英布鲁水电站主要技术问题的研究

2011-04-14席燕林张泽太庞书聪王立选

水利水电工程设计 2011年4期

关键词：孤网坝基砂岩

席燕林张泽太庞书聪王立选

1 基岩特性与防渗体系研究

1.1 基岩的特性研究

坝基岩体为白垩系陆相沉积砂岩,系由不同厚度含有薄层、中厚及厚层沉积层理结构的胶结不良软弱砂岩组成,岩层产状近水平,无构造断裂、褶皱和裂隙发育。由于其具有胶结不良的特点,其工程特性和渗流特性与通常的砂岩有较大的差异。

通过岩体力学试验、现场荷载试验、灌浆和压水试验、声波测试等方法,对坝基岩体结构特性和渗流特性进行了研究,通过试验研究揭示了基岩的特性。

(1)坝基岩体胶结性差,呈半成岩状态。岩体干密度一般在2.0 g/cm3左右,工程特性主要表现为承载力低。单轴抗压强度一般小于5 MPa,岩体变形模量指标在1 GPa左右,属于极软岩。

(2)坝基岩体具有大孔隙、低密度的特征,孔隙率在25%左右,坝基砂岩总体属于强透水地基。

(3)岩体由粒径0.1～1 mm的均匀砂粒组成,形成了密实的粉细砂的孔隙结构。灌浆试验反应,岩体只透水不吸浆,水泥灌浆在本工程特殊的基岩条件下是无效的。

(4)灌浆前后的声波检测结果看,灌浆前后的声波值变化微小,灌浆影响范围小,灌浆对岩体的加强作用微弱,水泥灌浆在本工程的岩体中不能形成有效的帷幕。

(5)实际的施工过程反应,岩体抗冲刷能力差,特别是在沿岩层层面,极易产生层面冲刷。

(6)声波速度 (vp)与岩体质量之间具有较好的相关性,可以采用测声波对建基面岩体质量进行检测。

1.2 枢纽的防渗体系设计

根据基岩的特性,设计采用三维有限元方法对基础渗流和渗流控制方案进行了分析,由于坝基砂岩属于无限深强透水地基,防渗帷幕的成幕效果极差,即使形成了有效的帷幕,其减渗作用仍然较差。当防渗幕墙较浅时,消减渗透水头的作用微弱。通过对坝基渗透性、灌浆效果的分析,枢纽最终采用以下措施形成了有效的防渗体系:

(1)两岸土坝为心墙与上游内铺盖 (并延伸至坝体外)相结合形成坝体与基础防渗体系；

(2)泄水闸及河床电站采用上游设混凝土防渗护坦防渗；

(3)左右坝肩的岸坡采用贴坡防渗铺盖；

(4)将左右坝肩贴坡防渗铺盖、土坝上游内铺盖与泄水闸及河床电站坝段的混凝土防渗护坦通过上游纵向导墙连接过渡,形成枢纽的上游整体防渗体系；

(5)土坝在坝趾渗流出逸区设置水平反滤层,左右坝肩的岸坡在下游设贴坡反滤层排水,泄水闸和电站在下游均设置反滤层和排水管,形成了枢纽有效的排水保护系统。

2 建基面的保护与选择标准

本工程坝基岩体一般胶结程度较差,岩层表部风化程度较高,开挖后表层受扰动强烈,往往会在建基面残留一层散粒砂,确定建基面的选择标准比较困难。

考虑到本工程坝体高度较小,承载力和沉降变形问题并不严重,强透水性及其可能发生的渗透变形破坏,则是最主要的工程地质问题。设计根据坝基岩体的特性,并结合不同坝段对坝基岩体的性能要求,提出了建基面以保护措施加纵波波速控制的综合选择标准,在实际中取得了较好效果,不同坝段建基面的保护措施和选择标准为:

(1)土坝段建基面位应于完整的第③层砂岩,清除上部全—强风化软弱砂岩后,及时撒泼1∶3的水泥浆与基础面不均匀的松散砂自然结合形成了砂浆保护层,对建基面进行了有效保护。建基面控制的实测纵波速度值一般应大于1 700 m/s,实测纵波速度低于1 700 m/s时,应进行局部换填处理。

