三门峡水利枢纽

1、三门峡水利枢纽   三门峡水利枢纽位于黄河中游下段，河南省三门峡市和山西省平陆县的边界河段，控制流域面积 68 4 万公里 2 ，占全黄河流域的 92 。黄河平均年输沙量 15 7 亿吨，是世界上泥沙最多的河流。黄河下游河道不断淤积，高出两岸地面，成为 “ 地上河 ” ，全靠堤防防洪。黄河洪水又大，对下游广阔平原威胁很大。     三门峡坝址地形地质条件优越，这一河段是坚实的花岗岩，河中石岛抵住急流冲击而屹立不动，把黄河分成三道水流，称人门、神门、鬼门、因此名为三门峡。这是兴建高坝的良好坝址。三门峡以上至潼关为峡谷河段，潼关以上地形开阔，可以形成很大的水

2、库。        新中国成立后，水力发电工程局对三门峡坝址做了大量勘测工作。 1954 年黄河规划委员会在苏联专家组帮助下对所作黄河流域规划中，把三门峡工程列为根除黄河水害开发黄河水利最重要的综合利用水利枢纽，推荐为第一期工程，随同黄河流域规划在 1955 年第一届人大第二次会议上得到通过。后即委托苏联彼得格勒设计院进行设计， 1957 年初完成初步设计，经我国家计委组织审查。由水利部和电力工业部共同组成的三门峡工程局负责施工。 1957 年 4 月开工， 1960 年大坝建成。     在黄河流域规划中拟定的三门峡正常高水位为 3

3、50 米 。初步设计中研究了 350 米 、 360 米 和 370 米 方案，推荐 360 米 。设计过程中我国一些泥沙专家考虑排沙要求，对泄水深孔的高程提出意见，因而由原设计的孔底高程 320 米 降至 310 米 ，以后又进一步降至 300 米 。水库可起到防洪、防凌、拦泥、灌溉、发电、改善下游航运等巨大作用。当时拟定的装机容量为 8 台 15 万千瓦，共 120 万千瓦。    三门峡工程开工后不久， 1958 年初周总理在三门峡工地召开现场会议，对设计方案又进行讨论研究，确定三门峡正常高水位按 360 米 设计， 350 米 施工，初期运行不超过 335 米 。

4、350 米 以下的总库容为 360 亿米 3 ，要淹没耕地 200 万亩，迁移居民 60 万人。 335 米 以下的库容为 96 亿米 3 ，需迁移 20 万人。    1960 年大坝封堵导流底孔开始蓄水，就发现泥沙淤积很严重，潼关河床很快淤高，渭河汇入黄河处发生拦门沙，淤积沿渭河向上游迅速发展，所谓 “ 翘尾巴 ” ，这是过去没有预计到的。因此影响渭河两岸农田的淹没和浸没，甚至将威胁到西安市的防洪安全。陕西省紧急呼吁，随即降低水位运行。但因低水位时水库泄洪排沙能力不足，洪水时库水位壅高，淤积还在继续发展。当时已装好一台 15 万千瓦机组，因水位降低不能用，拆迁丹江口水利

5、枢纽去应用。     为研究三门峡工程的处理方法， 1962 ， 1963 年水利学会组织了两次大规模的学术讨论会，提出了各种意见。 1964 年周总理主持召开治黄会议，听取各方意见，经过讨论研究，认识到过去对水土保持工作减少泥沙的作用估计过分乐观当时设想 1967 年时可减少一半泥沙，五十年后可基本解决，从此黄河变清，对淹没损失和移民的困难估计不足，认为既要保证黄河下游的防洪，也要保护上游西安市的安全，即两个确保。在上游再修建拦泥库也不能根本解决问题。最后决定对三门峡工程进行改建，并批准两洞四管的改建方案。设计指导思想，从过去的蓄水拦沙改为泄水排沙。  

