浅谈中国未来大型水电装备技术挑战与创新

我国水电资源丰富、开发程度处于中等水平,远不及欧洲发达国家。“双碳”战略下,水电作为清洁能源,以其高调节性、高稳定性将在以新能源为主的新型电力系统中发挥“压舱石”作用。资源特点和经济性决定未来水电开发将朝向更高水头(高转速)、更大容量趋势发展,机组将具备高海拔环境运行、超高水头、超大容量的特点。开发难度极高,技术挑战前所未有,亟待攻克。该文从多个角度分析阐述特殊工况下我国水电装备开发面临的问题和技术挑战,探讨关键技术发展趋势以及创新技术应用潜力,为未来水电装备的技术创新和突破提供参考方向。

高水头电站水轮机泥沙磨损评估及抗磨蚀综合措施

对于高水头电站,泥沙磨损的影响在水轮机的设计和参数选择中是一个不可忽视的问题。以科哈拉水电站为例,根据电站的泥沙特性,对水轮机的泥沙磨损进行试验和评估。从水轮机参数选择、水力设计、结构及工艺、材料及表面防护、调度运行等方面提出了针对性的抗泥沙磨蚀综合措施。研究内容可为其他高水头电站水轮机抗磨蚀方案的设计提供参考。

水头衔接的梯级电站水头分配问题研究

对于水头衔接的梯级电站,在两梯级电站总水头不变情况下抬高下游电站运行水位,一方面会增加弃水风险,另一方面会改变两电站利用水头,从而使两电站发电收益发生变化。为了研究抬高下游电站运行水位对梯级电站整体发电收益的影响,计算了抬高下游电站运行水位前后梯级电站收益变化,提出了发电用水增量系数评价指标,并基于弃水损失,研究了改变梯级电站水头分配后电站发电收益变化,给出了改变梯级电站水头分配是否有利于提高梯级电站总收益的判别条件,并以清江隔河岩、高坝洲梯级电站为例进行了探讨。结果表明:鉴于上下游电站电价、综合出力系数的差异,当满足提出的判别条件时,适当抬高下游电站运行水位可增加梯级电站的整体发电收益。研究成果可为梯级电站科学控制水位、平衡弃水风险和水头效益、提高整体发电收益提供理论参考。

高坝枢纽移动式尾水集鱼方案设计及试验研究

为减缓水电工程建设对鱼类洄游的阻隔影响,高效安全的过鱼设施是恢复鱼类洄游通道的重要工程措施,尤其高水头水电工程过鱼设施建设是当前生态保护的技术难点。首先通过模型试验和数值模拟计算,对乌东德水电站坝下水流条件进行了研究,再结合鱼类洄游路线及其坝下分布预测,提出了一种新型的移动式尾水集鱼箱,并利用电站尾水的诱鱼效果进行集鱼。试验研究表明:根据电站运行情况开展集鱼工作可实现“多点位、全深度、大流量”集鱼,作为辅助集鱼设施,创新方案能够提升集运鱼系统的集鱼效率。研究成果可为高坝枢纽过鱼设施建设及已建工程增建过鱼设施提供技术参考。

巨型闸门关键技术研究及在白鹤滩水电站的应用

文章介绍了白鹤滩水电站巨型闸门和启闭机等金属结构设备的多种技术创新,包括超宽横向三支臂弧形闸门创新设计、193 m超高水头平面闸门优化设计、高水头弧形闸门充压式止水方案研究、超大容量弧形轨道门机设计研究、百万机组进水口液压启闭机启闭容量设计等。上述关键技术的创新攻关,保障了白鹤滩水电站的泄洪安全、引水发电安全,助力了电站成功投产运行。

深水高墩桥梁地震响应计算分析

水库蓄水后,库区内的高墩桥梁淹没深度较大,为研究深水高墩桥梁抗震性能,以西藏扎拉水电站库区某公路桥为研究对象,采用有限元方法计算线弹性E1和E2地震作用下的桥梁动力特性、桥墩墩顶位移、墩底弯矩、剪力并基于动水附加质量理论计算了地震力。结果表明:考虑动水压力作用后,桥梁结构自振频率减小,桥墩内力和位移值均明显增大。考虑深水高墩动水压力影响后桥墩地震响应虽显著增大,但响应值随着主墩淹没深度变化均呈现出非线性变化。对于深水高墩桥梁,考虑动水附加质量后计算出的纵向、横向地震力是未考虑工况下的2.0,1.2倍。研究成果可为山区深水高墩桥梁设计提供参考。

