世界上首座海水抽水蓄能電站上庫的設計與施工

1 概 述

沖繩山原海水抽水蓄能電站位于沖繩本島北部國頭村的太平洋岸邊。電站利用上庫(高位蓄水池)與海平面之間136 m 的有效落差發電，是世界上首座海水抽水蓄能工程。電站實際取水流量為26 m3/s，最大裝機容量為30 MW。

在實施該項目之前，早在1981 年就已開始了為期5 a 的與海水抽水蓄能發電相關的基本試驗和研究。1987 年，日本經濟產業省(原通產省)委托日本電力開發有限公司(J－Power)實施示范工程，1991年開工建設;1999 年3 月，電站投入試運行;2003 年底，工程的試運行期結束。從2004 年起，J－Power接管了該電站的運營，并繼續負責示范工程的維護和運行。

利用海水抽水蓄能發電的主要優點可歸納為:

(1)不需要專門建設下庫，降低了工程費用;

(2)可以建在大型電源點(火電廠、核電廠)附近，也可以建在靠近負荷中心周邊的海邊，降低了輸電成本。

但是，海水抽水蓄能工程建設也會遇到一些特殊的難題，比如:

(1)海水可能從上庫向土壤中滲透，導致地下水污染;

(2)海水中的有機物和海洋生物黏附在水道和水輪機中，造成發電和抽水效率逐漸降低;

(3)海水對水輪機等金屬設備會造成腐蝕，因而可能會縮短其使用壽命，增加維護費用;

(4)在高海況下，大浪對進水口和尾水系統運行的穩定性會造成影響;

(5)上庫泄漏的海水會對周圍陸生植物和動物產生不利影響。

圖1 為該工程的總體布置。

圖1 工程總體布置

2 場址概況

沖繩抽水蓄能電站上庫的建設場地是一處高程為150～170 m 的小臺地。上庫是通過開挖臺地的中心部分，并環繞著中間的深坑修建堤壩而形成的。上庫的基巖為國頭組明戶構造帶的千枚巖和綠巖。地表出露的有千枚巖風化后形成的普通千枚巖、沙屑千枚巖和千枚巖與沙石的混合物，這些地層的分布缺少連貫性，且已形成了混合結構。工程的水道系統縱剖面示于圖2 中，上庫的平面布置示于圖3 中。

圖2 水道系統縱剖面

圖3 上庫平面

片理狀和層狀基巖的主要走向是東北－西南，偏西20°～40°，但是巖層傾向和傾角完全是雜亂無序的。在有些斷層中存在斷裂帶，較大的斷層呈網格狀分布，間隔幾十到幾百米不等，其分布特性已與當地早期曾出現過的沼澤的分布相吻合。

建設場地的主要工程地質特征之一是地表的侵蝕嚴重。鑒于巖土的物理力學特性取決于巖土風化狀況，因此，主要根據巖土風化程度對工程基巖進行分類。

3 上庫設計

上庫的庫容是將高地中心部分開挖成水池，并圍繞它修建一圈堤壩而形成的。上庫在平面上呈八角形，工程布置原則是使總開挖量最小，并使得挖填方平衡。堤壩采用均質土壩壩型，為了加速固結沉降，在壩體中設置了水平排水層和垂直排水層。

上庫周邊區域也是許多瀕臨滅絕物種的棲息地，有鑒于此，盡量阻止海水滲透到土壤中就顯得尤為重要。因此，在上庫表面的襯砌結構中，設置了2 道或3道防滲結構物。

襯砌結構由下至上由過渡層、墊層和防滲層組成。過渡層是50 cm 厚的機制沙礫，顆徑不大于20 mm，覆蓋整個上庫的庫床表面，并經過壓實;在過渡層之上是采用無紡土工布作為緩沖墊層;敷設在墊層之上的防滲層是厚2 mm 的橡膠薄板，橡膠板是用三元乙烯丙烯合成橡膠(EPDM)制成的，具有很好的止水性能、良好的氣候適應性，以及很強的抗老化能力。