6、60; 第一次改建工程，于六十年代中期实施两洞四管的泄流排沙措施，由北京勘测设计院设计，三门峡工程局施工。首先利用四根发电引水钢管，改为泄流排沙钢管，为防止泥沙磨损，在出口附近用环氧砂浆和铸石涂焊。接着在大坝左岸打两条 8× 8 米 的泄洪排沙洞，进口底板高程 290 米 ，使其在较低水位时加大泄量。    1967 年黄河干流洪水较大，渭河出流受到顶托而泥沙排不出去，至汛后发现渭河下段几十公里的河槽全被淤满，如不及时处理，将严重威胁次年渭河两岸的防洪安全。经过查勘研究，由陕西省发动人力，于当年冬季在新淤积的河槽内开挖小断面的引河，春汛时把河道冲开了。  

7、;   第二次改建工程于七十年代初期进行，由集团公司水电十一局原三门峡工程局的勘测设计院设计，该局负责施工。改建工程包括打开大坝底部原来施工导流用的 8 个位于 280 米 高程的底孔，和 7 个位于 300 米 高程的深孔 1960 年水库蓄水时这些底孔和深孔都被用混凝土严实封堵了；还把 5 个发电进水口由原来的底坎高程 300 米 降低至 287 米 ；安装 5 台 5 万千瓦的低水头水轮发电机组，共 25 万千瓦。 1973 年开始发电。    经过两次改建后，在库水位 315 米 时的泄流能力，由原来的 3080 米 3 / 秒增加到 10000 米 3

8、/ 秒相当于黄河常有的较大洪水流量。随着较低水位时泄洪能力的加大，排沙能力也相应增加，不仅使库容得到保持，而且前几年库内淤积的泥沙也逐渐冲走，改善了库区周围的生产条件。     三门峡工程改建及泥沙处理，获 1978 年全国科学大会科技成果奖。 三门峡水利枢纽坝址有神门、人门、鬼门三岛，故称三门峡，河床主流位于右岸，河床左侧为溢流坝段，右侧为引水坝段及坝后厂房，施工导流程序为：先围左岸，修筑溢流坝段，一期低水纵向围堰充分利用有利地形，跨越神门、人门及张公岛三岛修筑，由右侧主河床导流。在溢流坝段导流底孔及厂坝导墙形成后，截断右岸主河槽，修筑二期上下游围堰，利用厂坝导墙作为纵向

9、围堰，形成二期基坑，转入引水坝段及坝后厂房的施工，由溢流坝段梳齿及 12 个 3mX 8m 导流底孔泄流 ( 见图 1) 。三门峡工程堪称 50 年代分期导流的范例。 图 1 三门峡水利枢纽分期围堰(a) 一期导流平面布置； (b) 二期导流平面布置 三门峡水利枢纽采用分期导流，为满足二期导流要求，在左岸溢流坝段设置了 3m × 8m ( 宽 X 高 ) 导流底孔 12 个，该底孔也在完成导流任务后全部用混凝土封堵。水库蓄水后为解决泥沙淤积问题又重新挖开改建为排沙底孔。其他采用分期导流的大型工程，例如新安江、丹江口工程均在溢流坝段设置导流底孔，用于二期导流。 三门峡水利枢纽工程一期上

10、游围堰高 25.7m ，其黄土心墙坐落于基岩面，在低水围堰保护下干地施工 ( 见图 2) ，二期上游围堰高 33m ( 见图 3) ，则采用加大厚度的细砂心墙，初期渗漏量极大，但在汛期上游泥沙淤积形成天然铺盖后，渗水量大减。图 2 三门峡工程一期上游围堰 ( 尺寸单位： m) 图 3 三门峡工程二期上游围堰 ( 尺寸单位： m) 黄河三门峡工程截流是我国 50 年代最大的一次截流工程，截流时段考虑错开冰期，选择在 11 月 15 日 12 月 15 日 间，设计截流流量 1000m 3 s ，相当于该时段中水年接近 5 频率的平均流量。导流建筑物为左岸溢流坝段的 12 个底孔，设计最终截流落差

