-德国图林根州水电工程考察分析报告.doc

-德国图林根州水电工程考察报告 作者： 日期：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。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/m3)120150215150160粉煤灰(kg/m3)4050905070外加剂LP 75 0.15LP 75 0.18LP 75 0.09LP 75 0.18LP 75 0.06缓凝剂BV 18 0.20BV 18 0.40水(kg/m3)103110183110155砂1(kg/m3)13% 27611% 22715% 26311% 22715% 281砂2(kg/m3)10% 21213% 26820% 35113% 26820% 375骨料1(kg/m3)15% 33215% 32220% 36615% 32220% 390骨料2(kg/m3)18% 39118% 38045% 80818% 38045% 862骨料3(kg/m3)23% 49723% 483-23% 483-骨料4(kg/m3)21% 45220% 419-20% 419-混合材1.00.70.70.70.7计算值(kg)4035633549水胶比0,64(1,0)0,59(0,7)0,62(0,7)0,59(0,7)0,74(0,7)水胶比0.640.550.570.550.67稠度%KS(v etwa 1,31)KS(v etwa 1,30)KRKS(v etwa 1,30)KR含气量%3.03.24.53.24.5容重(kg/m3)24232408226724082294照片2 莱比斯坝基开挖图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1Bleiloch6520818.21926-322.15亿防洪供水抽水蓄能拱形重力2Burkhammer221223.31932564万发电重力3Walshburg151181.61939254万发电重力4Hokewarte I7541250.21941187亿防洪发电供水航运拱形重力Hokewarte II301347301963328万发电重力抽水蓄能上库3068079.4土石5Eichicht202153.91945521万发电重力Wisenta181481.11934104万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、水温、混凝土温度、廊道温