同時，為預防局部橡膠板出現破損而發生海水泄漏，在過渡層中埋設了排水管通向檢查廊道，一旦發生海水泄漏，鹽度監測儀就會被激活，然后會將警報信號傳送到電廠的中心控制室。與此同時，啟動排水泵將海水重新抽回到上庫。圖4 為上庫主要工程設施。表1 為該工程的主要特性參數。表2 為橡膠板的主要特性。

圖4 上庫主要工程設施

表1 工程特性參數

表2 合成橡膠板主要特性

4 上庫施工

在上庫的挖掘過程中，清除了所有的地表已風化的土壤，而將其下部已風化的巖石用作堤壩的地基。堤壩的填料包括開挖的壩基礎風化土、上庫和隧洞的風化巖石。

在完成上庫挖掘和堤壩填筑工程之后，便開始進行襯砌工程施工。主要工作按施工順序依次為:

(1)安裝用于錨固橡膠板的U 形預制混凝土塊。

(2)攤鋪和碾壓沙礫過渡層。

(3)安裝土工織物墊層和防滲橡膠板。

(4)用現澆混凝土填封U 形預制混凝土塊。

(5)安裝現澆混凝土上部的橡膠板。

對上庫底面上鋪設的過渡層，采用一臺重7 t的震動碾來壓實。為順利完成這一工作，對震動碾進行了改造，安裝了遙控裝置，通過一組滑輪和履帶吊車的牽引，可以使振動碾沿著斜坡上下行走。這種施工方式結合了幾種機械的優點，并具有較高的安全性。

除了物料的運輸和配送，所有的土工布墊層和防滲橡膠板的安裝都是采用手工完成。對橡膠板之間的接頭，采用了一種丁基橡膠粘合劑和丁基橡膠自硫化粘合劑進行粘合。在襯砌結構完工后，為驗證止水性能，對所有接頭部位均進行了肥皂水壓力測試。

5 工程現狀

自1999 年3 月開始試運行以來，沖繩山原抽水蓄能電站即被并入了沖繩本島電網。在沖繩電力公司的配合下，工程已經連續運行了11 a 多的時間，包括由日本經濟產業省委托進行為期5 a 的示范性實驗和隨后的試運行。

工程運行實踐表明，它為沖繩本島電網的負荷平衡和頻率穩定起到了重要作用。針對前面所述的一些工程技術問題及采取的相應措施，在運行期間開展了對工程設施和環境的監測，主要監測結論是:

(1)上庫表面襯砌中，EPDM 合成橡膠板的防滲性能和耐久性得到驗證，海水滲漏監測系統的有效性達到預期效果。

(2)海洋生物的粘附對系統效率的降低程度在預計的范圍內，防止海洋生物粘附措施達到預期效果。

(3)防腐涂料和陰極保護措施的有效性得到驗證，在永久性設施中，大規模采用纖維增強復合塑料(FRP)達到了預期效果。

(4)能夠在強臺風形成的大浪下維持進水口和尾水口的穩定運行。

(5)地下水中鹽分的積累在預計范圍內，工程對周圍地區的動植物群的影響非常小。

上述實驗結果表明，海水抽水蓄能發電技術已具備建設更大規模的商業化電站的可行性和可靠性。

6 結 論

沖繩山原抽水蓄能電站位于沖繩本島北邊的國頭村，該地區此前基本上為開發活動從未涉及過的自然生態區，因而被稱為山原(山脈和原野)。該地區也是包括沖繩秧雞在內的許多瀕危物種的棲息地。該工程的建設之所以引起了國際上的廣泛關注，不僅僅是因為它是世界上第一座利用海水抽水蓄能發電技術的電站，也是因為在工程建設過程中對保護瀕危物種作了相關考慮。總之，在人與環境和諧相處的前提下，電站將繼續運行。