(2)泄水闸及河床电站等混凝土坝段荷载较大,要求大部分基础应置于第②大层砂岩,为避免人为因素对岩体产生影响,开挖完成后及时浇筑C15混凝土垫层20 cm厚,形成基础保护层。基础钢筋混凝土施工应在混凝土垫层上进行,建基面的实测纵波速度值一般应大于2 000 m/s,实测纵波速度低于2 000 m/s时,应进行局部混凝土换填处理。

3 坝肩绕坝渗流控制问题

本工程两岸坝肩上覆砂壤土,由于砂壤土覆盖层较厚,且越向山体内厚度越大,对砂壤土的防渗需要较深的帷幕。设计利用三维有限元渗流程序对右、左岸坝肩防渗帷幕的防渗效果进行了分析,结果显示浅层防渗帷幕的作用不明显,绕坝渗流现象会在左右岸下游岸坡较大范围出现。

设计采用在上游岸坡设铺盖防渗,并使河床铺盖与岸坡铺盖形成一个完整的铺盖防渗系统,对山体砂壤土覆盖层进行防渗保护,在左右坝肩的岸坡下游岸坡渗流出逸区设置了贴坡反滤层保护。

右岸厂前区由于厂区平台的宽度较大,利用自然排水无法保证厂区平台不受浸没影响,设计在右岸厂前区岸坡沿上下游方向设置了排水盲沟,沟深2.5 m,采用PVC花管排水。外围采用透水反滤料填筑,保证了右岸厂前区不被渗透水浸没影响。

4 筑坝材料选择与土坝设计

原设计业主规定的筑坝材料主要为3种,各种筑坝材料的特性及存在的问题为:

(1)林中空地土料场的材料为防渗料,轻壤土及砂壤土,土料天然含水率9.7%～16.5%,黏粒含量11.3%～17.9%。最优含水率11.29%,最大干密度1.93 g/cm3,天然含水率较最优含水率高2%～3%,在雨季实际天然含水率比勘察结果高,一般会超出施工允许含水率。

(2)坝基开挖料为白垩系地层为巨厚的砂岩沉积,由薄层、中厚及厚层胶结不良砂岩岩层组成。由于砂岩呈孔隙式点接触胶结,胶结差,开挖扰动后呈松散砂状,以中、细颗粒为主,粒度模数1.45左右,碾压后不是石渣,而是中细砂,即筑坝材料发生了性质的改变。

(3)贡贝石料场的块石料。贡贝石料场距工程区215 km,岩层为前寒武系长石石英砂岩和含砾砂岩,岩石坚硬,完整性较好,储量和质量均满足技术要求,但运输费用很高。

由于林中空地土料场实际天然含水率比勘察结果还要高,在刚果这种潮湿地区降低含水率是十分困难的。受每年6个月雨季的影响,使得扩大使用范围不太可能。坝基开挖料碾压后不是实际意义的石渣,使得开挖料在坝体上的使用范围大大减小,仅能在下游干燥区使用,由此导致原坝体设计不能实施。

为解决筑坝材料问题,在项目区经过补充勘测,找到左岸砂类土料料场。土料粉粒含量0.20%～5.80%,黏粒含量1.2%～2.5%,天然密度1.51 g/cm3,天然含水率13.01%,最优含水率14.24%,击实后渗透系数为 3.7×10-5～1.75×10-4cm/s。补充材料储量较小且击实后渗透系数较小,虽可以部分替代开挖料石渣填坝,但在上游饱水区不满足水库水位降落的排水要求,设计通过多方案研究,提出了四分区的土坝设计断面,解决了筑坝材料的问题。

最终土坝设计断面在坝体中部和上游坝体的底部为防渗土料,坝壳料由左岸砂类土料和坝基砂岩开挖料两部分组成。左岸砂类土料用于土坝上游区和下游区水下部分,坝基砂岩开挖料用于土坝下游区水上部分。为提高上游区左岸砂类土料的透水性,在该区利用透水性较好的坝基开挖料设置两层水平排水,以增强坝壳料的透水性能。这样调整分区后,3种筑坝材料的储量和力学指标均能满足设计要求,坝体稳定满足各种运行条件。

