三门峡水利枢纽

三门峡水利枢纽三门峡水利枢纽

三门峡水利枢纽位于黄河中游下段，河南省三门峡市和山西省平陆县的边界河段，控制流域面积68．4万公里2，占全黄河流域的92％。黄河平均年输沙量15．7亿吨，是世界上泥沙最多的河流。黄河下游河道不断淤积，高出两岸地面，成为“地上河”，全靠堤防防洪。黄河洪水又大，对下游广大平原威胁很大。

图2三门峡工程一期上游围堰(尺寸单位：m)

图3三门峡工程二期上游围堰(尺寸单位：m)黄河三门峡工程截流是我国50年代最大的一次截流工程，截流时段考虑错开冰期，选择在11月15日～12月15日间，设计截流流量1000m3／s，相当于该时段中水年接近5％频率的平均流量。导流建筑物为左岸溢流坝段的12个底孔，设计最终截流落差8.3m。截流设计利用了河中神门、鬼门二岛，在三个泄水道上用不同的方法截流，见图4。截流顺序为，首先选用戗堤进占法截住神门河，落差2.5m，再下闸(临时闸墩的闸门，下同)封闭神门岛泄水道，落差4.1m，最后下闸封堵鬼门岛泄水道，最终落差8.3m。实际施工时，黄河流量一直稳定在2000m3／s以上，大于设计流量1倍，而且神门岛泄水道临时闸墩损坏难以使用，在此意外的困难条件下，果断截流。1958年11月17日起，连续33h在神门河中抛投了3.2万m3石渣、700块3～5t大块石、80块重15t混凝土四面体，使神门河合龙成功，截流落差2.97m，最大流速6.75m／s；随后，又陆续采用立堵加钢管拦石栅结合瞬时爆破法封堵了神门岛泄水道，落差达4.37m，下闸截断鬼门岛人工泄水道，最终落差7.08m。图4三门峡工程神门河截流后导流示意图（尺寸单位：m）