11、 8.3m 。截流设计利用了河中神门、鬼门二岛，在三个泄水道上用不同的方法截流，见图 4 。 截流顺序为，首先选用戗堤进占法截住神门河，落差 2.5m ，再下闸 ( 临时闸墩的闸门，下同 ) 封闭神门岛泄水道，落差 4.1m ，最后下闸封堵鬼门岛泄水道，最终落差 8.3m 。实际施工时，黄河流量一直稳定在 2000m 3 s 以上，大于设计流量 1 倍，而且神门岛泄水道临时闸墩损坏难以使用，在此意外的困难条件下，果断截流。 1958 年 11 月 17 日 起，连续 33h 在神门河中抛投了 3.2 万 m 3 石渣、 700 块 3 5t 大块石、 80 块重 15t 混凝土四面体，使神门河

12、合龙成功，截流落差 2.97m ，最大流速 6.75m s ；随后，又陆续采用立堵加钢管拦石栅结合瞬时爆破法封堵了神门岛泄水道，落差达 4.37m ，下闸截断鬼门岛人工泄水道，最终落差 7.08m 。 图 4 三门峡工程神门河截流后导流示意图尺寸单位： m 钢管下卧：为满足汛期最低发电水位 300.0m 发电的要求 , 将钢管进口高程自 300m 降低到 287.0m , 引水钢管下卧部分总长约 49m , 系在原有钢管底部向下开挖而成。为减少坝体孔口开挖尺寸 , 进水口采用小圆弧喇叭口型式 , 原工作闸门和检修闸门位置保留不变。引水道自进口至工作闸门后 2m 为矩形断面 , 其尺寸为 7.5

13、m × 6.0m ( 高×宽 ), 其后为长 10m 渐变段 , 后接直径为 7.5m 圆管 , 立面以弯曲段与原有钢管衔接。引水道衬砌及开挖尺寸根据结构运用受力条件及施工需要确定。检修门以前为钢筋混凝土衬砌 , 工作门槽后为钢板和钢筋混凝土联合衬砌。为了改善电站坝体结构受力条件 , 将原钢管的工作门槽后的空腔回填混凝土 , 兼挡水作用。工作槽后设有通气孔 , 通气孔从改建后新安装的钢管顶部起 , 连接原通气孔。此外 , 在原引水道进口还增建 1 道钢筋混凝土拱型堵头 , 用以施工挡水。 引水道钢管改建下卧后与原有钢管断面形成上下重叠的大孔口 , 改变了坝体结构的应力分布。

14、按实体重力坝计算 , 原坝体的最大主压应力为 1.43MPa, 坝体开挖成大孔口后边墩最大主压应力达 2.08MPa 。坝体孔洞周围的应力分布 , 在施工期坝体自重作用小 , 孔口最大拉应力出现在闸门槽后 , 该处孔顶和孔底边缘拉应力分别为 0.52MPa 和 0.87MPa 。坝体经过爆破后混凝土实际抗拉强度约为 1.5 2.0MPa, 故施工期坝体的安全从整体来说可得以保证。运行期引水道衬砌后 , 在坝体自重和内水压力作用下 , 孔口边缘最大拉应力达 1.32MPa, 总拉力达 3650kN/m 。考虑爆破影响后 , 混凝土强度安全系数显然是不够的 , 为此需要衬砌结构中加强配筋 , 同时

15、增强新老混凝土之间的结合。衬砌结构采用混凝土与钢板组合型式 , 计算时假设衬砌与坝体联合作用 , 在内水压力作用下 , 坝体为弹性抗力体 , 应力与应变符合文克尔假定。在引水道放空时 , 衬砌在外水压力或施工期灌浆压力作用时 , 则不考虑弹性抗力作用 , 而将部分外力由新老混凝土之间的灌浆锚筋承担。根据计算 : 在钢板、钢筋混凝土和坝体联合作用下 , 钢管管壁的切向应力很小 ,80% 以上的内水压力传递给外圈衬砌和坝体共同承担。由于在引水道混凝土开挖面埋设止水和键槽 , 尚不能到达良好的防渗效果 , 为减轻沿引水道新老混凝土接缝之间的渗漏 , 改善坝体和衬砌结构应力状况 , 设计了防渗灌浆和排

