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德国图林根州(Thuringen)州水电工程考察报告 沈崇刚 贾金生 (中国大坝委员会) 德国的水能资源比较贫乏,全国技术可开发的水能资源仅为 254.8 亿度,至 1998 年已 开发 185 亿度, 为 64%,因此电网中为了调峰必须发展抽水蓄能电站。1999 年统计其能源 构成为硬煤(25.6%)燃油( 0.8%)轻质煤(24.3%)天然气(9.8%)其他燃气(2.3% ) 水能(4.6%)核能(30.4%)其它可再生能源包括风能等( 2.3%) 。1999 年全国装机共 112116 MW, 其中水电装机 24816MW,抽水蓄能 4636MW,可见一般。至今抽水蓄能电 站仍在继续建设。 德国的现代大坝建设起步较早,在 19 世纪末就开始兴建, 至 2001 年运行的大坝有 327 座,正建的只有 5 座。由于河流短,比降和流量都小,建大型水库可能性小,因此坝 工技术水平相对不高,特别是高坝因实践少,施工方法也比较保守。但其施工机械,地下 工程和特殊工艺却有独到之处。尤其是应用沥青混凝土防渗技术水平很高,应用早而经验 丰富, 造价低,可靠性高,一直处于国际领先地位,仍值得我们学习引进。 由于本国水资源有限,工程不多,故对水质监测、保护十分注意。其技术通过各种途 径打入国际市场,工程咨询公司仍能生存。虽然有一部分是靠投入资金而揽活,但其工作 方式,管理技术却值得我们效法。 图林根州是德国 16 州中较小的一个,面积 1.62 万 km2,居第 11 位,人口 254 万,居 第 12 位。该州位于中部山区,森林茂密,土地肥沃,号称绿色心脏。全州多系丘陵,在 图林根盆地与威拉河之间有长达 80km 的图林根山,最高拔海 982m,一般为拔海 400500m。年平均降雨量 700mm,森林区降雨量稍大为 1100mm。全州共有 168 座坝, 是德国坝最多的三个州之一。从 20 世纪开始即对城市供水赋予较大重视,目前约有 30% 居民饮用水库供水。 图林根州在历史上地位重要。首府爱尔福特建于 1250 年前,中心教堂十分著名和埃 森纳赫的瓦特堡一起,对创始基督教的马丁、路德教士有重要作用,他在本州学习,宣传 并逝世。伊尔姆河畔的魏玛原系萨克逊-魏玛- 爱森纳赫公国的首府( 1547 至 1818) ,1848 建市。德国著名诗人歌德与席勒都长期住在这里,写下不少诗篇,也逝世于此。著名作曲 家巴哈、瓦格纳都曾在此活动,创立了歌剧院,并邀请著名匈牙利钢琴家李斯特担任指挥。 因此, 魏玛号称德国文化城。在联合国都科文组织公布的世界遗产中,都包括了这些古迹, 在世界知名度也很高。 2001 年 9 月 6 日至 9 日德国大坝委员会在组织第 69 届国际大坝委员会年会之前组织 47 了图林根州参观路线,中国大坝委员会代表团组织了八位高级工程师参加了这一条路线, 参观团共有九个国家 27 人,以我国人数最多。 接待的单位除每个工地负责人和承包商以外,主要有三家: (1)柏林威廉特电力公司(简称 VeAG):原为东德电力管理局,德国合并后成立此 公司,负责管理德国东部五个州的电力建设、生产、输送、供应和调度。该公司有轻质煤 火电 7440MW,硬煤火电 553MW,燃气火电 425MW,水电 1721MW。开关站 44 座,380 伏输电线 6300km,220 伏 4300km。2000 年发电 551.19 亿度(其中水电仅占 11.41 亿度) 。 全公司有职工 5905 人(兰领工 2834 人) 。1991 至 2005 年资金约 200 亿马克,有五座抽水 蓄能电站装机 1713MW。 (2)德国水力发电工程公司(HPI):成立于 1978 年,也是原东德水电建设单位,负 责水工建筑物有关咨询和技术。德国合并后,此公司成立负责水电工程勘测、设计和观测 等。1990 年与德国著名工程咨询公司拉马耶(Lahmayer )合作并在本州爱尔福特市 (Elfurt )设办事处, 在国内外承担有关水电工程业务,现有职工 120 人。 (3)图林根州大坝管理局:管理全州大坝,1993 年曾对本州所有的坝进行校核,至 今共有 68 座坝,蓄水 2 亿 m3,有引水隧洞 42km,其中有 12 个供水水库,10 个防洪水库。 下分五个处,我们参观的工程涉及两个处。 因受时间限制,只参观了一座砌石坝,两座供水水库,三座抽水蓄能电站。 一、通巴赫砌石坝(Tombach-Diethay) 1906 年建成的老坝,高 27m,长 110m,坝体砌石量 3.1 万 m3,库容 78 万 m3,由于 漏水 19881992 年进行了加固,在上游面补筑了混凝土,坝底部加设了廊道,加固后至今 运行正常(见照片 1) 。 照片 1 通巴赫砌石坝下游面 48 二、斯奇马尔华塞沥青混凝土心墙堆石坝(Schmalwasser) 此坝与上述砌石坝,1966 年建成的俄荷 (Ohra)沥青面板堆石坝(坝高 59m,长 260m,库容 1873 万 m3)共同运行,提供图林根州几个重要城市和 130 个居民点 70 万人 用水。 此坝早于 1924 年即开始研究,1989 年前东德一设计公司进行设计,1990 年德国合并 后,按联邦德国技术规范进行修改,主要技术指标如下: 库容 2075 万 m3,坝高 80.7m,坝长 320m,上游坡 11.65,下游坡 11.55,坝体积 147 万 m3(见图 1) 。 坝体沥青混凝土心墙于 1991 年 5 月至 1992 年 11 月浇筑,厚 0.8m,向下游倾斜 5, 心墙两边设过渡层 11/32mm 班岩填筑,底部厚 1.5m。坝的上游面用 100500mm 粒径石料 铺筑,下游面用森林土料堆筑。溢洪道位于右岸,流量很小只 35m3/s。 监测廊道位于心墙下部,长 365m,高 3m,宽 2.2m,接缝上游用铜片止水,周边用 PVC 止水,从廊道中向基岩进行灌浆,两岸帷幕两排深 30m,河床超过 60m 三排。沿廊 道巡视,看不到有集中漏水现象,渗透量也极小(仅 0.2l/s) 。 取水塔直径 11m,高 72m,位于库中,有隧洞(中设引水钢管)与左岸相连。塔中有 三个取水口,设有电梯上下。 沥青混凝土心墙部分由德国斯特拉堡(Strabag)公司承担,进行了大量沥青研究工作 及施工机械配套,心墙每日铺三层,每层厚 25cm,摊铺时温度高于 160,可保证结合良 好,经钻探表明质量可靠,观测结果最大水平位移 13cm,最大沉降量 20cm。 此坝为本类型坝中较高的一座,在德国首屈一指,从运行情况来看,质量是有保证的。 49 图 1 斯奇马尔华塞沥青混凝土心墙堆石坝断面图 三、莱比斯(Leibis/Leitch)重力坝 在施瓦尔扎河(Schwarza )的支流利施特(Lichte)河上。1981 年原建有一座底斯巴 赫沥青面板土石坝(Deespach)供水,该坝高 45m, 长 178m,堆石 30 万 m3,库容 348 万 m3,沥青混凝土面板由波兰一家公司承建。有进水塔及 10km 长输水洞,因水质不够好, 需另建一座高坝和较大库容以便供应 30 万人的优质用水。 莱比斯(Leibis)坝基是泥质片岩,间有石英质的片岩,见照片 2。由于构造发育,基础 用两排帷幕深 544m。混凝土重力坝高 93.5m,长 370m,将是德国最高的坝。混凝土坝体 积 62 万 m3,上游坡垂直,下游坡 10.78。库容为 3920 万 m3,控制流域面积 72km2。最 大可供水 52100m3,分五个取水口取水。可供水防洪。坝体混凝土分为五类:第一类为坝 芯混凝土,胶凝材料 160kg,第二类为坝壳混凝土胶凝材料 200kg,第三类基础混凝土, 第四类坝基混凝土,第五类为接缝混凝土(胶凝材料 230kg) ,其分类比较复杂,可见图 2。 施工将用拌和机 45m3 两台保证每天最大填筑量 2500m3。因当地岩石不能做为骨料应 用,因而约 100 万屯骨料要从远处运来,很不经济。 