锦屏一级水电站软弱岩体高水头弱化效应的试验研究

在建的锦屏一级水电站蓄水后坝基(肩)软弱岩体在高水头作用下的弱化效应是工程建设十分关心的问题。为揭示这种弱化效应,提出一套岩体水压弱化效应的试验研究方法:采用岩体形成过程–力学条件模拟,力学参数控制三轴压缩全过程试验的手段制备岩体试件,对岩体试件进行现今天然状态与1~4 MPa静水压力的系列三轴压缩试验(围压为5,10,15,20,25,30 MPa)。试验结果及分析表明,在浅部低应力岩体中弱化效应十分显著,强度参数中的内摩擦因素f的弱化程度在13%以内,c的弱化程度随静水压力的升高而急剧增大,最大可达100%;变形模量的弱化程度在20 MPa围压以下随静水压力的升高而增大,随围压的升高而减小,围压达到20 MPa后则基本无弱化现象。同时,建立了不同静水压力工况下岩体力学参数预测模型。这些成果已在锦屏一级水电站工程建设中得以应用,研究方法为岩体力学性能的试验室研究开辟了新的有效途径。

小湾水电站放空底孔事故链轮闸门动水闭门试验

高水头动水闭门试验由于水力学复杂、不定因素较多、甚至可能引起次生灾害,一直行业内较忌惮的工作。小湾水电站放空底孔事故链轮闸门经过模型试验研究及参建各方的努力,成功完成了设计水头下的动水闭门试验,对该闸门的模型试验、原型试验情况进行了详细介绍及分析,并就两者进行了对比,为今后同类型高水头闸门的设计提供借鉴。

金沙江鲁地拉水电站上游过水围堰设计与运行

鲁地拉水电站上游过水围堰采用土石—碾压混凝土混合过水围堰,该围堰建在深厚覆盖层上,具有大流量、高水头、长历时的过水特点。围堰建成后,经历3个汛期过水考验,运行良好。本文介绍该围堰的设计与运行情况,可供其他工程参考。

水利水电工程中高水头鱼道的布置和设计

本文对国内外鱼道建设的发展历史和现状进行了介绍;对我国鱼道建设和管理中存在的问题,以及高水头鱼道布置和设计中的关键技术问题进行了分析;并结合某工程鱼道实例,对高水头鱼道的布置和设计进行了阐述。

压力波动预止阀对泵站水锤的影响

运用水锤理论及特征线法,结合某高扬程泵站工程,对压力波动预止阀在泵站水锤防护过程中的作用和有关工作参数设定方法进行了研究.通过计算压力波动预止阀在13种开启方式和10种关闭方式下的水力瞬变过程,发现压力波动预止阀能够有效防护系统最高压力,但在某些情况下也可能使系统最低压力进一步降低.压力波动预止阀低压开启时间、维持开启时间和关闭时间是影响水锤防护效果的关键参数,3个参数之间存在最佳组合,能够使输水管线最高压力控制在最低水平,最低压力下降程度最小.对于压力波动预止阀的开启过程,要求在事故停泵后第1个压力波峰到来之前完全开启;为了防止因外泄量过多导致系统最低压力进一步降低,建议维持开启时间要短.随着压力波动预止阀关闭时间的增长,系统最高压力不断降低,越有利于高压水锤的防护.研究结果对新建及现有的带有压力波动预止阀的高扬程泵站水锤防护,具有重要参考价值.

糯扎渡水电站溢洪道深化设计

糯扎渡水电站地处狭谷地区,泄洪最大水头182 m,溢洪道最大泄洪流量31 318 m3/s,泄洪功率达55 860MW,其规模为目前国内最大,泄洪消能问题十分突出。为此,在可研阶段对泄洪建筑物布置进行了多方案比选研究,在招标阶段进行了深化研究,结合整体水工模型试验及溢洪道单体、掺气减蚀、护岸不护底、泄洪雾化等专题研究,设计了适合该工程的大型岸边溢洪道,在溢洪道挑流鼻坎下游设置消力塘,有效解决了消能问题。

300m级高拱坝大流量泄洪关键技术研究

30 0m级高拱坝大流量泄洪关键技术研究专题主要结合小湾工程研究高拱坝增大坝身泄量 ,减少 1条泄洪洞的泄量分配和泄洪消能布置、拱坝流激振动、泄洪雾化及防护措施、水垫塘体形优化和衬护结构稳定、大型导流洞改建为泄洪洞或放空洞等关键技术问题 ,提出优化的泄水建筑物及其消能防冲布置和结构设计方案。其中多项研究成果和建议已在小湾工程中采用 。

天生桥一级水电站放空洞高水头弧形闸门的设计研究

在研究国内外众多潜孔弧形闸门资料的基础上，通过对总水压力、最大承压水头、闸门孔口尺寸、水封形式和门槽水力学等关键性的技术指标和参数的对比分析，进行了天生桥一级水电站放空洞弧形工作闸门的选型设计。在１２０ｍ承压水头下采用液压伸缩式水封，刷新了潜孔弧形闸门使用该种水封的国内记录。通过天生桥一级水电站放空洞弧形工作闸门及液压伸缩式水封的选型设计的实践，为我国高水头潜孔弧门的选型设计积累了经验。