16、水措施。在衬砌顶部和缝隙较大的部位采用水泥灌浆 , 其余部位均采用化学灌浆 , 灌浆最大压力为 0.4MPa 。 新建进水口拦污栅机组进水口下卧至高程 287.0m , 原有拦污栅已不起作用 , 需增建新的拦污栅。新建拦污栅结构采取通栏直墙式布置 , 机组之间水流可以贯穿 , 当坝前水位为 305m , 栅前平均流速小于 1m /s 。每个机组段分 4 孔 , 每孔净宽 4.4m , 中墩厚 1.2m , 座落在进水口底板的外伸牛腿上 , 边墩厚 0.9m , 采取特殊措施将基础嵌固在迎水坝坡上。栅墩总高 29.0m , 顶部设有清污工作平台 , 平台高程为 316.2m , 汛期一般露出水面

17、。平台下游侧建有排污溜槽和支承结构 , 考虑栅墩将承受不均衡的侧向水压力和地震力 , 分别在高程 289.5 、 307 .0m 和栅墩联成“三层四跨”的框架结构。原设计准备在每个机组的中间 2 孔安装平板式 转栅清污机 , 旁边 2 孔安装格栅式平板栅 , 已经试制 1 台 转栅清污机后 , 因存在问题 , 一直未投入运用。实际运用全部采用平板栅。吸取黄河上已建水电站的运行经验 , 在保证机组安全运用的前提下 , 采取适当加大栅距 , 让水草尽可能通过机组泄向下游 , 以减轻坝前清污负担 , 栅距选用 220mm 。 原拦污栅框架结构是依附于坝体的空间杆系结构。为了满足新建拦污栅起吊、搬运和

18、清污的需要 , 在原建拦污栅框架高程 337.5m 平台上增设 150t 移动式悬伸吊起重机。计算说明 , 当空车遇地震时 , 在垂直水流方向地震作用下 , 地震惯性力大部分由平台承担 , 但高程 337.5m 平台原有混凝土板较薄 , 整体性差 , 平台梁系和各个中墩原有强度不能满足要求。在顺水流方向地震作用下或刹车时 , 轨道大梁支座及 337.5m 平台大梁将会产生很大力矩和轴向拉力。为此 , 在平台上铺筑 1 层厚度为 15cm 钢筋混凝土板 , 将原大梁加高 60cm , 形成新老混凝土叠合梁 , 以提高板、梁的抗侧移刚度。此外 , 将高程 307m 以下原进水口堵头前三角体空间部位

19、回填混凝土以加强原栅墩基础强度。主厂房及主要开关站布置：厂房为坝后式 , 主厂房与大坝间设有伸缩缝。机组间距 23m , 安装间长 33.45m , 厂房总长度为 223.88m , 总高度为 47.8m 。厂房除二期混凝土外 , 大部分土建工程已完成。原机组的水下部分宽度为 40.5m , 机坑底高程为 273.0 274 .0m , 尾水管底部高程为 263.06m , 故机组段水下部分的高度为 27.5m 。尾水管为 4H 型 , 扩散段分为 2 孔 , 尾水平台上配有 1 台 2 × 50t 尾水闸门启闭机。进厂铁路、公路、发电机层和安装场地面高程均为 289.5m , 厂房