坝体不用纵缝,全用施工缝,控制混凝土入仓温度不超过 15,不灌浆(见图 3) 。 因坝底宽 81m,需对混凝土进行冷却,将用 150kw 冷冻机把 15的水降到 5,两台冰屑 机日产 70 吨,保证混凝土出机温度不超过 12。 工地设一台双缆索起重机,跨度 600m,用 6m3 混凝土罐吊装入仓。 溢流坝设于中部,流量很小,仅 35m3/s,尾部挑流。 计划于 2004 年完工蓄水,由四家公司合组施工。 混凝土配合比设计如下表: 种类 材料 一类 0/125 二类 0/125 三类 0/32 四类 0-125 五类 0/32 水泥(kg/m 3) 120 150 215 150 160 粉煤灰(kg/m 3) 40 50 90 50 70 外加剂 LP 75 0.15 LP 75 0.18 LP 75 0.09 LP 75 0.18 LP 75 0.06 缓凝剂 BV 18 0.20 BV 18 0.40 水(kg/m 3) 103 110 183 110 155 砂 1(kg/m3) 13% 276 11% 227 15% 263 11% 227 15% 281 砂 2(kg/m3) 10% 212 13% 268 20% 351 13% 268 20% 375 骨料 1(kg/m3) 15% 332 15% 322 20% 366 15% 322 20% 390 骨料 2(kg/m3) 18% 391 18% 380 45% 808 18% 380 45% 862 骨料 3(kg/m3) 23% 497 23% 483 - 23% 483 - 骨料 4(kg/m3) 21% 452 20% 419 - 20% 419 - 混合材 1.0 0.7 0.7 0.7 0.7 计算值(kg) 40 35 63 35 49 水胶比 0,64(1,0) 0,59(0,7) 0,62(0,7) 0,59(0,7) 0,74(0,7) 50 水胶比 0.64 0.55 0.57 0.55 0.67 稠度% KS(v etwa 1,31) KS(v etwa 1,30) KR KS(v etwa 1,30) KR 含气量% 3.0 3.2 4.5 3.2 4.5 容重(kg/m 3) 2423 2408 2267 2408 2294 照片 2 莱比斯坝基开挖 51 图 2 莱比斯/利施特重力坝混凝土分类断面图 图 3 莱比斯重力坝施工分缝断面图 四、抽水蓄能电站 德国由于水电装机比例过小,调峰能力差,自 1931 年即开始修建抽水蓄能电站,迄 今加上目前正建的工程已有 31 座,装机 6685MW。此次参观仅为正建的工程,有装机 1060MW 的郭勒的斯塔勒(Goldistal)和霍荷瓦特(Hohewarte I,II62.8MW,320MW)等 几座,最后一座维森塔(Wisenta )坝也曾用于抽水工程。 (1)郭勒的斯塔勒(Goldsthal)抽水蓄能电站(见图 4)是 1997 年机准建设的工程, 其地下厂房于 9 月开工,计划于 1992 至 1993 年投产。此站位于图林根州山区的施瓦尔扎 (Schwarza)河上。周围林木茂密,要清理 205ha,1960 年计划,25 年即已动工,到 1981 年停工。德国统一后又重新批准,才于 1997 年复工,是德国第二大容量的抽水蓄能电站, 包括下列工程: 上库及进水结构 压力隧洞 地下厂房及通道 变压器涧室及高压线路通道 尾水洞及出水口 下库的主坝及副坝 管理人员及附属建筑 52 上库位于摩斯伯格(Moosberg)高原,蓄水 1200 万 m3,平面呈三角形,东西长 935m,南北长 1015m(见图 4) 。水库面积 55ha。围坝断面见图 5a, 5b,全长 3370m,坝 高 940m,为沥青面板土石坝,上游边坡 11.6,大坝体积 537 万 m3,沥青 19.5 万 m2, 下游坡注意与环境相适应。库底与上游面的沥青共用沥青 22 万吨,为减小上托力用排水, 能监测并把漏水集中于廊道抽回上库。上库系瑞士 Walo 公司承建,2002 年完成。