CCS水電站若干設(shè)計難點研究與突破

張金良 謝遵黨 邢建營

摘要：厄瓜多爾CCS水電站項目存在泥沙含量高、地震烈度大、覆蓋層埋深大、輸水距離長、地質(zhì)條件復(fù)雜、水頭高等不利自然條件，基于BIM和信息化設(shè)計，采用設(shè)計和施工深度融合的動態(tài)設(shè)計方法，成功解決了在不均勻地基上修建特大規(guī)模沉沙池，超深覆蓋層上修建大泄量混凝土過水建筑物，國際標(biāo)準(zhǔn)體系下深埋長隧洞設(shè)計優(yōu)化，復(fù)雜地質(zhì)條件下高水頭壓力管道設(shè)計，薄巖壁大跨度地下洞室群支護措施，大容量水輪機和高壓發(fā)電機配電裝置型式選擇等一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，為工程的高質(zhì)量建設(shè)和運行奠定了堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：設(shè)計;深覆蓋層;泥沙;地震烈度;CCS水電站

中圖分類號：TV6I;TV741

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.05 .021

厄瓜多爾CCS（ Coca Codo Sinclair）水電站為徑流引水式電站，總裝機容量1 500 MW.是該國最大的水電站，也是目前世界上已建成的總裝機容量最大的沖擊式機組水電站。項目采取EPC合同模式，總工期66個月，項目EPC合同金額超過23億美元[1]。

該項目為厄瓜多爾最重要的建設(shè)項目，是采用中國融資并由中國公司承建的“一帶一路”重要工程，建成后可滿足該國三分之一以上的電力供應(yīng)。該項目受到中國及厄瓜多爾兩國政府的高度重視，建成意義重大[2]。

1 工程概況

項目所在的Coca河流域位于厄瓜多爾安第斯山脈向西部亞馬遜平原的過渡地帶，流域內(nèi)分布有高山氣候區(qū)、熱帶草原氣候區(qū)及熱帶雨林氣候區(qū)，降雨量由上游地區(qū)1331 mm（Papallacta站）向下游逐漸遞增到4 834 mm（San Rafael站）、6122 mm（Reventador站）.Coca河在擬建壩址處多年平均流量為296 m³/s.從首部樞紐到廠房直線距離約30 km，落差650 m，具有很高的開發(fā)利用價值。但受自然條件的影響，工程的開發(fā)利用存在以下難點：

（1）工程區(qū)位于環(huán)太平洋地震帶，CCS水電站DBE（設(shè)計地震加速度）為0.3g，MCE（最大可信地震加速度）為0.4g[3]。

（2）工程區(qū)位于活火山附近，Coca河兩岸和古河道分布有較厚的松散火山灰沉積物，在強降雨條件下易受侵蝕，造成河流輸沙量變化較大。

（3）首部樞紐工程區(qū)廣泛分布第四系松散堆積物，砂礫石覆蓋層最大厚度超過200 m。

（4）引水隧洞沿線地形起伏較大，隧洞埋深一般為300- 600 m，最大埋深達722 m，沿線共發(fā)育33條不同規(guī)模的斷層，穿過侏羅紀(jì)一白堊紀(jì)Misahualli地層（JK）的凝灰?guī)r、安山巖，白堊紀(jì)下統(tǒng)Hollin地層（Kh）的砂巖、頁巖互層，局部洞段可見花崗巖侵人體（Gd）[4]。

要滿足工程的功能要求和合同規(guī)定的條件，需要在設(shè)計中通過研究解決這些難點。

2 不均勻地基上修建特大規(guī)模沉沙池研究

2.1 主要研究內(nèi)容

首部樞紐所在河道多年平均流量296 m3/s，泥沙以火山灰質(zhì)懸移質(zhì)為主，多年平均輸沙量1 211.6萬t，其中懸移質(zhì)輸沙量為932萬t，多年平均懸移質(zhì)含沙量為1.01 kg/m³，最大含沙量5.00 kg/m³。沉沙池基礎(chǔ)部分為基巖，部分為深度超過80 m的覆蓋層，工程場地MCE為0.4g。由于工程規(guī)模大，引水沖沙要求高，以及高地震烈度下可液化深厚覆蓋層和基巖地質(zhì)條件復(fù)雜，因此需要對沉沙池的工程布置、沖排沙方式及基礎(chǔ)處理措施進行研究：

