世界上首座海水抽水蓄能電站上庫(kù)的設(shè)計(jì)與施工

1 概 述

沖繩山原海水抽水蓄能電站位于沖繩本島北部國(guó)頭村的太平洋岸邊。電站利用上庫(kù)(高位蓄水池)與海平面之間136 m 的有效落差發(fā)電，是世界上首座海水抽水蓄能工程。電站實(shí)際取水流量為26 m3/s，最大裝機(jī)容量為30 MW。

在實(shí)施該項(xiàng)目之前，早在1981 年就已開始了為期5 a 的與海水抽水蓄能發(fā)電相關(guān)的基本試驗(yàn)和研究。1987 年，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省(原通產(chǎn)省)委托日本電力開發(fā)有限公司(J－Power)實(shí)施示范工程，1991年開工建設(shè);1999 年3 月，電站投入試運(yùn)行;2003 年底，工程的試運(yùn)行期結(jié)束。從2004 年起，J－Power接管了該電站的運(yùn)營(yíng)，并繼續(xù)負(fù)責(zé)示范工程的維護(hù)和運(yùn)行。

利用海水抽水蓄能發(fā)電的主要優(yōu)點(diǎn)可歸納為:

(1)不需要專門建設(shè)下庫(kù)，降低了工程費(fèi)用;

(2)可以建在大型電源點(diǎn)(火電廠、核電廠)附近，也可以建在靠近負(fù)荷中心周邊的海邊，降低了輸電成本。

但是，海水抽水蓄能工程建設(shè)也會(huì)遇到一些特殊的難題，比如:

(1)海水可能從上庫(kù)向土壤中滲透，導(dǎo)致地下水污染;

(2)海水中的有機(jī)物和海洋生物黏附在水道和水輪機(jī)中，造成發(fā)電和抽水效率逐漸降低;

(3)海水對(duì)水輪機(jī)等金屬設(shè)備會(huì)造成腐蝕，因而可能會(huì)縮短其使用壽命，增加維護(hù)費(fèi)用;

(4)在高海況下，大浪對(duì)進(jìn)水口和尾水系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性會(huì)造成影響;

(5)上庫(kù)泄漏的海水會(huì)對(duì)周圍陸生植物和動(dòng)物產(chǎn)生不利影響。

圖1 為該工程的總體布置。

圖1 工程總體布置

2 場(chǎng)址概況

沖繩抽水蓄能電站上庫(kù)的建設(shè)場(chǎng)地是一處高程為150～170 m 的小臺(tái)地。上庫(kù)是通過開挖臺(tái)地的中心部分，并環(huán)繞著中間的深坑修建堤壩而形成的。上庫(kù)的基巖為國(guó)頭組明戶構(gòu)造帶的千枚巖和綠巖。地表出露的有千枚巖風(fēng)化后形成的普通千枚巖、沙屑千枚巖和千枚巖與沙石的混合物，這些地層的分布缺少連貫性，且已形成了混合結(jié)構(gòu)。工程的水道系統(tǒng)縱剖面示于圖2 中，上庫(kù)的平面布置示于圖3 中。

圖2 水道系統(tǒng)縱剖面

圖3 上庫(kù)平面

片理狀和層狀基巖的主要走向是東北－西南，偏西20°～40°，但是巖層傾向和傾角完全是雜亂無序的。在有些斷層中存在斷裂帶，較大的斷層呈網(wǎng)格狀分布，間隔幾十到幾百米不等，其分布特性已與當(dāng)?shù)卦缙谠霈F(xiàn)過的沼澤的分布相吻合。

建設(shè)場(chǎng)地的主要工程地質(zhì)特征之一是地表的侵蝕嚴(yán)重。鑒于巖土的物理力學(xué)特性取決于巖土風(fēng)化狀況，因此，主要根據(jù)巖土風(fēng)化程度對(duì)工程基巖進(jìn)行分類。

3 上庫(kù)設(shè)計(jì)

上庫(kù)的庫(kù)容是將高地中心部分開挖成水池，并圍繞它修建一圈堤壩而形成的。上庫(kù)在平面上呈八角形，工程布置原則是使總開挖量最小，并使得挖填方平衡。堤壩采用均質(zhì)土壩壩型，為了加速固結(jié)沉降，在壩體中設(shè)置了水平排水層和垂直排水層。

上庫(kù)周邊區(qū)域也是許多瀕臨滅絕物種的棲息地，有鑒于此，盡量阻止海水滲透到土壤中就顯得尤為重要。因此，在上庫(kù)表面的襯砌結(jié)構(gòu)中，設(shè)置了2 道或3道防滲結(jié)構(gòu)物。

襯砌結(jié)構(gòu)由下至上由過渡層、墊層和防滲層組成。過渡層是50 cm 厚的機(jī)制沙礫，顆徑不大于20 mm，覆蓋整個(gè)上庫(kù)的庫(kù)床表面，并經(jīng)過壓實(shí);在過渡層之上是采用無紡?fù)凉げ甲鳛榫彌_墊層;敷設(shè)在墊層之上的防滲層是厚2 mm 的橡膠薄板，橡膠板是用三元乙烯丙烯合成橡膠(EPDM)制成的，具有很好的止水性能、良好的氣候適應(yīng)性，以及很強(qiáng)的抗老化能力。