高水头电站地面压力管道结构选型

为了选择合适的高水头引水式电站压力管道形式,采用规范推荐的解析方法设计地面明钢管和钢衬钢筋混凝土管,结合实际工程对二者进行有限元分析。结果表明:相比明钢管方案,采用钢衬钢筋混凝土管可以减少使用厚钢板和高强钢,节省投资;避免钢管卷板、焊接方面的困难以及复杂的伸缩节和支墩制造、安装和维护工艺;可根据具体情况选择边坡是否支护或管道回填,降低可能出现的山体滑坡等自然灾害的威胁程度。

厄瓜多尔CCS水电站的设计关键技术综述

厄瓜多尔CCS水电站是该国最大的水电站,位于热带雨林地区,受火山地震影响较大。针对泥沙多、地震烈度高、覆盖层深、输水距离长、水头高等复杂自然条件,通过开拓性的设计研究,成功解决了修建特大规模沉砂池、超深覆盖层上的大型建筑物、火山灰中的大洞室、24. 8 km长深埋隧洞、618 m水头的压力管道、大跨度地下厂房洞室群、高水头大容量冲击式水轮机组等遇到的关键技术问题。创新的设计为工程顺利施工创造了条件,保障了工程安全可靠运行,也为水利水电工程建设开辟了新路径。

龙羊峡水电站高水位期坝体振动的诊断分析

2005年汛期黄河上游来水较好,龙羊峡水库水位持续上升,最高水位达到2597.62m。高水位期间坝体振动明显。现场振动测试数据分析表明坝体振动具有宽频特性。结合微震观测资料分析并参考机组稳定性试验成果,诊断出坝体振动主要由尾水管压力脉动引起。参考人工激振试验分析成果,认为高水位期坝体振动不会影响大坝的安全运行。

大石峡水电站进水口叠梁门分层取水试验研究

为分析电站进水口采用叠梁门型式分层取水方案的可行性,本文通过1∶21.05的水工模型对大石峡水电站叠梁门分层取水进水口水力特性进行了系统研究。主要研究内容包括对不同叠梁门高度取水时,进水口的水流流态、叠梁门体的压力分布、叠梁门顶及竖向流道的流速分布、进水口段总的水头损失系数等。试验结果表明:电站进水口设置叠粱门后,叠梁门顶水头大于18.0m时不产生有害吸气旋涡,门体压力分布接近静水压力分布;进水口段的水头损失在1.17~1.30m之间;靠近叠梁门门顶部位的水流流速较大,表层水流流速较小;叠梁门后不同高程竖向流道的水流流速接近于梯形分布,主流偏于进水塔靠下游挡墙侧。在进水口设置叠梁门进行分层取水方案是可行的。

大藤峡水利枢纽船闸水力学关键技术研究与实践

大藤峡船闸是目前国内外水头最高的大型单级船闸,其闸室输水功率、阀门水力条件、闸门结构尺寸等多项指标均居世界之最,代表了当今世界船闸建设的最高水平。围绕大藤峡大型船闸安全高效输水、高水头输水阀门空化振动、巨型人字门安全运行等水力学关键技术难题,历经10多年研究和实践,在大型船闸输水系统布置、高水头阀门防空化技术、巨型人字门设计、现场调试技术等方面取得了大量创新成果,成功解决了40 m单级船闸设计、建设和运行难题,在基础理论和核心技术上实现新的突破。总结梳理了大藤峡船闸水力学关键技术研究成果,以期为类似高水头船闸设计研究提供参考。

降雨条件下体积含水率对堆积体边坡渗流特性的影响研究

锦屏水电站对外交通专用公路K48＋722～800段滑坡受降雨影响明显，其深层稳定性关系到工程安全。本文依据实验数据，采用Fredlund-Xing方法拟合出滑坡体材料的土水特征曲线，以体积含水率反应土体初始湿润状态，研究了降雨条件下边坡压力水头的演化规律，体积含水率对压力水头以及边坡稳定性的影响。结果表明，降雨初期，坡体表面以及滑面处压力水头先增大，并向坡体内部逐渐扩展。雨停一段时间后，坡体表面以及前缘区压力水头逐渐消散，滑面后缘局部地区压力水头会有所升高，压力水头随着体积含水率的增大而增大。体积含水率较小时，在一定的时间内，边坡的稳定性系数先保持稳定，后缓慢降低；当体积含水率较大时，雨停一定时间后边坡的稳定性系数会出现上升的趋势。