水電站所有的建筑物都有其特有的功能,它們可以用于攔截河流、集中落差、形成水庫,其中最為常見的就是水電站大壩、水閘擋水等。大壩在防洪泄洪方面起到重要的作用。
1、水電站大壩類型
壩,作為水利樞紐,主要功能是擋水防洪。大壩的類型根據(jù)壩址的自然條件、建筑材料、施工場(chǎng)地、導(dǎo)流、工期、造價(jià)等綜合比較選定。每個(gè)水電站大壩都必有的部分是擋水壩段。
通常來說,大壩分為土壩、重力壩、混凝土面板堆石壩、拱壩等。有些水電站的發(fā)電廠房也是大壩的一部分。
水電站大壩在溪流、河流、河口作為屏障,防洪泄洪,用水力發(fā)電,或存儲(chǔ)水源、灌溉。我國有豐富的江川河流,水電站發(fā)電獨(dú)占鰲頭。2013年水電站發(fā)電消費(fèi)為206.3 Mtoe(百萬噸油當(dāng)量),占世界總量的24%,按照1噸油當(dāng)量=1.5噸煤計(jì)算,相當(dāng)于3億噸煤。
下面主要分析拱壩、重力壩。
拱壩是建筑在峽谷中的攔水壩,做成水平拱形,凸邊面向上游,兩端緊貼著峽谷壁,通常壩身還有泄洪孔、導(dǎo)流孔。
世界十大拱壩工程分布在亞洲、歐洲兩大區(qū)域。中國在十大拱壩上占據(jù)五個(gè)席位,分別為:錦屏一級(jí)壩(壩高305米)、小灣壩(壩高292 米)、溪洛渡壩(壩高285.5米)、拉西瓦壩(壩高250米)、二灘壩(壩高240米)。
拱壩幾何形狀復(fù)雜,施工難度大。拱壩在拱與梁的共同作用下,承受負(fù)荷,它的穩(wěn)定性依靠?jī)砂豆岸说姆戳ψ饔?,?duì)基地的要求高。拱壩壩身可以泄水,不設(shè)永久性伸縮縫,抗震性能好。
重力壩,由砼或漿砌石修筑的大體積檔水,基本剖面是直角三角形,整體是由若干壩段組成。在水壓力和其負(fù)荷作用下,主要依靠壩體產(chǎn)生的抗滑力滿足穩(wěn)定要求。筑壩材料為混凝土或漿砌石。重力壩可能有船閘、魚道、沖砂孔。
據(jù)統(tǒng)計(jì),在各國修建的大壩中,重力壩在各種壩型中往往占有較大的比重。比如,三峽大壩,是世界上規(guī)模最大的混凝土重力壩,壩高181米、壩長(zhǎng)2335米、壩頂寬度40米、壩底寬度115米。它位于中國湖北省宜昌市境內(nèi),距下游葛洲壩水利樞紐工程38公里,年發(fā)電量為985億千瓦小時(shí),是當(dāng)今世界最大的水利發(fā)電工程——三峽水電站的主體工程、三峽大壩旅游區(qū)的核心景觀、三峽水庫的東端。
在大江大河上建設(shè)大壩多選用重力壩;山區(qū)狹窄河道,且壩肩地質(zhì)承載力好的話,使用拱壩小型的橡膠壩。重力壩一般用混泥土或塊石混泥土作為筑壩材料。對(duì)水庫蓄水電站而言,也有很多是用就近取土作為筑壩材料。一般來說,大壩高度越高,水庫則越大,調(diào)節(jié)性能就越好,能夠起到為電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相的作用。而影響壩高的因素很多,包括地質(zhì)、地形、電力需求等。
2、水電站特征水位介紹
水電站的特征水位主要有死水位、正常蓄水位、汛限水位、防洪限制水位、防洪高水位、設(shè)計(jì)洪水水位、校核洪水位等。
死水位是在正常運(yùn)行時(shí),水庫消落的最低水位,死水位以下的水庫容積是死庫容,一般是為了保持水電站有一定的工作水頭,不被利用。
正常蓄水位,又稱正常高水位、興利水位、設(shè)計(jì)蓄水位,是水庫最重要的一項(xiàng)特征水位,是擋水建筑物穩(wěn)定計(jì)算的依據(jù)。當(dāng)采用無閘門控制泄洪建筑物時(shí),它與泄洪堰頂高程相同;當(dāng)采用閘門控制泄洪建筑物時(shí),閘門關(guān)閉,它是允許長(zhǎng)期維護(hù)的最高蓄水位。
