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世界水电工程发展的经验
世界水电工程发展的经验
1全球水资源开发的主要成果
目前世界水电资源利用率为32.7%,欧洲、北美洲和中美洲经济上可开发的水资源利用率已相当高(70%以上),东南亚(主要是中国)、大洋洲和南美洲正在对河流水电资源进行积极的开发。
水电站发电量最多的20个国家见表1。
2002年这些国家水电发电量占世界水电发电量的80.5%。
表中俄罗斯居第5位,占世界水电发电量的6.25%。
但在国家电力平衡一栏中,俄罗斯水电站发电量只占18.9%,按这一指标名列第14位。
在国家电力平衡一栏中,水电比重接近于100%的国家有巴西、挪威和巴拉圭。
世界各国的经验表明,水电站容量和发电量比重大的很多国家电力系统运行都很可靠。
在欧洲这类国家有挪威(99.4%)、冰岛(82.7%)、瑞典(47.7%)和瑞士(56.3%),北美有加拿大(61.3%),南美有巴拉圭(99.5%)、巴西(95.2%)、乌拉圭(77%)、秘鲁(74%)、哥伦比亚(68%)和玻利维亚(63%)等。
在这种情况下,水电比重大的电力系统是可以安全运行的。
根据引用的数据分析还可以得出另外一个值得关注的结论,就是水电发展与人均用电量有一定的关系,因为人均用电量在相当大的程度上反映了一个国家社会经济发展的水平。
特别值得一提的是中国大力开发水电的计划:
经济上可利用的河流水力资源已开发了16.2%,到2015年预计达到40%。
俄罗斯目前已开发的经济上可利用的河流水力资源为19.4%,到2020年预计达到29.3%。
俄罗斯电力发展规划完成后,水电在国家电力平衡中占的比重将从目前的18.9%下降到14%。
2水利枢纽上下游水利综合体的要求和世界各国水库运行的经验
近几十年来,对传统的用水部门(发电、生活用水、工业、农业、航运和渔业)的要求又补充作了一些环保机构要求的强制性规定。
水库的防洪作用很大,并将越来越大,有时对供水和供电量要加以限制。
许多国家(中国、印度和越南等)的防洪综合工程包括水库(梯级)和堤防系统。
1998年密西西比河流域发生特大洪水,该流域上游76座水库(防洪库容490亿m3)与堤防相结合,共挽回经济损失190亿美元,其中靠削减洪峰挽回的经济损失约为75亿美元。
世界许多国家对特大洪水和洪峰的标准和计算方法问题,以及水库宣泄最大流量的对策问题都很重视(美国、西班牙和法国等)。
这些国家制定和实际应用的标准技术文献所包含的建议涉及到了在宣泄大流量时与水库和水库控制枢纽运行有关的所有问题。
这些建议关注的是,必须预报正常气温随机变化的过程和计算积雪量,以及考虑泄水的渗透特性,其中包括土层冻结时的渗透特性,同时还必须考虑流域内最大暴雨洪水和融雪重合的可能性(美国)。
必须参照下游水利综合体提出的限制条件,严格地执行水库放水和蓄水的规定,必须保证及时检查泄水建筑物的泄洪能力和闸门调度的执行情况,并向地方当局通报洪水危险的信息等(法国)。
国外水库运行的资料表明,在制定和修正水资源利用规程时应全面分析考虑水库对周围环境各方面的影响。
如阿斯旺水库(埃及)30多年成功运行的经验证明设计方案制定的尼罗河径流调节规程是正确的:
按照现有的估算资料,阿斯旺水库曾6次防止下游河谷惨重的淹没损失(如1988年洪水,区间来水最大流量为11000m3/s,向下游宣泄的流量不超过3000m3/s),且在连续8a枯水期间保证了全埃及尼罗河河谷地区的用水。
3筑坝技术发展的主要方向和趋势
目前实用的筑坝技术设计方案众多,公认的当数碾压混凝土(RCC)筑坝施工工艺,尽管不是最有效的工艺但也是最有成效的现代筑坝施工工艺之一,大幅缩短工期、减少劳力以及降低混凝土工程造价是该法主要的优点。