（1）分析和研究多單元小底孔有壓廊道沖排沙方式結(jié)構(gòu)布置、排沙流量、排沙運用方式及排沙效果等，為底孔排沙沉沙池設(shè)計提供技術(shù)支持。

（2）分析和研究火山灰質(zhì)懸移質(zhì)管流沖排沙結(jié)構(gòu)布置、排沙流量及排沙效果等為，管流沖排沙沉沙池設(shè)計提供技術(shù)支持。

（3）根據(jù)引水、除沙要求，分析和研究管流沖排沙沉沙池的布置，實現(xiàn)管流沖沙沉沙池設(shè)計。

（4）研究深厚砂礫石覆蓋層不均勻基礎(chǔ)處理方案，進行沉沙池基礎(chǔ)處理設(shè)計。

2.2 解決思路和方法

對該工程復(fù)雜水沙條件、引水運用條件、強地震下可液化基礎(chǔ)處理及沖排沙方式、沉沙池布置等進行了一系列研究，提出了以下解決思路和方法：

（1）采用物理模型試驗和數(shù)值分析方法，選用合適模型，研究沉沙池在不同水沙條件下的流速、流態(tài)、水面線特征，對沉沙池的結(jié)構(gòu)、布置進行全面分析。

（2）通過物理模型試驗和數(shù)值分析，研究不同運行方式下沉沙池泥沙淤積形態(tài)。

（3）采用不同分析方法研究不同地基處理措施的處理效果，并對混凝土灌注樁樁土之間、樁和基巖之間、樁和砂礫石墊層之間的接觸特性及不同樁端形式對處理基礎(chǔ)液化和不均勻沉降的效果進行分析。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

（1）目前在國內(nèi)外已建沉沙池工程中CCS水電站沉沙池規(guī)模及引流量最大。通過對比分析，該工程采用8條單池槽凈寬13.00 m、深18. 50 m、工作長度150.00 m的連續(xù)水力沖洗式沉沙池解決了過機泥沙問題，該沉沙池為目前世界最大規(guī)模的連續(xù)水力沖洗式沉沙池。

（2）管流沖排沙沉沙池設(shè)計處于世界領(lǐng)先水平。通過分析國內(nèi)外沉沙池應(yīng)用實例，首次將管道沖排沙應(yīng)用在大型水電沉沙池設(shè)計中，設(shè)計沖沙流量僅為引水流量的7.5%，達到國內(nèi)外先進水平。

（3）首次將頂擴頭灌注樁應(yīng)用于基礎(chǔ)處理。根據(jù)樁頂端對水平荷載影響較大的特點，首次提出并采用了頂端擴大混凝土灌注樁復(fù)合基礎(chǔ)，解決了沉沙池深厚覆蓋層沉降量及沉降差大、基礎(chǔ)液化等問題。

（4）首次將以火山灰質(zhì)為主的懸移質(zhì)泥沙處理技術(shù)應(yīng)用于工程實踐?；跀?shù)值分析技術(shù)對流場和沉沙、沖沙之間關(guān)系‘5-7]的研究表明，沉沙池結(jié)構(gòu)尺寸與沉沙粒徑、沉沙效率關(guān)系較大。在數(shù)值分析和物理模型研究[8]的基礎(chǔ)上，成功將以火山灰質(zhì)為主的懸移質(zhì)泥沙處理技術(shù)運用于工程實踐并取得了良好的效果。

