坝代替了常态混凝土重力坝，取消了常态混凝土保护层。碾压混凝土直接接触空气和水，并且要与常态混凝土坝一样，要经受一切大自然如阳光、温度、水的作用等。由于下池处于寒冷区，水位日变幅5.5m，因此要求坝体水位变动区应达到150次冻融循环，其它部位也应达到50次抗冻要求。设计采取了以下措施：（1）总胶凝材料用量177～145kg／m3，水泥用量122～94kg／m3。（2）混凝土内掺用复合外加剂，使碾压混凝土含气量达到4～6％。（3）施工过程中在上下游坝面喷洒胶凝剂，加强了层间结合，使坝体达到一定的抗渗性。
另外简化了断面，取消了廊道、上游直坡、下游阶梯状斜坡等，以适应碾压要求。
这座裸露式具有抗冻性碾压混凝土重力坝，最大坝高24.5m，坝顶长275m，横缝间距57m。该坝已建成5年，运行正常，是国内外首例，对碾压混凝土筑坝技术的发展具有一定的开创性。
2.4机组变速运行
为了适应水头变幅巨大的运行要求，在引进蓄能机组的过程中，经与厂家研究，采用变极双速机组，起动变频器扩大容量为60MW，串连在机组与主变之间，即可实现水泵起动和变速运行，这种定子接线60MW变速运行机组在国内外是首例。60MW变频器能保证蓄能机组在发电工况（36～53m），水泵工况（36～79m）内以最佳转速在高效区运行。机组效率提高：发电工况12％，水泵工况19.2％。机组综合效率由60％提高到80％，替代容量增加15％，气蚀振动大人减轻，提高了机组的寿命。
2.5碾压混凝土路面
潘家口水利枢纽对外交通7.2km，其中5.9km路段采用碾压混凝土筑路技术。经过试验研究，将干砂浆（无坍落度砂浆）应用于碾压混凝土路面，保证了路面平整不露石子，提高了路面力学强度和耐磨性，成为国内外首创筑路新工艺。全碾压式一级配混凝土、表面铺干砂浆厚5～10mm，一次碾压成高级路面。
2.6水电站主厂房防火的改进措施
电站防火设计经过唐山市消防支队的审查，设计符合国家、部颁设计规范的要求，并有所创新，国内外首次采用的改进措施：
（1）常开门式封闭楼梯。（2）挡烟垂壁，在机组段之间横梁（梁高0.6m）下设轻钢龙骨，外侧固定石膏板，挡烟垂高0.9m，总壁高1.5m，保护电缆效果明显；（3）自动报警与手动报警相结合；（4）电缆夹层采用固定式卤代烷灭火系统。以上四项措施对厂房结构改动很小、投资少、易实施、效果明显，提高了防火安全性和可靠性。
3提高效益的设想
3.1为了进一步发挥混合式抽水蓄能电站的效益，建议再引进两台60MW变频器。
3.2抬高运行水位
由于在大坝设计中已适当留有余地，可考虑抬高水位运行，每抬高1m，即可增加5000万m3的有效库容。这一措施，效益很高，可在适当时机在不影响大坝安全运行的前提下，予以实施。
3.3在引滦供水系统中，除潘家口之外，还有大黑汀、于桥、邱庄、陡河水库等，已形成一个关系密切的供水网络，建议在不增加投资的条件下，加强调度与管理，即可达到多蓄水，提高供水效益的目的。如潘家口与大黑汀水库联合运用可多调节水量1.2亿m3，如五库联合运用，其效益更为可观。
3.4进一步发挥水库排沙对下游入海口冲刷的作用
潘家口水库有4个底孔，这4个底孔泄量尚不能满足现行规范的要求，应该充分发挥现有底孔排沙作用。经过科学计算和研究后在汛期低水位时，在有准备的条件下，泄水拉沙，隔几年进行一次以提高水库寿命。这一措施带来的另一个好处是：利用人造洪峰对入海口进行冲刷，防止海口淤积。
参考文献
1潘家口混合式抽水蓄能电站、曹楚生.1990年4月国际抽水蓄能会议论集。
2一期工程概述.曾楚生.李成乾，水利水电工程.1986年2期
3混合式抽水蓄能电站布置.魏恒德.李启业.水利水电工程.1986年2期
4枢纽布置的研究.李成乾.水利水电工程.1986年2期5水头变幅很大的抽水蓄能电站运行方式的探讨.袁淼.杨志申.蔡体安.李建国.水利水电工程.1990年4期
6潘家口对外交通公路碾压混凝土路面研究.李成乾.水利水电工程.1992年3期
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