挪威水电站的设计特点

挪威水电站的设计特点挪威王国位于北欧斯堪的纳维亚半岛西部，国土面积32.4万km2，人口430万，经济上处于世界发达国家前列。全国70%的面积为山地，海拔高程一般在1000m左右，河流短且陡急，多瀑布急滩，这样的地形对集中落差修筑高水头电站非常有利。挪威是典型的硬岩地区，近2／3的面积是前寒武纪岩石，地质构造相对稳定，岩体完整坚硬。挪威水力资源总蕴藏量为3800万kW，现已开发2762万kW，年平均发电1140亿kW。h。最早的水电站建于1886年，目前总共有水电站约600座。挪威人均消耗电量每年为26000kW。h，是世界上最高的，为我国的30倍。由于水电的开发为其他工业的发展提供了廉价的动力，从而带动工业的迅速发展。可以说，是水电使挪威从贫穷变成为一个发达的现代化工业国家。1挪威水电站设计的主要特点1.1隧洞引水、地下式厂房挪威的水电站一般利用湖泊作调节水库，只修低坝甚至不建坝，土建工程量少。早期的电站也是采用常规的地面钢管引水、地面厂房设计方式；由于地形条件的制约和出于战争安全的考虑，50年代初期开始采用隧洞引水、地下式厂房的设计方式，在湖底开隧洞引水，并通过隧洞将附近几个湖泊联结成水库群，开凿竖井或斜井将隧洞沿线的小溪、小河的流量也引入隧洞，以提高水量利用程度，因此有的电站引水隧洞总长达100km以上。随着岩石开挖方法的进步和设备的迅速发展，施工费用大幅下降；隧洞不衬砌技术的应用，使采用隧洞引水和地下式厂房成为挪威水电站最经济和最主要的布置方式，地下厂房还具有受气候、塌方、雪崩影响较少的优点。全世界有地下厂房500多座，挪威占了将近一半。1.2充分利用围岩的承载能力挪威水电站利用岩石好这一有利条件，95%的压力引水隧洞不衬砌，局部破碎软弱及渗水部位才用喷锚、灌浆等措施处理。调压室、地下厂房均充分利用山岩承载力，顶拱最多只用喷锚支护，很少采用厚重的钢筋混凝土衬砌，边墙大多裸露，这样大大节省了钢材和混凝土，电站造价大为降低。设计无衬砌隧洞(压力水道)最重要的条件之一是必须有足够的覆盖厚度，使隧洞沿线任何地点的最小地应力均能大于该处可能有的内水压力，并对渗水节理做止水处理；在设计时除了考虑一般的水力学计算、洞线坡度和洞室形状外，最主要的是确定洞线，而确定洞线的主要原则是不要产生水力劈裂及大量渗漏等事故。1.3采用气垫式调压室挪威1973年开始采用密闭气垫式调压室，即在靠近厂房的压力水道上开挖一个洞室，该洞室中部分充满水，部分充满压缩空气，由压缩机向洞室供应空气。当电站丢弃负荷时，一部分水流进入气垫式调压室，水位上升，气体压缩，压力增高，因而隧洞内水流减速；当电站增加负荷时，气垫式调压室内的一部分水体迅速补给机组，空气体积增大，压力降低，因此隧洞中水流加速。这种调压室的优点是隧洞在纵剖面上洞线更接近于直线，而不是常规调压井的折线(见图1)，省掉了常规调压井下部很长的斜井或竖井，洞线缩短了，因此既减少了工程量又减少了水头损失；由于气垫式调压室全部在地下，省掉了常规调压井常有的山坡明挖。因此，气垫式调压室大大降低了调压室的造价。此外，调压室可设置在离厂房较近的地方，对水击波的反射有利，能减少水击压力，增加调节稳定性。图1常规调压井和气垫式调压室的比较示意气垫式调压室设计工作中最主要的内容是正确选择其位置，测算其漏气量和漏水量，然后进行水力学计算，确定尺寸和过渡过程等。1.4地下厂房布置紧凑为了减少开挖量和开挖跨度，挪威地下厂房布置极为紧凑。地下厂房的进水管常与厂房长轴成60°夹角，以减少开挖跨度；所有附属设备尺寸均较小，装备紧凑；副厂房面积较小，也没有名目繁多的办公用房、试验检修用房，副厂房总长度不超过半个机组长。通过以上措施缩小了厂房开挖跨度，收到了很好的经济效果。1.5机组及其他设备的设计制造特点60年代挪威就研制了高水头混流式和大流量冲击式水轮机，在世界上处于领先地位。这些水轮机在抗空蚀、抗磨损方面均有特点，有较宽的高效率区，因此挪威生产的水轮机行销世界各国。辅助设备的质量也很好，主阀很少漏水，故厂房清洁干燥。普遍采用计算机监控和保护装置，实行流域集中控制、电厂无人值班制，电力公司对所属各电厂进行遥控(开机、停机、出力调节)，自动化程度很高。通过采用以上设计思想和方法，挪威水电站土建投资所占的比重越来越少，这是挪威水电站得以大量发展的一个重要原因。2结语(1)总体说来，我国地质条件比挪威差些，但也有不少工程的地质条件相当好，也可以而且应该争取采用隧洞不衬砌技术，以节省投资，缩短工期。目前我国不衬砌隧洞尚比较少见。气垫式调压室最主要的优点是经济，挪威专家的经验是：当调压井长度超过250～300m时，设置气垫式调压室是满足运行稳定要求的最好方法。我国至今尚未采用这一技术。(2)我国可开发水能资源为3.78亿kW，居世界第一，目前仅开发约14%，与世界平均开发水平22%相比相差甚远，开发潜力巨大。目前我国正在进行“厂网分开，竞价上网”的电力体制改革，为具有清洁、成本低、调峰性能好等优点的水电提供了良好的发展机遇。而设计是水电开发中的重要环节，设计方案的优劣直接关系到水电工程的造价，往往是工程能否立项的关键。因此，引进先进的设计理论和方法，达到降低工程造价、缩短工期的目的，这对我国未来的水电开发有着十分重要的意义。