3 超深覆蓋層上修建大泄量混凝土過水建筑物研究

3.1 主要研究內(nèi)容

首部樞紐由混凝土面板堆石壩、溢流壩、引水閘及沉沙池組成。首部樞紐區(qū)域最大洪峰流量為15 000m³/s，溢流壩和沖沙閘最大泄流量為16 444 m³/s。由于工程泄水規(guī)模大、地震烈度高，且建在厚2 - 217 m不等的砂卵礫石覆蓋層上，存在抗滑穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定、不均勻變形等關(guān)鍵問題，另外泄洪建筑物運用頻繁，需保證不同流量的下泄水流與河道天然流態(tài)平順銜接，以避免下游河床及兩岸發(fā)生沖刷，因此需要研究并解決如下問題：

（1）根據(jù)地質(zhì)條件、工程布置和初擬結(jié)構(gòu)型式，研究不同建基面高程和結(jié)構(gòu)型式，以滿足抗滑穩(wěn)定和承載力控制要求。

（2）覆蓋層的滲透系數(shù)為10^-2～ 10^-3cm/s，屬于中等透水，其厚度較大，壩基滲漏問題突出;覆蓋層顆粒級配不良，在高水頭作用下，存在滲透變形問題，需要根據(jù)覆蓋層組成確定不同的地基處理措施。

（3）混凝土建筑物建基于厚2- 217 m的覆蓋層上，覆蓋層存在部分中等壓縮性粉質(zhì)黏土和粉土層，需根據(jù)變形控制要求確定不同的地基處理措施。

（4）消能防沖標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)下泄流量為0-6 020 m³/s，上下游水位差為6.52 - 20.28 m，下游河道水位最大變幅為7m，需要研究不同消能防沖方案和消能效果以解決出閘水流的平順連接問題，減輕對下游河道的沖刷，保證水工建筑物安全。

3.2 解決思路和方法

在分析地基覆蓋層物理力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)運用方式提出了以下解決思路和方法：

（1）采用理論研究和經(jīng)驗分析相結(jié)合的辦法，確定所在河段的抗沖流速。

（2）采用數(shù)值分析和物理模型試驗相結(jié)合的方式，研究庫區(qū)不同淤積情況下首部樞紐泄流能力和沖沙閘沖沙效果。

（3）采用有限元靜動力分析方法，研究高地震烈度下建基于深覆蓋層上的混凝土建筑物結(jié)構(gòu)布置和細(xì)部設(shè)計。

（4）通過覆蓋層組成和施工能力分析，研究滿足防滲和滲透穩(wěn)定要求的混凝土建筑物基礎(chǔ)處理方案。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

（1）其為目前國內(nèi)外建在深覆蓋層上的泄流量最大的混凝土過水建筑物之一。首部樞紐工程區(qū)覆蓋層最大深度超過200 m.修建的開敞式溢流壩和沖沙閘最大泄流能力為16 444 m³/s，最大壩高39 m，最大單寬流量94 m²/s。

（2）采用塑性混凝土防滲墻進行防滲。根據(jù)地質(zhì)情況和運行特點，覆蓋層采用最大深度為30 m的塑性混凝土防滲墻進行永久建筑物防滲處理。

（3）數(shù)值分析和物理模型試驗相互驗證。為論證溢流壩的過流能力和消能效果，采用數(shù)值模擬分析、整體和局部物理模型試驗進行相互驗證和比較，為工程的合理布置和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要參考。

（4）采用分縫和鍵槽相結(jié)合的措施解決不均勻沉降問題。溢流堰順?biāo)飨虻装彘L度為52.61 m，垂直水流向長度為22 m.溢流堰面分縫為2 cm寬，縫內(nèi)設(shè)一道銅片止水，一道PVC止水，伸縮縫迎水表面填充0.05 m厚聚硫密封膠封閉。為減小分塊之間地基不均勻變形的影響，提高堰體整體性，縫面布設(shè)多層鍵槽，塊體間相互咬合。

（5）采用多種地基處理措施。根據(jù)地質(zhì)條件和上部結(jié)構(gòu)要求，在沖砂閘下部采用素混凝土端承樁解決不均勻變形較大問題，在左岸擋水壩段下部采用振沖碎石樁解決可液化砂層問題，對溢流壩段采用放緩上部壩坡的措施解決抗滑穩(wěn)定和基礎(chǔ)承載力問題。