同時(shí)，為預(yù)防局部橡膠板出現(xiàn)破損而發(fā)生海水泄漏，在過渡層中埋設(shè)了排水管通向檢查廊道，一旦發(fā)生海水泄漏，鹽度監(jiān)測(cè)儀就會(huì)被激活，然后會(huì)將警報(bào)信號(hào)傳送到電廠的中心控制室。與此同時(shí)，啟動(dòng)排水泵將海水重新抽回到上庫(kù)。圖4 為上庫(kù)主要工程設(shè)施。表1 為該工程的主要特性參數(shù)。表2 為橡膠板的主要特性。

圖4 上庫(kù)主要工程設(shè)施

表1 工程特性參數(shù)

表2 合成橡膠板主要特性

4 上庫(kù)施工

在上庫(kù)的挖掘過程中，清除了所有的地表已風(fēng)化的土壤，而將其下部已風(fēng)化的巖石用作堤壩的地基。堤壩的填料包括開挖的壩基礎(chǔ)風(fēng)化土、上庫(kù)和隧洞的風(fēng)化巖石。

在完成上庫(kù)挖掘和堤壩填筑工程之后，便開始進(jìn)行襯砌工程施工。主要工作按施工順序依次為:

(1)安裝用于錨固橡膠板的U 形預(yù)制混凝土塊。

(2)攤鋪和碾壓沙礫過渡層。

(3)安裝土工織物墊層和防滲橡膠板。

(4)用現(xiàn)澆混凝土填封U 形預(yù)制混凝土塊。

(5)安裝現(xiàn)澆混凝土上部的橡膠板。

對(duì)上庫(kù)底面上鋪設(shè)的過渡層，采用一臺(tái)重7 t的震動(dòng)碾來壓實(shí)。為順利完成這一工作，對(duì)震動(dòng)碾進(jìn)行了改造，安裝了遙控裝置，通過一組滑輪和履帶吊車的牽引，可以使振動(dòng)碾沿著斜坡上下行走。這種施工方式結(jié)合了幾種機(jī)械的優(yōu)點(diǎn)，并具有較高的安全性。

除了物料的運(yùn)輸和配送，所有的土工布?jí)|層和防滲橡膠板的安裝都是采用手工完成。對(duì)橡膠板之間的接頭，采用了一種丁基橡膠粘合劑和丁基橡膠自硫化粘合劑進(jìn)行粘合。在襯砌結(jié)構(gòu)完工后，為驗(yàn)證止水性能，對(duì)所有接頭部位均進(jìn)行了肥皂水壓力測(cè)試。

5 工程現(xiàn)狀

自1999 年3 月開始試運(yùn)行以來，沖繩山原抽水蓄能電站即被并入了沖繩本島電網(wǎng)。在沖繩電力公司的配合下，工程已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行了11 a 多的時(shí)間，包括由日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省委托進(jìn)行為期5 a 的示范性實(shí)驗(yàn)和隨后的試運(yùn)行。

工程運(yùn)行實(shí)踐表明，它為沖繩本島電網(wǎng)的負(fù)荷平衡和頻率穩(wěn)定起到了重要作用。針對(duì)前面所述的一些工程技術(shù)問題及采取的相應(yīng)措施，在運(yùn)行期間開展了對(duì)工程設(shè)施和環(huán)境的監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)結(jié)論是:

(1)上庫(kù)表面襯砌中，EPDM 合成橡膠板的防滲性能和耐久性得到驗(yàn)證，海水滲漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性達(dá)到預(yù)期效果。

(2)海洋生物的粘附對(duì)系統(tǒng)效率的降低程度在預(yù)計(jì)的范圍內(nèi)，防止海洋生物粘附措施達(dá)到預(yù)期效果。

(3)防腐涂料和陰極保護(hù)措施的有效性得到驗(yàn)證，在永久性設(shè)施中，大規(guī)模采用纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料(FRP)達(dá)到了預(yù)期效果。

(4)能夠在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)形成的大浪下維持進(jìn)水口和尾水口的穩(wěn)定運(yùn)行。

(5)地下水中鹽分的積累在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)，工程對(duì)周圍地區(qū)的動(dòng)植物群的影響非常小。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，海水抽水蓄能發(fā)電技術(shù)已具備建設(shè)更大規(guī)模的商業(yè)化電站的可行性和可靠性。

6 結(jié) 論

沖繩山原抽水蓄能電站位于沖繩本島北邊的國(guó)頭村，該地區(qū)此前基本上為開發(fā)活動(dòng)從未涉及過的自然生態(tài)區(qū)，因而被稱為山原(山脈和原野)。該地區(qū)也是包括沖繩秧雞在內(nèi)的許多瀕危物種的棲息地。該工程的建設(shè)之所以引起了國(guó)際上的廣泛關(guān)注，不僅僅是因?yàn)樗鞘澜缟系谝蛔煤Ｋ樗钅馨l(fā)電技術(shù)的電站，也是因?yàn)樵诠こ探ㄔO(shè)過程中對(duì)保護(hù)瀕危物種作了相關(guān)考慮?？傊谌伺c環(huán)境和諧相處的前提下，電站將繼續(xù)運(yùn)行。