钢管下卧：为满足汛期最低发电水位300.0m发电的要求,将钢管进口高程自300m降低到287.0m,引水钢管下卧部分总长约49m,系在原有钢管底部向下开挖而成。为减少坝体孔口开挖尺寸,进水口采用小圆弧喇叭口型式,原工作闸门和检修闸门位置保留不变。引水道自进口至工作闸门后2m为矩形断面,其尺寸为7.5m×6.0m(高×宽),其后为长10m渐变段,后接直径为7.5m圆管,立面以弯曲段与原有钢管衔接。引水道衬砌及开挖尺寸根据结构运用受力条件及施工需要确定。检修门以前为钢筋混凝土衬砌,工作门槽后为钢板和钢筋混凝土联合衬砌。为了改善电站坝体结构受力条件,将原钢管的工作门槽后的空腔回填混凝土,兼挡水作用。工作槽后设有通气孔,通气孔从改建后新安装的钢管顶部起,连接原通气孔。此外,在原引水道进口还增建1道钢筋混凝土拱型堵头,用以施工挡水。引水道钢管改建下卧后与原有钢管断面形成上下重叠的大孔口,改变了坝体结构的应力分布。按实体重力坝计算,原坝体的最大主压应力为1.43MPa,坝体开挖成大孔口后边墩最大主压应力达2.08MPa。坝体孔洞周围的应力分布,在施工期坝体自重作用小,孔口最大拉应力出现在闸门槽后,该处孔顶和孔底边缘拉应力分别为0.52MPa和0.87MPa。坝体经过爆破后混凝土实际抗拉强度约为1.5～2.0MPa,故施工期坝体的安全从整体来说可得以保证。运行期引水道衬砌后,在坝体自重和内水压力作用下,孔口边缘最大拉应力达1.32MPa,总拉力达3650kN/m。考虑爆破影响后,混凝土强度安全系数显然是不够的,为此需要衬砌结构中加强配筋,同时增强新老混凝土之间的结合。衬砌结构采用混凝土与钢板组合型式,计算时假设衬砌与坝体联合作用,在内水压力作用下,坝体为弹性抗力体,应力与应变符合文克尔假定。在引水道放空时,衬砌在外水压力或施工期灌浆压力作用时,则不考虑弹性抗力作用,而将部分外力由新老混凝土之间的灌浆锚筋承担。根据计算:在钢板、钢筋混凝土和坝体联合作用下,钢管管壁的切向应力很小,80%以上的内水压力传递给外圈衬砌和坝体共同承担。由于在引水道混凝土开挖面埋设止水和键槽,尚不能达到良好的防渗效果,为减轻沿引水道新老混凝土接缝之间的渗漏,改善坝体和衬砌结构应力状况,设计了防渗灌浆和排水措施。在衬砌顶部和缝隙较大的部位采用水泥灌浆,其余部位均采用化学灌浆,灌浆最大压力为0.4MPa。新建进水口拦污栅机组进水口下卧至高程287.0m,原有拦污栅已不起作用,需增建新的拦污栅。新建拦污栅结构采取通栏直墙式布置,机组之间水流可以贯通,当坝前水位为305m,栅前平均流速小于1m/s。每个机组段分4孔,每孔净宽4.4m,中墩厚1.2m,座落在进水口底板的外伸牛腿上,边墩厚0.9m,采取特殊措施将基础嵌固在迎水坝坡上。栅墩总高29.0m,顶部设有清污工作平台,平台高程为316.2m,汛期一般露出水面。平台下游侧建有排污溜槽和支承结构,考虑栅墩将承受不均衡的侧向水压力和地震力,分别在高程289.5、307.0m和栅墩联成“三层四跨”的框架结构。原设计准备在每个机组的中间2孔安装平板式转栅清污机,旁边2孔安装格栅式平板栅,已经试制1台转栅清污机后,因存在问题,一直未投入运用。实际运用全部采用平板栅。吸取黄河上已建水电站的运行经验,在保证机组安全运用的前提下,采取适当加大栅距,让水草尽可能通过机组泄向下游,以减轻坝前清污负担,栅距选用220mm。原拦污栅框架结构是依附于坝体的空间杆系结构。为了满足新建拦污栅起吊、搬运和清污的需要,在原建拦污栅框架高程337.5m平台上增设150t移动式悬伸吊起重机。计算表明,当空车遇地震时,在垂直水流方向地震作用下,地震惯性力大部分由平台承担,但高程337.5m平台原有混凝土板较薄,整体性差,平台梁系和各个中墩原有强度不能满足要求。在顺水流方向地震作用下或刹车时,轨道大梁支座及337.5m平台大梁将会产生很大力矩和轴向拉力。为此,在平台上铺筑1层厚度为15cm钢筋混凝土板,将原大梁加高60cm,形成新老混凝土叠合梁,以提高板、梁的抗侧移刚度。此外,将高程307m以下原进水口堵头前三角体空间部位回填混凝土以加强原栅墩基础强度。主厂房及主要开关站布置：厂房为坝后式,主厂房与大坝间设有伸缩缝。机组间距23m,安装间长33.45m,厂房总长度为223.88m,总高度为47.8m。厂房除二期混凝土外,大部分土建工程已完成。原机组的水下部分宽度为40.5m,机坑底高程为273.0～274.0m,尾水管底部高程为263.06m,故机组段水下部分的高度为27.5m。尾水管为4H型,扩散段分为2孔,尾水平台上配有1台2×50t尾水闸门启闭机。进厂铁路、公路、发电机层和安装场地面高程均为289.5m,厂房水上部分为钢筋混凝土框架结构,高18.3m。厂内已安装1台跨度为21m,容量为350/75t桥式起重机。厂坝间为主变压器场地,副厂房紧靠安装场右端墙。改建后厂房内安装5台单机容量为50MW轴流转浆式水轮发电机组。发电机层高程仍保持289.5m,水轮机层高程为284.0m,水轮机安装高程为275.2m,金属蜗壳中心高程为277.5m,与原有钢管中心一致,蜗壳采用焊接组装,包角=346°30′,蜗壳入口断面直径6.68m,进口流速受机组段尺寸限制达5.43m/s。鉴于三门峡水库汛期水中携带大量泥沙和水草,为减轻水草、泥沙淤堵威胁,从工程已建成实际情况考虑,经多方研究在蜗壳上开孔增设叉管的措施。叉管位于厂房第象限,由开孔处内径2.8m,渐变到2.2m,尔后再由圆形渐变至矩形。出口尺寸为1.5m×1.9m(宽×高),出口设有控制闸门。水流经挑流鼻坎将水草、泥沙排至下游尾水。