4 復(fù)雜地質(zhì)條件下深埋長隧洞研究

4.1 主要研究內(nèi)容

輸水隧洞設(shè)計引水流量為222 m³/s.設(shè)計內(nèi)徑8.2m，隧洞總長24.83 km，最大埋深722 m，是目前南美洲已建的最長的大埋深輸水隧洞。隧洞采用全斷面襯砌結(jié)構(gòu)型式，縱坡坡降為0. 173%，隧洞出口設(shè)事故閘門，閘室段后設(shè)消力池。正常運行工況為明流，非常工況即機組甩負(fù)荷、隧洞出口閘門關(guān)閉時，洞內(nèi)存在明滿流過渡狀態(tài)。采用兩臺雙護盾TBM同時掘進，并輔以鉆爆法施工。

CCS水電站設(shè)計是在意大利ELC公司完成的概念設(shè)計的基礎(chǔ)上進行的優(yōu)化設(shè)計。鑒于國際工程的特殊性和隧洞沿線地質(zhì)條件的復(fù)雜性，為確保隧洞工程實現(xiàn)相關(guān)各方質(zhì)量先進、技術(shù)可靠、工期合理和投資節(jié)省的目標(biāo)，需針對長距離大深埋隧洞設(shè)計中的問題進行研究。

（1）方案布置優(yōu)化。概念設(shè)計階段輸水隧洞后半段存在明滿流過渡且流態(tài)轉(zhuǎn)換頻繁，轉(zhuǎn)換點位置不固定，通氣豎井施工難度大，需放空調(diào)蓄水庫才能對隧洞出口段檢修等缺點，在詳細(xì)設(shè)計階段對此進行優(yōu)化。

（2）管片構(gòu)造選型。由于占全部隧洞長度近95%的隧洞采用TBM施工，因此管片的厚度、環(huán)間寬度等的選擇不僅直接影響工程的質(zhì)量和安全，而且因涉及不同地質(zhì)條件和施工條件的適應(yīng)性而直接影響隧洞的施工工期。

（3）管片結(jié)構(gòu)分析。經(jīng)過對中國、美國、歐洲關(guān)于隧洞設(shè)計規(guī)范體系的研究，發(fā)現(xiàn)不同規(guī)范體系對隧洞在相同條件下的配筋計算所得結(jié)果差別較大，而配筋直接影響到工程的安全，且對投資影響較大。

（4）施工支洞處理和后期高效利用。為了縮短建設(shè)工期，在隧洞施工中一般采用設(shè)置施工支洞增加工作面的方法進行處理，但是工程竣工后施工支洞處理方式將直接影響工程的工期、運行維護和投資。

4.2 解決思路和方法

（1）分析樞紐工程布置和運行條件，優(yōu)化隧洞布置。根據(jù)樞紐工程布置和運用條件.研究明流洞方案和取消渦流豎井、壩內(nèi)虹吸管及兩個通氣豎井的可行性。

（2）充分利用BIM設(shè)計技術(shù)，根據(jù)布置和施工組織選擇管片類型[9-11]。在滿足安全的前提下，采用BIM信息化設(shè)計技術(shù)，結(jié)合自主研發(fā)的集成平臺、流程化軟件及VR技術(shù)，對可能的管片類型結(jié)合施工組織進行仿真分析，優(yōu)選管片類型。

（3）充分分析不同規(guī)范體系的區(qū)別，選取安全經(jīng)濟計算結(jié)果。對審批方認(rèn)可的中國、美國和歐洲規(guī)范體系進行充分研究，找出相關(guān)規(guī)定的異同點和設(shè)置原則，對每種管片類型分別采用不同的規(guī)范體系進行詳細(xì)計算分析，并從安全度、投資和對工期的影響等方面進行對比。

