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