收稿日期:2014 －09 －03 作者简介:林旭新 ( 1962 － ) ，男，教授级高级工程师，主 要从事中小水电站的规划设计、中小河流水能 开发规划、技术咨询、工程评估等工作。 E － mail:
[email protected] hrcshp. org 南伟水电站设计点评及缺陷处理 林旭新，周丽娜 ( 水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012) 摘要:南伟水电站是 1 座利用已建水库开发的坝后式小水电站，开发条件很好，但由于设计单位没选好，且设计方 案没有得到审批就开工，施工也不规范，所有问题在设备安装和充水调试时都暴露出来，业主为此付出巨大代价。通过分 析对相关缺陷进行了重新设计和处理，取得很好的效果。 关键词:小水电站;设计;枢纽布置;缺陷处理 1工程概况 南伟水电站位于海南省白沙县南开乡境内的南 渡江上游段，即南开河的中游，坝址位于南开河与 其支流南美河汇合口下游1. 5 km处，厂房位于拦河 坝左岸下游300 m的河边，距白沙县县城约17 km。 南伟水库建于 20 世纪 60 年代，水库以灌溉为 主，担负着12 000亩农田的自流灌溉。坝址集水面 积403. 66 km2， 多年平均年入库水量 3. 87 亿 m3 ， 水 库正常蓄水位( 229. 5 m) 以下库容 350 万 m3， 发电 调节库容 48. 5 万 m3， 调节性能为日调节。由于水 库实际灌溉面积只有8 700 亩， 灌溉用水量只有 800 万 m3左右，98% 的水量没有得到有效利用，每年 有大量的水从溢洪道白白流掉，大坝上下游落差 20 m以上，浪费了宝贵的水能资源。由于主要的 枢纽建筑物 ( 水库)已建成并得到除险加固，因 此南伟水电站工程建设投资少，对环境的影响小， 不占用耕地和无移民搬迁，开发利用条件好，具有 较高的开发价值。 南伟水电站于 2007 年 11 月立项，原由白沙远 祥工程有限公司开发，广东省茂名市水利水电勘测 设计院承担初步设计。原设计装机容量960 kW， 并 于 2008 年动工，后由于资金问题，项目转由白沙 南开河水电开发有限公司 ( 即目前的业主，简称 南开河公司)续建。南开河公司接手南伟水电站 后，又委托湖南某设计院对本项目重新设计，并于 2009 年 10 月重新编制 《海南省白沙县南伟水电站 工程 初 步 设 计 报 告 》 ， 将 装 机 容 量 扩 大 到 4 800 kW， 并以此方案继续施工，同时补报方案变 更的报批手续。在对设计院的初设报告进行审查 时，审查会的专家就对设计提出质疑，最令专家诟 病的是承压箱的结构过于单薄，并预言一旦通水将 爆裂，所以该初设报告没有通过审查。由于土建工 程已接近完工，业主只能将信将疑继续施工，直至 机电设备和金属结构安装完毕。2012 年上半年在 充水试验时，在静水头只有15 m ( 比设计工况低 6 m) 时，承压箱顶板连同水轮机层上游边墙被整 体抬起，水从裂缝喷出并淹没水轮机层。2012 年 9 月，台风 “纳沙”来袭，随着下游水位的升高， 河水从厂区防洪墙基础渗出，造成厂房被淹，台风 过后又花巨资重建了厂区防洪墙。为了处理承压箱 的漏水问题，业主咨询了几家设计院的专家，经过 计算，认为结构没问题，并在专家指导下，对裂缝 进行了化学灌浆。承压箱的裂缝经过修补后，2013 年8 月进行第二次充水试验，在静水头17 m时，承 压箱顶板再次被抬起，漏水比第一次更严重。2013 年 11 月，笔者所在单位承担了承压箱加固处理的 设计工作。 2电站设计方案 2. 1装机容量和发电量 南伟水电站采用 3 台单机容量1 600 kW的立式 ·05· 技术改造SMALLHYDＲOPOWEＲ2014No. 6，Total No. 180 轴流机组，最大运行水头20. 13 m， 最小运行水头 17. 43 m，水 轮 机 额 定 水 头 19. 0 m，额 定 流 量 10. 6 m3/s， 多年平均年发电量 911. 52 万 kW·h， 装 机年利用小时1 899 h。 2. 2枢纽总布置 南伟水电站为坝后式开发，工程枢纽由拦河 坝、输水隧洞、承压箱、厂房和升压站组成。