为提高钢管内壁的抗磨蚀能力,在叉管的内壁和出口段抹环氧砂浆抗磨层,在鼻坎混凝土面铺砌辉绿岩铸石板。根据黄河水含沙量大,水草悬浮物多,工业用水量大,地下水源不足的情况,发电机冷却采用开敞通风和密闭自循环浑水冷却2种方式。为了开敞通风需要,在发电机风罩外围又设排风通道,冷风经风罩上排风口及下盖板的进风口吸入,热风由风罩上排风口经排风道排至厂房下游。为避免热风倒灌厂内,电厂近来进行了改造,排风通道引伸至屋顶排出。机组设置2套供水系统,其中浑水供水系统水源取自每台机组的蜗壳,每台机组配备1套清污滤水器。清水供水系统水源取自地下水,主要是在汛期和含沙量较大时,提供发电机推力轴承、上导、水导的冷却。厂房内风、水、油管路布置在水轮机层的下游侧,电缆沟设于高程284.0m地面下。改建设计要求枢纽汛期在一般洪水情况下敞泄,遇特大洪水时根据下游水情进行控泄。电站下游设防标准定为100年一遇,由调洪计算得知厂房尾水位已超过进厂铁路和尾水平台的地面高程,并将淹没主厂房,为此,在厂区范围内采取防淹、防渗和防倒灌等措施。厂坝间主变场地共布置4台变压器,其中1、2号机组和3、4号机组分别为两机一变扩大单元方式接入110kV电压母线;5号机组以一机一变单元方式接入220kV电压母线,另1台为联接110kV和220kV母线的自耦联络变压器。为使输出负荷与电网潮流分布相适应,减少供电损耗,通过运行后将4号和5号机组组成扩大单元接入220kV。110kV现开关站位于副厂房右侧,场地为预制钢筋混凝土结构。主母线采取双层布置,上层高程为302m,下层高程为292.0m有2回出线,提供三门峡市区生产、生活用电。220kV开关站设在厂房右侧高程342.0m黄土台地上,采用单母线分段带旁路母线结线方式。出线2回,1回接至洛阳,1回为备用。机组运行及存在的问题电站自1973年第1台机组投入运行以来,已累计发电约220亿kW·h,为豫西地区工农业的发展作出了贡献。由于黄河高含沙量特点,含沙水流对水轮机的磨蚀十分突出,为改善机组运行工况,自1980年以后改为非汛期运行,汛期一般不发电,只安排机组检修和调相运行。电站在运行中曾暴露不少问题,随着运行和管理水平的提高而逐步得到解决,目前机组存在的主要问题是:(1)汛期运行水轮机过流部件磨蚀严重。曾经采取一些抗磨蚀措施,如在叶片表面涂敷环氧金钢砂抗磨层,对叶片正面抗磨效果显著,但在气蚀严重部位涂层大部分脱落。在气蚀和磨损的联合作用下,叶片背面和转轮室中环球部铺焊的不锈钢板均被侵蚀掉,而且连母材亦遭受严重侵蚀。(2)叶片产生裂纹。1988年汛期曾对5台机组进行全面检查,发现31个叶片有裂纹,裂纹产生的部位在叶片的出水边根部,裂纹长度达200～400mm,个别叶片出现断裂。1989年开始陆续对机组更换不锈钢叶片,但由于叶型和运行工况没有改变,因此,并没有从根本上解决叶片的裂纹问题,这已成为近几年来影响机组正常运行的主要问题。水电站扩建工程：三门峡水电站是河南省电力系统仅有的1座大型水电站,系统缺少调峰机组,因此电站已成为系统安全运行的一个重要环节。5台机组平均年发电量为10亿kW·h,尽管每台机组平均运行已超过4000h。由于机组装机容量偏小,在非汛期水库仍有大量弃水,据统计每年发电用水仅为非汛期入库水量的70%,平均每年弃水约40亿m3,而系统电力供应紧张,现有机组运行工况差,潜伏着运行不安全因素。为了充分利用非汛期弃水,增发电能,并为现有机组更新改造和恢复汛期发电创造条件,1990年水利部批准工程立项,扩建2台单机容量为75MW混流式水轮发电机组,工程分2期进行,第1期工程改建2台机组的进水口和厂房内部开挖,在6号机坑安装水轮发电机组,同步建设三门峡至五源220kV环网线路,6号机组于1993年初开工,1994年4月并网发电。1995年初第2期工程扩建7号机组相继开工,1997年3月发电。扩建2台机组年平均增发电能2.2亿kW·h,年利用1470h。扩建工程是以不改变枢纽现有运行方式,不影响水库防洪、防凌、供水和发电效益,充分利用非汛期弃水发电为原则。将原已改建的6号和7号泄流排沙钢管挖除,恢复原有机坑安装水轮发电机组。由于原电站进水口底坎高程为300.0m,不能满足非汛期一般水位310.0m发电进水要求,如采取降低进水口底坎高程,不仅工程量大,施工困难,而且严重影响水库运用,因此扩建机组按汛期不发电,非汛期发电运行方式选择机型。为满足非汛期最低水位310m安全运行,进水口也进行了改建,即将原有工作闸门孔口7.5m×12m(宽×高)压缩为7.5m×7.0m。三门峡水库采取“蓄清排浑”运用方式,非汛期防凌最高蓄水位为326.0m,春灌蓄水位为324m,一般月份水位为310m。扩机的特征水头为最大水头48.3m,最小水头28.1m,加权平均水位为37.6m。由于扩机只在非汛期运行,水头变幅小,含沙量少,经广泛比选,认为混流式机型较轴流式机型结构简单,维修方便,在现有机坑尺寸制约下,在相同水头时可增加装机容量5000～10000kW,故而选用混流式机型。水轮机型号为HL(820)-LJ-550,额定水头36m,转速88.2r/min,额定流量232.5m3/s。发电机型号SF75-68/11350,为使机组多发电量,发电机允许在不超过1.15倍额定功率下连续过载运行,最大出力达86.25MW。主厂房发电机层高程为289.5m,水轮机层高程为284.0m,与1～5号机组一致。厂房内新增1台2×200t双小车桥式吊车,承担新装机组的安装和维修任务。发电机采用密闭双向再循环冷却系统,发电机母线出线位于上游侧,经母线廊道向上引至厂坝之间主