5 水轮发电机组选型设计与安全措施

目前,在中国和电网容量较大的其他国家,水电站的容量一般占电网的容量都较小,机组的并网和运行条件都很好。在这种电网条件下,机组出现突然甩负荷时,对电网的冲击影响较小。甩负荷后,机组也能很快的进入稳定的状态；因此,在大电网中,机组选型往往只需要考虑机组的能量效率、设备的可靠性及工程造价等问题。

刚果英布鲁水电站是刚果首都电网中惟一一座大型水电站,其建成后几乎是独立承担首都布拉柴维尔及北方城市的供电任务,电站距负荷中心较远,最大供电的距离约 320 km。电站设计水头16.1 m,为低水头电站,单机容量为30 MW,总装机4台机组为120 MW。根据电网的特性,对水轮发电机组选型设计进行了研究,采取以下措施保证了水轮发电机组的安全和功能发挥。

(1)优选机型。由于电网的自调节能力小于0,灯泡贯流式机组的转动惯量GD2值仅为2 200 t◦m2,无论调速器的参数如何调整,机组在该电网中的稳定域小于50%；而采用轴流转桨式水轮机,尽管电网的自调节能力小于0,其转动惯量可以大大提高。如合理调整调速器的参数值,机组在该电网中的稳定域为95%～100%；因此,选择立式轴流转桨式机组。

(2)优选参数。电站水轮机为孤网运行,要求水轮机既要有良好的水力性能,又要具有很高的稳定性。为提高水轮机局部抗气蚀性能,转轮叶片出口增加了抗气蚀裙边,并合理确定水轮机的安装高度,保证机组无气蚀运行。选定的水轮机参数如下。额定转速为107.1 r/min,额定比转速561.2m◦kW,额定工况点效率92.5%,转动惯量GD2为6 600 t◦m2。

(3)完善安全措施。针对机组的运行条件,采取了一套完整的安全防护措施,包括长臂抓斗、清污抓斗、清污小车和拦污栅组成清污系统；导水机构采用弹簧连杆安全结构,防止活动导叶卡死；电气测量与调速器、事故配压阀协联配合,形成完整的安全保护系统。设置机械防飞逸装置要求,在全厂失去电源的极端情况下,保障了机组的安全；设置电站进水口快速闸门作为机组防飞逸事故,保护电站厂房安全的最后措施。

采用以上措施后,经过1年的运行考验,保证了机组安全和效能的发挥。

6 电站孤网运行研究与措施

孤网是孤立电网的简称,一般泛指脱离大电网的小容量电网。在我国一般限定电网中单机容量应小于电网总容量的8%,以保证当该机组发生甩负荷时,不影响电网的正常运行。

英布鲁电站单机容量为30 MW,在刚果 (布)与刚果金电网联网时,英布鲁电站单机容量占系统容量的12%,应属于小网运行。由于刚果金电网输出的电能质量较低,而且刚果 (金)国内缺电的情况也比较严重,因此刚果 (布)政府在英布鲁电站建成后急于切断两国之间的电网联络线。当两国电网之间的联络线断开后,英布鲁电站单机容量占系统容量的25%左右,形成典型的孤网运行。

设计根据刚果 (布)的电网情况,对英布鲁电站孤网运行所需的外部和内部条件进行了分析,对机组的励磁、调速、保护、控制系统、线路电抗器配置等提出了以下要求,实现了机组的孤网运行。

(1)电站运行初期,在 “金—布”联络线断开后,无功功率的平衡问题直接影响英布鲁电站孤网运行的稳定性。由于电站距离首都的距离较远,线路较长,线路的容性无功功率较大,仅靠机组自身的能力无法满足线路无功功率的需求,需要在各个节点变电站内设置电抗器用于补偿线路的无功。