拦河 坝为已建，有压输水隧洞位于左岸，进水口在左坝 肩上游95 m处，出口位于大坝下游 300 m 处的岸 边，隧洞总长309 m， 出口接承压箱和发电厂房。 2. 3主要建筑物 ( 1)水库大坝 南伟水库大坝于 60 年代建成，为砌石重力坝， 最大 坝 高 24. 02 m， 坝 顶 高 程 239. 10 m， 坝 顶 宽 3. 0 m， 坝顶长139. 6 m; 溢流堰堰顶高程229. 5 m， 堰顶长80 m， 采用挑流消能方式;非溢流坝坝顶高 程239. 1 m。 灌溉放水涵布置在左非溢流坝段，放水 涵后接灌溉明渠。 ( 2)输水隧洞 发电输水隧洞进水口为岸边式，进口底板高程 为223. 00 m， 进口闸门为平板钢闸门，孔口尺寸为 4. 0 m ×4. 0 m。 输水隧洞长309 m， 开挖断面为5. 5 m ×5. 5 m的 城门断面，出口底板高程为208. 00 m。 隧洞中间段不 衬砌，进出口段采用厚0. 5 m的钢筋混凝土衬砌。隧 洞出口与承压箱连接，承压箱的作用是将水均匀地 分配给 3 台机组。承压箱长18 m， 宽11 ～ 4. 3 m， 高 3. 6 m， 为钢筋混凝土箱形结构，壁厚0. 5 m， 底板高 程为208. 00 m。 每台水轮机蜗壳进口设有 1 扇铸铁闸 门，闸门孔口尺寸4. 3 m ×4. 22 m， 采用螺杆式启闭 机启闭，尾水管出口也各设 1 扇尾水钢闸门，孔口 尺寸4. 4 m ×2. 6 m， 采用螺杆式启闭机启闭。 ( 3)发电厂房及升压站 发电厂房位于左岸大坝下游300 m处的河边滩 地，为钢筋混凝土框架结构，主厂房长26 m， 宽 9. 6 m， 厂内装有 3 台轴流立式水轮发电机组。发电 机层 地 面 高 程 215. 77 m，水 轮 机 层 地 面 高 程 211. 32 m。 安装场布置在主厂房右侧，与发电机层 地面同高，与进厂公路连接。厂内设有16 t电动桥 式起重机 1 台。 副厂房位于主厂房上游侧，即承压箱的顶部， 为钢筋混凝土框架结构，长18. 00 m， 宽4. 3 m， 分 上下 2 层。 升压站采用户外中型布置，布置在进厂公路左 侧，即厂房的右后侧，长20 m， 宽10 m， 地面高程 227. 50 m， 布置 2 台主变。 厂区沿河边 ( 大门口)还布置有高6 m的防洪墙。 3设计点评 3. 1装机规模及年发电量 南伟水电站装机容量为4 800 kW， 年发电量 911. 52 万 kW·h， 装机年利用小时1 899 h， 与当地 目前平均约3 000 h的利用小时相比，装机容量明 显偏大。鉴于水库具有日调节作用，南伟水电站合 理的装机容量为2 500 ～ 3 200 kW， 如选用 2 台机 组，可获得较大的经济效益。扣除灌溉水量后，如 水量全部利用，可发电1 600万kW·h， 按计算的年 发电量 911. 52 万kW·h分析，发电水量利用率不 足 57%，明显偏小。如果灌溉制度执行得好，实 际发电量比计算值可能增加 10%以上。 3. 2枢纽总布置 枢纽总布置的问题主要是隧洞出口到混凝土蜗 壳进口之间采用承压箱过渡，由此带来 2 个问题: 一是隧洞出口布置了承压箱，将主厂房推向主河 道，挤占了河道的行洪断面，造成上游洪水位壅 高。二是机组进口工作闸门难布置，如采用常规快 速闸门，其启闭机操作平台要高出主厂房屋面。设 计采用了铸铁闸门，采用螺杆式启闭机，闸门井采 用承压结构，启闭机拉杆设止水，造成闸门没有快 速关闭保护作用，且闸门检修困难。 南伟水电站的开发条件很好，输水系统如采用 隧洞 + 压力前池 + 钢筋混凝土箱涵的布置方式，投 资会更低，运行管理更方便。 3. 3承压箱和蜗壳进口设计 承压箱实际上就是将常规的压力前池底板高程 降到蜗壳进口底板高程，然后用钢筋混凝土盖板将 压力前池盖住，形成有压的箱形结构。承压箱长 18 m， 宽11 ～4. 3 m， 高3. 6 m， 壁厚0. 5 m。 边墙和顶 板双层钢筋，受力筋为直径16 mm的螺纹钢筋，间 距0. 25 m， 分布筋直径8 mm， 间距0. 25 m。 蜗壳进口 顶板厚度也只有0. 5 m， 跨度有4. 