RCC工艺与传统工艺相比具有工效高的突出优点,发展迅速,筑坝总数与日俱增,如1980年只有5座,1990年为40座,2000年增到200座,现在准备设计和开工兴建的大坝还有几十座。
仅西班牙利用这一工艺建造的大坝就有30座,日本有30多座,中国就更多了。
现已拟定了150~200m高的大坝设计方案,主要是重力坝,近来南非和中国有建成的,在建的还有几座重力拱坝。
俄罗斯也修建了几座RCC坝,其中最大的是塔什库梅尔重力坝,高75m,现在正在施工的布列伊大坝是世界上最大的RCC坝之一,坝高136m,混凝土方量350万m3。
结合俄罗斯条件最有发展前景的有以下几种类型:
从结构上看,大坝内部为RCC,外包密实的振捣混凝土;掺有复合掺合料是RCC的一种,胶结料为硅酸盐水泥和活性矿物掺和料。
随着RCC筑坝工艺的改进和发展,俄罗斯在兴建塔什库梅尔、库列伊和布列伊大坝时采用的筑坝技术就是RCC坝现有的经过改进的诸多工艺之一。
沥青混凝土防渗构件(心墙和斜墙)坝同样是具有发展前景的结构。
目前建成的沥青混凝土心墙坝有50座以上,300座坝堤建有防渗斜墙。
沥青的热塑性能和在选择配合比过程中具有控制范围广的性能,可保证在不同结构和各种气候条件下长期可靠地工作。
沥青材料可以加热使用,能减轻沥青结构物施工对天气条件的依赖性。
此外,沥青还具有良好的不透水性、抗冻性、耐蚀性和形变特性。
斜墙和心墙广泛运用沥青就是这些性能决定的。
沥青混凝土斜墙也是修建抽水蓄能电站上下库挡水坝、渠道边坡和其他类似建筑物覆盖层收效极佳的防渗设施。
沥青混凝土斜墙坝可以修得很高,如澳大利亚1979年修建的奥舍尼克泽坝,坝高达到116m。
类似RCC坝及沥青混凝土防渗心墙坝,在国外获得广泛采用的还有钢筋混凝土面板土石坝。
如果说20世纪60~80年代这种坝型大多数是建在西班牙(18座)、澳大利亚(16座)和罗马尼亚(8座),那么从20世纪90年代开始,中国就成为修建钢筋混凝土面板坝的领先国家。
1990~2002年,中国建成的钢筋混凝土面板坝就有73座,还有19座在建,其中包括世界上最高的水布垭坝(232m),正在设计中的有14座,坝高均在100m以上。
仅从1982年开始,中国建成的这种大坝就有78座。
这种坝的特点是筑坝工程量最少,可使建筑物总造价降到更低,与其他坝型相比,可保证施工期更短。
同时还确保大坝可靠性和安全性达到一流水平,有无保障要看在土石料压实方面能否取得成功(块状土石级配选择起着极为重要的作用)和钢筋混凝土面板结构是否完善,要将面板裂缝控制在最安全的范围内。
这种坝型可建在地震活动地区内,也可建在气候严寒地区。
除中国外,很多其他国家也在修建堆石坝,如阿根廷的洛斯莱尤诺列斯坝(138m)、波特雷里约斯坝(116m);巴西的伊塔特比坝(106m)、巴罗斯格兰杰坝(185m)和卡姆波斯诺沃斯坝(200m);哥伦比亚的塞尔卡多坝(120m)和索加莫索坝(190m);伊朗的纳尔马希尔坝(111m);冰岛的卡拉努卡尔坝(185m);老挝的南俄Ⅲ号坝(220m);马来西亚的巴昆坝(205m);智利的普尼拉坝(120m)等。
在深入研究新的筑坝技术方案时,必须重视泄洪问题,其中就包括利用辅助溢洪道。
对土石坝而言,国外工程实践常用的辅助溢洪道是用来宣泄通常频率低于0.1%的罕见洪水。
在大多数情况下,这类溢洪道以轻型居多,有利于降低工程造价。
最常用的辅助溢洪道有三种型式:
土料可冲刷的封堵溢洪道;无控制溢洪道;水力式闸门溢洪道。
超大型水利枢纽也会采用可冲刷的封堵溢洪道,如小浪底坝(中国)和姆里卡坝(印度尼西亚)。
采用无控制溢洪道的水利枢纽一般建在水文观测持续时间短的河流上。
水力式闸门安装在宣泄流量较小的溢洪道上。
台阶式混凝土溢流坝是用来确保消散溢洪道内的剩余动能,这样下游消能工尺寸就可大为缩小。
这种坝型很适合采用贫灰碾压混凝土筑坝工艺。
世界上这类坝建成的有几十座,下泄单宽流量可视大坝运行条件而定,如单宽流量30m3/(s?