(2)电站在对长距离输电线路充电以及继电保护动作、误操作等过程中,往往出现单机带长线的情况,这时相当于发电机接入一个大电容。由于同步电机电抗参数周期性的变化引起系统产生参数谐振,发电机电流与电压将不受励磁电流控制而迅速增长,此时发电机有过电压的危险,必须采取措施来改变系统参数,破坏参数谐振条件,避免自励磁的发生。

(3)在孤网运行时,根据负荷端对电能质量的要求以及厂用电系统对电压稳定的要求,发电机的端电压应基本保持不变。这就要求机组孤网运行时投入励磁系统AVR的自动电压控制功能,随无功电流的变化调节发电机的励磁电流,保持发电机端电压的稳定,同时要将励磁系统PSS功能切除。

(4)在孤网运行时,主要问题不是负荷调整,而是孤网频率调整,使之维持在额定频率的附近。由于孤网容量较小,其中旋转惯量储存的动能和锅炉群所具备的热力势能均较小,要求主力机组的调速系统具有更高的灵敏度,更小的迟缓率和更快的动态响应,以保证在用户负荷变化的情况下自动保持电网频率的稳定。

(5)机组孤网运行时抗扰动能力较差,因此需要保护配置、后备保护的配合、自动装置就显得格外重要。实际上孤网运行系统很难做到象大网运行那样完善的保护配置,除将纵差保护、线路距离保护作为主要保护外,应该特别注重对一些简单的保护的应用,比如低压保护、方向过流启动的低压保护、复压启动的过流保护、过流及低压联锁的速断保护等。同时应该对一些常规保护进行重新设定,并且退出一些不适用于孤网运行的保护,比如失磁、失步保护。

7 防雷与接地问题

英布鲁水电站是罕见的高电阻率和强雷暴区域,河水与土壤显酸性,河水电阻率高达1 130 Ω◦m,含水砂壤土电阻率为2 300 Ω◦m。

刚果 (布)220 kV电网按2020年规划的结构考虑,根据系统计算,电站220 kV母线单相接地故障电流将为6.5 kA,即英布鲁水电站220 kV系统流入地网的最大短路电流约为4.88 kA。电站升高电压为220 kV系统,是中性点直接接地的大接地电流系统,地区供电的30 kV系统和发电机电压网络为小电流接地系统,厂用电网络为低压中性点直接接地系统。按照常规设计,英布鲁水电站接地网要满足接地电阻R≤2 000/I,即地网电位升高小于2 000 V,接地电阻小于0.410 Ω,并保证电气设备不受雷击困难很大。

通过对接地网进行了大量的分析研究和计算,取得以下研究成果。

(1)将电站各级电压系统采用1个共用接地系统,在接地设计中考虑河水相对于砂壤土电阻率低的特性,利用低电阻率介质——水的散流作用,尽可能地扩大水中接地网面积,获得了技术经济性价比高的接地网,同时又具有较小的总接地电阻。根据相关计算成果,英布鲁电站在上游水库中增加接地网,该接地网与主厂房、开关站接地网连接成整体的大接地网系统,以增加总接地网的面积,降低接地电阻。

(2)对于全厂总接地网,按高电阻率地区的要求适当提高接地网总接地电阻值。在满足接触电位差和跨步电位差前提下,选择适当的避雷器及对厂内外电位采取隔离等措施后,接地电阻的允许值放宽到5 Ω。

(3)为保证设备及人身安全,在220 kV开关站等地区设置均压网,开关站还铺4 cm厚的沥青混凝土层,当取其 ρ=5 000 Ω◦m,经计算能满足接触电势及跨步电势的要求。

依据研究成果及采取措施后,实施的英布鲁水电站接地网系统,实际测量的接地电阻为:220 kV开关站接地电阻为2.3～2.5 Ω,主厂房尾水侧接地电阻为 2.0～2.2 Ω,主厂房进水侧接地电阻为1.7～1.9 Ω,主厂房内接地电阻为2.0～2.1 Ω,测试结果远小于工程设计的5 Ω,为运行奠定了很好的基础；电站自2009年8月～2011年6月经历4个强雷雨季节的运行,接地系统运行情况良好。通过本工程的总结,获得了对高电阻率和高雷暴地区接地设计的新经验。