西部进 水口下设两条隧洞,连结到地下厂房。进水口位于地面下 18-21m 的坚硬岩石上,基岩为 千枚质板岩。两孔有滚轮门及插板门控制。 图 4 郭勒的斯塔勒抽水蓄能电站平面图 图 5a 郭勒的斯塔勒抽水蓄能电站上库最大主坝断面图 53 图 5b 郭勒的斯塔勒抽水蓄能电站上库最小主坝断面图 平行的两条隧洞通到地下厂房,直径从 6.2m 缩小到 4.38m,断面为马蹄形,开挖直径 为 7m,用喷混凝土支撑,局部用了锚杆和钢丝网,内部用钢板衬砌。 地下厂房断面 1372648m,有隧洞通往地面。安装间有两个,为两台机组服务。 整个厂房安装四台水泵水轮机组,n=333.3rpm ,单机容量为 265MKW,合计 1060MW。 图 6 郭勒的斯塔勒抽水蓄能电站下库主坝断面图 54 下库由两座坝组成,副坝为堆石沥青混凝土心墙坝高 26m,上游坡 12,下游坡 13.5,坝顶长 120m,主要目的是因水泵抽水时防止水位变化过剧。2000 年 7 月完成后 8 月开始蓄水,到 2000 年 11 月将库蓄满。主坝断面见图 6,是 1999 至 2000 年七个月内 完成的。每天上坝 2000 至 2 万 m3,每 60cm 一层,最大骨料粒径 40cm,干容重为 21KN/m3。坝体中心部位用的是千枚质板岩,及不太硬的石英岩骨料,上游面最大粒径 300mm,尽量减少空隙率。然后做沥青混凝土斜墙,所有石料都取自库区料场。沥青斜墙 为不透水层,万一有渗水可集中于下部廊道,而且也考虑在下层集水,万一上部有损害时, 流到廊道的排水管路可以监测渗漏情况。沥青混凝土是土石方一做好后在 2000 年中施工, 2001 年 3 月完成(见照片 2) 。 为了控制监测主坝安全装有以下仪器以监测:变形位移计,特别是防渗区,观测排水 基础的水动力条件,在下游面以及廊道中有接缝观测。外部观测用占标。 2001 年 9 月开始蓄水。 本工程对环境的影响按该省的自然保护条例执行。对上下两库动物、植物、森林土壤、 水质都采取了监测和保护措施,并按照州定的环境保护法令严格执行,逐年都有报告。 (2)萨勒河梯级(Salle) 萨勒河为易北河重要支流,在 30 年代开始开发,共设五个梯级(见图 7) 。 其指标分别如下: 序号 坝名 坝高 (m) 坝长 (m) 坝体积 (万 m3) 建设 时间 库容 (m3) 目的 坝型 1 Bleiloch 65 208 18.2 1926-32 2.15 亿 防洪供水 抽水蓄能 拱形重力 2 Burkhammer 22 122 3.3 1932 564 万 发电 重力 3 Walshburg 15 118 1.6 1939 254 万 发电 重力 4 Hokewarte I 75 412 50.2 1941 187 亿 防洪发电 供水航运 拱形重力 Hokewarte II 30 1347 30 1963 328 万 发电 重力 抽水蓄能上库 30 680 79.4 土石 5 Eichicht 20 215 3.9 1945 521 万 发电 重力 Wisenta 18 148 1.1 1934 104 万 发电 重力 抽水蓄能上库 萨勒河上两座大库库容在德国属最大的。于 3040 年代完成,为重力坝。两座大库均 设计成为拱形,混凝土质量较好,运行正常。 两座抽水蓄能电站也建成较早,维森塔建于 1934 年,H 为 61m,霍荷瓦特 (Hohewarthe II)上库建于 1963 年,水头 315m,长 672m 装 4 台 80MW,上库坝高 55 30m,由 1347m 长重力坝和 680m 长土坝组成。进水口在山坡上,以钢管引水到电厂。由 于电厂地基不良, 又横移了 30m 左右,造成额外水头损失(见照片 3) 。该坝的监控原来用 目测。19981999 又重新设置现代化的监测设备,包括上下游水位,目降雨量、日平均气 温、水

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