m),坝高应不超过100m。
还研究了这种坝型溢流堰首部和溢流面最常用的结构。
如果泄水建筑物布置在坝体以外的地方,则采用现代筑坝工艺就更加有效。
在这种情况下,最常见的是隧洞式的泄水建筑物。
隧洞价格昂贵,采用时,为了减少投资,应力求做到综合利用。
4溢洪道泄水能力不足问题
正如世界经验所证明的那样,由于融雪期间蓄水条件的变化,运行过程中出现大坝溢洪道泄水能力不足,是一个相当大的问题。
在水利枢纽运行过程中,必须提高溢流建筑物的泄水能力和改造因各种原因致损的溢洪道,其中最常用的方法有:
水利枢纽下泄流量大于计算流量;加大水文观测系列,使设计流量有所提高;改变标准要求或水利枢纽运行条例等。
为了提高泄水能力,溢洪道改造可采取各种措施。
混凝土坝最常用的措施是在溢流坝段顶部提高水头或加宽闸门跨度来改造现有的溢洪道。
降低溢洪道顶部高程可达到增加水头的目的,例如澳大利亚的里平水利枢纽;而拆除所有或部分闸墩扩宽溢洪道前沿和采用大跨度闸门的例子有法国的格尔列丹、皮涅水利枢纽和奥地利的维杰尔什文格水利枢纽等。
这种型式的改造工程,即使下泄流量的增量并不很大,有时也可达到预期的效果,如皮涅水利枢纽的下泄流量从3500m3/s增加到4400m3/s,维杰尔什文格水利枢纽从65m3/s增加到160m3/s,里平水利枢纽从2500m3/s增加到7600m3/s。
在混凝土坝或土石坝坝顶进行加高改造也可增加溢流堰顶水头,在这种情况下,下泄流量增量是很大的。
这种加高工程有瓦拉加姆巴和布里皮尤伊克(澳大利亚)、康特拉(瑞士)和捷里别尔格(奥地利)水利枢纽,布里皮尤伊克水利枢纽下泄流量从15600m3/s增加到52000m3/s。
当下泄流量需比早先规定的泄量增加更大时,在各种坝型的枢纽组成中,大多加设辅助溢洪道。
如果是土石坝且坝高不超过40m,则辅助溢洪道建成开敞式的,且常是无调节的。
高土石坝的溢洪道通常建成隧洞式的,如西尔文斯捷英(德国)、索扬甘特(朝鲜)和阿列诺什(西班牙)水利枢纽等。
5水工建筑物的维修和改造问题
这是一个亟待解决的课题,目前世界上很多国家面临工程老化问题,需要对大坝和其他水工建筑物进行维修和改造。
近20年来,在国际会议上多次讨论过水工建筑物的维修和改造问题,并召开过专题讨论会和报告会,专门论述这个问题。
国际大坝委员会出版过专门论述混凝土坝和土石坝及其基础维修的专题论文集。
引起混凝土坝基(主要是岩基)破坏的主要原因是水头梯度变化后由于可变应力的作用导致坝基强度的损失,其次是管涌、冲刷和侵蚀等其他原因。
为了消除上述破坏,混凝土坝坝基大多利用灌浆加固。
土石坝常见的坝基渗透和总强度损失也是管涌所致。
通常采用的处理方法有基础灌浆、修建截水墙、铺设反滤层和排水设施等。
土坝坝体维修是需要经常进行的一项工作,目的是减少渗漏、防止管涌、提高坝坡稳定性、修复边坡保护层防止填方表层受到风蚀危害和修复坝体斜墙的防渗能力,也可采用与坝基处理相同的方法进行维修,如粘土和土水泥灌浆法、修建截水墙和板桩墙、铺设反滤层和排水设施以及填土压载棱体等,必要时可进行换土处理。