20、水上部分为钢筋混凝土框架结构 , 高 18.3m 。厂内已安装 1 台跨度为 21m , 容量为 350/75t 桥式起重机。厂坝间为主变压器场地 , 副厂房紧靠安装场右端墙。改建后厂房内安装 5 台单机容量为 50MW 轴流转浆式水轮发电机组。发电机层高程仍保持 289.5m , 水轮机层高程为 284.0m , 水轮机安装高程为 275.2m , 金属蜗壳中心高程为 277.5m , 与原有钢管中心一致 , 蜗壳采用焊接组装 , 包角 =346 ° 30 , 蜗壳入口断面直径 6.68m , 进口流速受机组段尺寸限制达 5.43m /s 。鉴于三门峡水库汛期水中携带大量泥沙和水草

21、 , 为减轻水草、泥沙淤堵威胁 , 从工程已建成实际情况考虑 , 经多方研究在蜗壳上开孔增设叉管的措施。叉管位于厂房第 象限 , 由开孔处内径 2.8m , 渐变到 2.2m , 尔后再由圆形渐变至矩形。出口尺寸为 1.5m × 1.9m ( 宽×高 ), 出口设有控制闸门。水流经挑流鼻坎将水草、泥沙排至下游尾水。为提高钢管内壁的抗磨蚀能力 , 在叉管的内壁和出口段抹环氧砂浆抗磨层 , 在鼻坎混凝土面铺砌辉绿岩铸石板。根据黄河水含沙量大 , 水草悬浮物多 , 工业用水量大 , 地下水源不足的情况 , 发电机冷却采用开敞通风和密闭自循环浑水冷却 2 种方式。为了开敞通风需要

22、, 在发电机风罩外围又设排风通道 , 冷风经风罩上排风口及下盖板的进风口吸入 , 热风由风罩上排风口经排风道排至厂房下游。为防止热风倒灌厂内 , 电厂近来进行了改造 , 排风通道引伸至屋顶排出。机组设置 2 套供水系统 , 其中浑水供水系统水源取自每台机组的蜗壳 , 每台机组配备 1 套清污滤水器。清水供水系统水源取自地下水 , 主要是在汛期和含沙量较大时 , 提供发电机推力轴承、上导、水导的冷却。厂房内风、水、油管路布置在水轮机层的下游侧 , 电缆沟设于高程 284.0m 地面下。改建设计要求枢纽汛期在一般洪水情况下敞泄 , 遇特大洪水时根据下游水情进行控泄。电站下游设防标准定为 100 年

23、一遇 , 由调洪计算得知厂房尾水位已超过进厂铁路和尾水平台的地面高程 , 并将淹没主厂房 , 为此 , 在厂区范围内采取防淹、防渗和防倒灌等措施。厂坝间主变场地共布置 4 台变压器 , 其中 1 、 2 号机组和 3 、 4 号机组分别为两机一变扩大单元方式接入 110kV 电压母线 ;5 号机组以一机一变单元方式接入 220kV 电压母线 , 另 1 台为联接 110kV 和 220kV 母线的自耦联络变压器。为使输出负荷与电网潮流分布相适应 , 减少供电损耗 , 通过运行后将 4 号和 5 号机组组成扩大单元接入 220kV 。 110kV 现开关站位于副厂房右侧 , 场地为预制钢筋混凝土

24、结构。主母线采取双层布置 , 上层高程为 302m , 下层高程为 292.0m 有 2 回出线 , 提供三门峡市区生产、生活用电。 220kV 开关站设在厂房右侧高程 342.0m 黄土台地上 , 采用单母线分段带旁路母线结线方式。出线 2 回 ,1 回接至洛阳 ,1 回为备用。机组运行及存在的问题电站自 1973 年第 1 台机组投入运行以来 , 已累计发电约 220 亿 kW · h, 为豫西地区工农业的发展作出了奉献。由于黄河高含沙量特点 , 含沙水流对水轮机的磨蚀十分突出 , 为改善机组运行工况 , 自 1980 年以后改为非汛期运行 , 汛期一般不发电 , 只安排机组检修