（4）根據(jù)地質(zhì)條件和運行方式，研究簡化臨建設(shè)施、改造永久運維通道的方案。目前常用的改建方案是在施工支洞與輸水隧洞主洞交叉連接段內(nèi)設(shè)置檢修閘門，通過控制檢修閘門啟閉實現(xiàn)輸水隧洞的運行和檢修目的，但存在增大工程投資和運行維護成本大的缺點，根據(jù)支洞附近圍巖條件和運行方式，根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，研究不同的改建方案。

4.3 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

（1）優(yōu)化隧洞布置。采用明流洞方案，取消概念設(shè)計階段意大利ELC公司提出的渦流豎井、壩內(nèi)虹吸管以及兩個通氣豎井等方案，不僅簡化了工程布置、優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計，而且降低了施工難度，節(jié)約了投資。

（2）選用通用型薄管片。設(shè)計采用通用四邊形TBM薄管片，轉(zhuǎn)彎或糾偏時不需頻繁更換管片類型，簡化了施工程序;管片混凝土強度、定位孔、螺栓連接孔、燕尾槽等設(shè)置合理，保證了管片制作、脫模、安裝的施工質(zhì)量。

（3）多方案對比計算分析。在管片結(jié)構(gòu)設(shè)計中分別采用美國、歐洲和中國規(guī)范體系的設(shè)計理念進行對比分析，保證了工程安全，節(jié)省了投資，為今后國內(nèi)外相關(guān)工程設(shè)計提供了參考實例。

（4）將施工支洞改為永久運維通道12-13]。首次采用在施工支洞內(nèi)設(shè)置“凸”形道路改建檢修支洞的方法，避免了增設(shè)檢修閘門，不僅降低了施工難度和工程投資，經(jīng)濟易行，縮短了工期，而且該檢修支洞還可兼作明流輸水隧洞的通氣洞。

5 高水頭壓力管道研究

5.1 主要研究內(nèi)容

該工程共布置兩條內(nèi)徑5.8 m的壓力引水管道，均由進水塔、上平段、上彎段、豎井段、下彎段、下平段和岔支管段組成。其中：1#壓力管道主管軸線長度為1 782.935 m.豎井段長478.55 m;2#壓力管道主管軸線長度為1856.339 m，豎井段長476.195 m。兩條壓力管道平面距離為16.2- 80.0 m，最大內(nèi)水壓力水頭約630 m，埋深較深、地應(yīng)力較低，同時工程運行中存在單洞運行的工況，兩洞間距應(yīng)綜合考慮滲透破壞、水力劈裂、圍巖特性、工程造價等因素來確定。

為解決上述問題，需要研究以下內(nèi)容：

（1）1#、2#壓力管道的布置問題。根據(jù)進水口和廠房位置，通過布置研究，使任一壓力管道洞身各方向和兩條壓力管道之間的圍巖在不同運行工況下不產(chǎn)生滲透破壞和水力劈裂，同時在高地應(yīng)力區(qū)，管道軸線方向應(yīng)與最大水平地應(yīng)力方向有較小的夾角。

（2）鋼襯起點的選擇。由于壓力管道水頭高、洞線長，因此鋼襯位置的確定不僅直接關(guān)系著工程的運行安全，而且直接影響著工程的安全和投資。

（3）襯砌結(jié)構(gòu)計算方法。該工程壓力管道內(nèi)水頭最大達630 m，屬于高壓隧洞范疇，而國內(nèi)外對此尚無成熟的設(shè)計理論支持，可供借鑒的工程經(jīng)驗較少。壓力管道安全可靠運行對CCS水電站至關(guān)重要，可靠的結(jié)構(gòu)計算方法不僅能保證工程的安全運行，而且能有效降低投資、縮短工期。

（4）廢井處理檢修。針對施工中出現(xiàn)的廢井，其與新井距離較近，且該區(qū)域地應(yīng)力相對較高，同時其埋深大，地下水位高，采用常規(guī)處理方法不能保證回填密實，因此研究廢井的有效處理方法，避免其對相鄰壓力管道產(chǎn)生不利影響，也是該工程的重點研究內(nèi)容。