6加固工程、防护工程和水利枢纽下游局部冲刷排险工程的维修和改造
就引起破坏的作用形式看,可归纳为磨蚀、气蚀、动力作用和危害性局部冲刷。
磨蚀破坏的原因有:
护面受到磨料的破坏(俄罗斯萨彦舒申斯克水利枢纽);溢洪道使用前,不能对建筑物进行及时清理(美国德沃夏克和利比水利枢纽,俄罗斯萨彦舒申斯克水利枢纽);长期夹有磨料的涡流沿护面流动(美国利比、德沃夏克、特里尼蒂和纳维伊水利枢纽,印度勃哈克拉水利枢纽)。
护面及其构件受到气蚀破坏的主要原因有:
在操作规程不允许的情况下使用泄水建筑物(闸门全开和下游低水位),当护面构件受到高速水流影响时,水跃就向下游偏移(俄罗斯古比雪夫和新西伯利亚水利枢纽施工期间);采用贴近溢流堰(溢洪道)的槽式消力槛,高速水流绕过消力槛时,水跃就顺流而下(美国皮特-6和皮特-7水利枢纽);采用贴近溢洪道布置的迎水凸形护坦板(美国的布尔肖尔斯坝);水跃远冲时护面不平整(俄罗斯萨彦舒申斯克水利枢纽)。
破坏的原因与在设计时采用的结构论证不充分有关,同时与建筑物(或机械设备)在施工期间泄洪准备不够也有关。
动力作用损坏和破坏的原因主要有:
在建筑物运行过程中可能发生的各种工况下,对建筑物构件承受水流的作用研究不够;偏离泄水建筑物闸门操作规程;发生磨损和气蚀破坏;水跃位置不稳定;施工缺陷造成的影响加剧。
护面以外河床危害性局部冲刷的原因有:
建筑物或机械设备在施工期间泄流准备没有做好,这就要求闸孔在下游低水位时全开运行;护面高度确定有误,造成河床严重冲刷、护面破坏和溢流坝段受到破坏威胁(美国威尔逊和瓦科水利枢纽);河床岩石强度估计过高(土耳其门策利特水电站,美国巴德溪坝)。
7在工程设计、施工和运行期间确保水工建筑物安全的立法问题
5年前俄罗斯通过的水工建筑物安全联邦法主要是吸取了国际的经验。
有些立法观点与国外不同,如:
法制结构,俄罗斯联邦作为主体参与安全监控;水工建筑物破坏是否列入非常事件取决于损失大小;政府通报有关建筑物的状态;建筑物根据事故风险分类;提供水工建筑物设计、施工和运行文件的组织机构。
水工建筑物安全规范文献系统有各种不同的处理办法。
有些国家(如新西兰)的设计、施工和运行文献系统是统一的,而另一些国家(如挪威等)则有两种文献系统:
施工文献系统及水电站状态检查和评估文献系统。
许多国家(如葡萄牙、新西兰和瑞士等)对评估水工建筑物状态的专家的专业水平有严格要求。
在俄罗斯工程实践中,当设计和施工业务取得许可证及水工建筑物安全经过申报后也有这些要求。
推荐单位(审查安全申报和调查水工建筑物)对专家的专业水平仅承担名义上的责任。
美国各州都有单独立法的基础,这在保证水工建筑物安全方面起着主要的作用。
(摘自《水工建设》)
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