25、和调相运行。电站在运行中曾暴露不少问题 , 随着运行和管理水平的提高而逐步得到解决 , 目前机组存在的主要问题是 :(1) 汛期运行水轮机过流部件磨蚀严重。曾经采取一些抗磨蚀措施 , 如在叶片外表涂敷环氧金钢砂抗磨层 , 对叶片正面抗磨效果显著 , 但在气蚀严重部位涂层大部分脱落。在气蚀和磨损的联合作用下 , 叶片反面和转轮室中环球部铺焊的不锈钢板均被侵蚀掉 , 而且连母材亦遭受严重侵蚀。 (2) 叶片产生裂纹。 1988 年汛期曾对 5 台机组进行全面检查 , 发现 31 个叶片有裂纹 , 裂纹产生的部位在叶片的出水边根部 , 裂纹长度达 200 400mm, 个别叶片出现断裂。 1989

26、年开始陆续对机组更换不锈钢叶片 , 但由于叶型和运行工况没有改变 , 因此 , 并没有从根本上解决叶片的裂纹问题 , 这已成为近几年来影响机组正常运行的主要问题。 水电站扩建工程：三门峡水电站是河南省电力系统仅有的 1 座大型水电站 , 系统缺少调峰机组 , 因此电站已成为系统安全运行的一个重要环节。 5 台机组平均年发电量为 10 亿 kW · h, 尽管每台机组平均运行已超过 4000h 。由于机组装机容量偏小 , 在非汛期水库仍有大量弃水 , 据统计每年发电用水仅为非汛期入库水量的 70%, 平均每年弃水约 40 亿 m3, 而系统电力供应紧张 , 现有机组运行工况差 , 潜伏

27、着运行不安全因素。为了充分利用非汛期弃水 , 增发电能 , 并为现有机组更新改造和恢复汛期发电创造条件 ,1990 年水利部批准工程立项 , 扩建 2 台单机容量为 75MW 混流式水轮发电机组 , 工程分 2 期进行 , 第 1 期工程改建 2 台机组的进水口和厂房内部开挖 , 在 6 号机坑安装水轮发电机组 , 同步建设三门峡至五源 220kV 环网线路 ,6 号机组于 1993 年初开工 ,1994 年 4 月并网发电。 1995 年初第 2 期工程扩建 7 号机组相继开工 ,1997 年 3 月发电。扩建 2 台机组年平均增发电能 2.2 亿 kW · h, 年利用 1470

28、h 。扩建工程是以不改变枢纽现有运行方式 , 不影响水库防洪、防凌、供水和发电效益 , 充分利用非汛期弃水发电为原则。将原已改建的 6 号和 7 号泄流排沙钢管挖除 , 恢复原有机坑安装水轮发电机组。由于原电站进水口底坎高程为 300.0m , 不能满足非汛期一般水位 310.0m 发电进水要求 , 如采取降低进水口底坎高程 , 不仅工程量大 , 施工困难 , 而且严重影响水库运用 , 因此扩建机组按汛期不发电 , 非汛期发电运行方式选择机型。为满足非汛期最低水位 310m 安全运行 , 进水口也进行了改建 , 即将原有工作闸门孔口 7.5m × 12m ( 宽×高 ) 压缩为 7.5m × 7.0m 。三门峡水库采取“蓄清排浑”运用方式 , 非汛期防凌最高蓄水位为 326.0m , 春灌蓄水位为 324m , 一般月份水位为 310m 。扩机的特征水头为最大水头 48.3m , 最小水头 28.1m , 加权平均水位为 37.6m 。由于扩机只在非汛期运行 , 水头变幅小 , 含沙量少 , 经广泛比选 , 认为混流式机型较轴流式机型结构简单 , 维修方便 , 在现有机坑尺寸制约下 , 在相同水头时可增加装机容量 5000 10000kW, 故而选用混流式机型。水轮机型号为 HL(820)-LJ-550, 额定水头 36m , 转速 88.