35 m， 顶板和中墩 双层钢筋，受力筋为直径16 mm的螺纹钢筋，间距 ·15· 小水电2014 年第 6 期 ( 总第 180 期)技术改造 0. 25 m， 分布筋直径8 mm， 间距0. 25 m。 经计算，3 台机组同时甩负荷，调速器关闭时 间7 s， 蜗壳进口处水击压力上升 48%，承压箱顶板 承受水压力为28 t/m2， 顶板在水流方向1 m宽度将 承受210 t的水压力，扣除顶板结构自重，有195 t 向上的水压力需要边墙拉住。边墙的受力是大偏心 受拉，如仅按轴心受拉计算，195 t水压力就需要 32 根直径16 mm的螺纹钢筋，按大偏心受拉计算钢筋 还要多。而实际上边墙每米只有 8 根直径16 mm的 螺纹钢筋，而且只锚入基础0. 2 m ( 底板浇筑后，钻 孔深0. 2 m， 插上受力筋) ;所以在充水试验时，承压 箱顶板连同水轮机层上游边墙被整体抬起，边墙在 顶板下方1 m处形成贯穿性水平裂缝，顶板在跨中处 也出现裂缝，上部的副厂房墙体多处开裂。同样， 蜗壳进口顶板和中墩的强度也严重不足。 3. 4主厂房设计 主厂房布置图上没有将调速器、机旁屏布置上 去，只能由安装单位见缝插针。 3. 5厂区防洪墙设计 厂区布置了高出地面6 m以上的浆砌石防洪 墙，其基础为河滩的砂卵石层，起不到防洪作用。 3. 6机电设计 没有油、气、水系统的设计，没有电气一次和 二次图纸设计，这些工作都是由相关设备厂家和安 装单位现场完成。 4缺陷处理 机电设计的缺陷均由相关设备厂家和安装单位 在现场处理，问题都已解决，需要处理的主要是承 压箱和蜗壳进口的结构缺陷。 承压箱加固处理的基本思路是在承压箱内部加 隔墙，减小箱涵的跨度，同时将原边墙和顶板加 厚，并按计算配筋。蜗壳进口加固处理的基本思路 是增加原边墙和顶板的厚度，并按计算配筋。 承压箱内的隔墙是从原蜗壳进口隔墩延长而 成，将承压箱分隔成 3 孔，隔墩分流顶点的布置应 满足流量均分的原则，隔墩形态为流线型，分流点 处为直径0. 5 m的半圆，过渡到原隔墩的厚1. 7 m。 承压箱边墙内侧加厚0.3 m， 左侧边墙外侧也加厚 0.3 m; 承压箱顶板上下各加厚0.3 m。 蜗壳进口段两侧各 加厚0.1 m， 顶板上下各加厚0.2 m; 水轮机层上游侧排架 柱间的边墙整体拆除后重新浇筑。设计采用C25 商品混 凝土，施工时业主提高到C30。 为了确保新老混凝土的结合和整体性，受力钢 筋需要锚入原混凝土结构中 ( 采用砂浆锚筋或树 脂锚筋) ，接触面要凿毛和冲洗。由于施工受原建 筑物影响较大，要合理安排施工工序和混凝土入仓方 式。对于不易振捣的部位，建议采用免振捣混凝土。 由于业主对加固处理工作高度重视，还委托监 理进行施工管理，业主管理人员的管理也很到位， 施工单位在关键部位的处理也很到位。2014 年 4 月 20 日开始充水试验，承压箱和蜗壳进口没有出 现漏水和明显变形，刚充水时在门槽顶部出现有一 处渗水点，但 2 天后自行消失。6 月份的甩负荷试 验表明，甩满负荷时蜗壳进口压力和转速上升值均 在正常范围，承压箱和蜗壳进口没有出现异常情 况，加固处理取得完美成功。 5结语 历尽坎坷，南伟水电站虽然投产了，但业主为 此付出了本不应付出的代价，电站总投资超过 4 000万元，虽然单位千瓦投资约8 400元/kW，但 单位电能投资高达 4. 4 元 /kW·h， 上网电价只有 0. 31 元/kW·h， 效益很差，而且运行管理不方便。 如果一开始就找有经验的设计单位设计，即使 按相同的装机容量，电站总投资只需1 700万元 ( 按 2011 年物价水平) ，单位电能投资 1. 98 元 /kW·h， 投产后8 a即可收回投资。如果装机容量 为 2 ×1 600 kW， 则总投资只要1 400万元，年发电 量约 870 万 kW · h，单 位 电 能 投 资 1. 61 元 /kW·h， 效益将更好。有经验的设计人员还能弥补 业主和施工单位经验的不足，从建设管理、施工方 法、施工质量上提出建议，确保项目建设的顺利进 行。 ■ 责任编辑吴昊 ·25· 技术改造SMALLHYDＲOPOWEＲ2014No. 6，Total No. 180
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