5.2 解決思路和方法

（1）根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)分析成果，進行三維滲流場分析，研究不同布置方案在各種運行工況下的滲流場，為壓力管道的布置提供數(shù)據(jù)支撐，并為襯砌結(jié)構(gòu)的計算提供外水壓力數(shù)據(jù)。

（2）參考目前國際較為通用的挪威準(zhǔn)則和雪山公式，根據(jù)原位地應(yīng)力測試結(jié)果，在滿足不同運行工況容許滲透坡降的情況下，確定鋼襯的起點位置。

（3）結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)經(jīng)驗，對透水襯砌和不透水襯砌進行分析，研究不同襯砌方式的襯砌厚度、配筋形式、工期和投資，綜合比較后選定最終的襯砌方式。

（4）結(jié)合充水試驗及運行期間的監(jiān)測資料，對采用的設(shè)計方法和最終設(shè)計結(jié)果進行評價分析，并對采用的計算參數(shù)進行反分析，為工程的安全評估提供依據(jù)，為后續(xù)項目的設(shè)計提供參考和借鑒資料。

5.3 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

（1）首次在高壓管道混凝土襯砌設(shè)計中采用了混凝土襯砌和土工膜聯(lián)合的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，該項目的實踐證明，這種襯砌結(jié)構(gòu)對降低滲漏量效果良好。

（2）對于埋深超過700 m的壓力管道下平段而言，首次在最小地應(yīng)力/內(nèi)水壓力小于1.1的情形下，確定了鋼襯起點，極大地降低了工程造價，為其他工程設(shè)計提供了借鑒。

（3）相對于傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計方法，首次基于鋼筋混凝土施工完建裂縫統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對施工期襯砌外水壓力進行折減，為外水壓力計算從定性分析轉(zhuǎn)向定量分析進行了探索。

（4）在總結(jié)國內(nèi)外關(guān)于透水襯砌的研究基礎(chǔ)上，將透水襯砌的設(shè)計理念應(yīng)用到具體工程實踐中。

6 大跨度地下洞室群研究

6.1 主要研究內(nèi)容

厄瓜多爾CCS水電站采用地下廠房，埋深為200m左右，主廠房尺寸為212.0 mx26.0 mx46.8 m（長×寬×高），主變洞尺寸為192.0 mx19.0 mx33.8 m（長×寬×高），主廠房與主變洞之間巖壁厚度為24 m。地下廠房處地表地形起伏大，且呈現(xiàn)洞室多、洞室群縱橫交錯布置、主洞室跨度大、距離近、薄巖壁等現(xiàn)象，應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律復(fù)雜，圍巖穩(wěn)定問題突出。

為解決上述問題，在設(shè)計階段進行了如下研究：①主變洞和主廠房之間、母線洞之間、尾水洞之間的超薄巖壁在施工期和運行期的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及其處理方式;②超薄巖壁處理方式施工可行性;③超薄巖壁問題地質(zhì)敏感性分析和處理方法的動態(tài)響應(yīng)。

6.2 解決思路和方法

（1）采用不同軟件對施工過程進行動態(tài)仿真分析，并對圍巖性質(zhì)進行敏感性分析，得到不同施工階段和地質(zhì)條件下圍巖變形、應(yīng)力及塑形區(qū)分布情況，研究不同支護方案的支護效果。

（2）根據(jù)現(xiàn)場開挖情況、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、聲波測試數(shù)據(jù)等反饋資料動態(tài)優(yōu)化支護設(shè)計。

（3）運用模糊模式識別、模糊積分和突變理論，對整個支護結(jié)構(gòu)進行全面分析，并對支護效果進行量化評價。

6.3 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

（1）通過研究不同支護方式，得知鋼拱架加噴混凝土情況下三向薄巖壁安全系數(shù)滿足要求，避免了設(shè)置大范圍預(yù)應(yīng)力錨桿對施工工期的影響。

（2）根據(jù)應(yīng)力、位移、聲波測試等多項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行母線洞及其他部位圍巖穩(wěn)定動態(tài)反饋分析，總結(jié)并形成系統(tǒng)的圍巖“動態(tài)優(yōu)化設(shè)計”方法，成功運用于該工程中，保證了工程的安全施工和運行。