汛限水位是指汛期為滿足防洪要求,限制水庫興利允許的上限水位,低于正常蓄水位。汛限水位可以與死水位重合,如北京官廳電站水庫,正常蓄水位479m,死水位及汛限水位為476m。汛限水位也可以介于蓄水位和死水位之間,適用于有一定規(guī)律可循的河流。汛期洪水發(fā)生時(shí)間不大穩(wěn)定,對(duì)于洪水出現(xiàn)不定期或全年多次洪峰的情況,需要在任何時(shí)候預(yù)留出防洪所需的庫容,汛限水位可以與正常蓄水位重合。
防洪限制水位是水庫調(diào)節(jié)后達(dá)到的壩前最高水位,防洪高水位是壩前達(dá)到的最高水位,只有在水庫對(duì)下游防洪時(shí),才需要確定這一水位。這一水位可采用相應(yīng)的下游防洪標(biāo)準(zhǔn)的各種典型洪水,按照擬定的防洪調(diào)度模式設(shè)計(jì)。為了保障汛期水庫防洪,水庫會(huì)在汛期沒到時(shí),騰出庫容。汛限水位以上的庫容是作為滯蓄洪水的庫容,在發(fā)生洪水的時(shí)候,水庫才允許超過防洪限制水位來泄洪,洪水消退,如汛期未過,應(yīng)盡快地泄洪,使水庫水位迅速回降到防洪限制水位。如上圖所示,防洪限制水位一般低于設(shè)計(jì)洪水水位和校核洪水位。
設(shè)計(jì)洪水水位是擋水建筑穩(wěn)定計(jì)算的主要依據(jù),是水庫遇到大壩的設(shè)計(jì)洪水時(shí),在壩前達(dá)到的最高水位。
校核洪水位是水庫在正常運(yùn)作下,短期允許達(dá)到的最高水位,是確定大壩頂高進(jìn)行安全校核的依據(jù)。校核洪水位與防洪限制水位之間的庫容是調(diào)洪庫容,校核洪水位以下的庫容為總庫容。
3、水電站大壩防洪調(diào)度
防洪泄洪關(guān)系民生,大壩在防洪泄洪方面起到重要的作用。舉個(gè)例子,三峽大壩設(shè)計(jì)最高蓄水位是175米。在每年汛期,保證上游水位在145米的防洪限制水位,多出30米的庫容以迎接洪峰。洪峰后,超過145米的水量下泄,為下次洪峰做準(zhǔn)備,下泄的水使中下游江面的水位升高,但不影響人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。
泄洪,是水庫里的水不急著用于發(fā)電,直接從大壩通過。水壩、水庫和水電站作用是通過攔蓄洪水,蓄洪補(bǔ)枯,在調(diào)節(jié)水資源的同時(shí)壅高水位發(fā)電。泄洪需要進(jìn)行防洪調(diào)度,滿足蓄洪補(bǔ)枯。
以三峽為例子,它的可調(diào)度庫容221億立方米,長(zhǎng)江的年徑流量接近一萬億立方米,水量的百分之八十在雨季。為保證三峽防洪庫容發(fā)揮作用,需要防洪調(diào)度,保障庫容擁有221億庫容防洪能力。進(jìn)入汛期,三峽水庫的水位不能超過145米高程。
防洪調(diào)度的目的是要保障水庫防洪作用。還是以三峽水庫為例,一旦三峽水庫不能再規(guī)定時(shí)間內(nèi)把發(fā)電水位降到最低,必須通過泄洪讓水庫水位保持到汛限水位。
20世紀(jì)90年代,水電站大壩對(duì)幾場(chǎng)大洪水的防洪泄洪起到了重要作用,減少了洪水帶來的巨大風(fēng)險(xiǎn)。防止洪水漫壩、潰壩,實(shí)現(xiàn)人與自然和諧相處,也被越來越多的人們所重視。
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