（3）首次基于MATLAB軟件平臺采用模糊數(shù)學(xué)、模糊積分、突變理論識別模型對洞室支護結(jié)構(gòu)進行合理性評判，拓展了洞室支護結(jié)構(gòu)合理性評判新思路。

7 大容量沖擊式水輪機組及高壓配電裝置型式研究

7.1 主要研究內(nèi)容

（1）水輪機型式比選研究。根據(jù)該電站的運行水頭范圍，各種類型水輪機適應(yīng)的水頭范圍，水輪機運行效率和最高效率、比轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速，機組尺寸，廠房開挖深度，工程量及綜合造價，以及相應(yīng)的工期影響和運行維護成本等，進行水輪機型式比選。

（2）沖擊式水輪機抗磨防護研究。參考工程實例并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，研究沖擊式水輪機不同部位磨蝕程度和原因，據(jù)此研究重點防護部位和不同抗磨蝕涂層材料。

（3）發(fā)電機配電裝置型式研究。該電站發(fā)電機與變壓器采用單元接線方式。發(fā)電機與500 kV升壓變壓器之間設(shè)備較多，如斷路器、電流電壓互感器、接地開關(guān)等。發(fā)電機出口配電裝置尤其是發(fā)電機斷路器（ GCB）和電制動開關(guān)型式的選擇涉及機組安全運行和土建尺寸的確定。為此，需對上述設(shè)備的選擇及布置型式進行研究。

7.2 解決思路和方法

（1）水輪機型式的確定。該水電站運行水頭為594.27 - 616.74 m.根據(jù)運行水頭的范圍可供選擇的水輪機機型有混流式和沖擊式兩種。根據(jù)電站的運行條件，通過對兩種機型水輪機效率、對負(fù)荷變化的適應(yīng)性以及設(shè)備投資和土建投資的綜合比較，并根據(jù)過機泥沙特點考慮運行維護頻率和成本，選擇水輪機類型。

（2）抗磨蝕材料和涂層部位分析。根據(jù)水輪機不同部位的磨蝕程度和原因分析，在采用布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計減免的基礎(chǔ)上選擇合適的抗磨蝕材料和涂層部位。

（3）發(fā)電機斷路器型式選擇。根據(jù)機組安全運行要求，綜合考慮土建和機電設(shè)備投資，對發(fā)電機出口負(fù)荷開關(guān)、發(fā)電機斷路器、隔離開關(guān)等型式進行研究，綜合分析電氣性能、分?jǐn)嗄芰Α⒃O(shè)備布置型式、運行維護便利性等，最終確定發(fā)電機斷路器成套裝置。

7.3 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

（1）水輪機型式和參數(shù)選擇是一項復(fù)雜的技術(shù)探索過程，該工程在對各種類型水輪機適應(yīng)的水頭范圍、運行效率、比轉(zhuǎn)速、綜合投資及運行維護成本等全面分析的基礎(chǔ)上，提出了水輪機類型和參數(shù)的定量選型方案。

（2）通過工程實例和數(shù)值分析，確定了沖擊式水輪機的通常磨蝕部位和磨蝕原因，并選用碳化鎢作為抗磨蝕防護材料。

（3）發(fā)電機出口采用發(fā)電機GCB和專用的電氣制動裝置，能夠最大程度地契合該工程實際情況，技術(shù)性能最優(yōu)，同時對土建布置等有較大便利，是一種完美的地下廠房大容量沖擊式機組機電設(shè)備選型及布置解決方案。

8 結(jié)語

CCS水電站已于2016年11月18日建成發(fā)電，截至目前CCS水電站累計發(fā)電160.56億kW.h。CCS水電站作為中國企業(yè)“走出去”戰(zhàn)略的標(biāo)志性工程，一系列設(shè)計難點的成功解決塑造了中國水電設(shè)計的品牌形象，為中國水電在國際市場的開拓做出了貢獻。

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【責(zé)任編輯張華巖】