瑞士坦博山谷的水電開發

［瑞士］P.艾興貝格爾 等

2008年，位于瑞士格勞賓登州的一家小企業——施普呂根(Splugen)公司與瑞士阿爾匹克生態能源(Alpiq EcoPower)控股集團公司，決定聯合開發瑞士東南部坦博山谷地區的水電資源，這一地區的水電資源蘊藏量相當豐富，但在此以前從未被開發利用，屬于水電資源開發的處女地。這兩家公司組建了合資公司，由合資公司負責籌集資金、開展工程建設，并在工程完工后負責該電站的運營。位于圣加爾的恩特格拉水力發電股份公司(Entegra Wasserkraft AG)負責該電站的施工。

對坦博山谷地區的小水電開發，采用高水頭徑流式的開發方案。該工程具有以下主要特點:

(1)在高程1 890 m處，將坦博山谷的水流由側面進水口直接引水至前池，而進水口前未設置蓄水池。

(2)在位于坦博山腳處，亦即后萊茵河(Hinterrhein)河谷的電站廠房內，安裝有一臺4葉沖擊式水輪機。該水輪機通過球墨鑄鐵壓力管道與山上的壓力前池相接，該壓力管道長1 780余米，直徑為0.6、0.5 m。

(3)機組工作的凈水頭為400 m，功率輸出為1.8 MW，年均發電量為7.2 GW·h，其發電量能滿足1 750戶瑞士家庭的用電需求。

1 開發戰略

該項工程的業主方阿爾匹克生態能源控股集團公司，根據該電站規模小、環保要求高的特點，從工程一開始就制定了有針對性的實施策略。比如，在環保方面，為了避免引水發電可能會使坦博山谷地區的階梯式水景觀受到影響，以及保護山谷地區的脆弱環境，公司將水電開發范圍限制在了山谷的峽谷區河段。基于該限制性開發方案，使原山谷地區的視覺景觀仍然得以保留，且游客的視覺中不會出現水電站建筑物，河流的水流量也不會因水電開發而減少。

在2009～2010年的審批階段，上述開發方案受到了包括環保組織在內的公眾的一致認同。

2 進水口和進水閘

設計出適宜陡峭峽谷上游條件的引水方案，成為設計中的難點。在初設中，考慮到在洪水季節推移質泥沙量較大，擬布置底部進水口或蒂羅爾(Tyrolean)堰。但是，底部進水口的水頭損失較大，壓力管道不能穩固地安置在穩定邊坡上。最后，設計人員在一個高為3.3 m的堰底檻上設置了側面進水口，這就使水位升高，從而使其與峽谷中的引水系統相匹配。

當洪水從寬為15 m的溢流堰下泄時，容易造成河床沖刷。因此，為了減少河床沖刷，在設計中，采用了階梯式溢洪道。這樣，當水流流經該溢洪道時，就會產生較為強烈的紊動，從而達到消能和減小沖刷的目的。這是瑞士境內第2例采用該種溢洪道的工程。

與進水口閘門緊挨著的是礫石攔截裝置。該裝置包括一個直徑為400 mm的渦管，在渦管上有一個縱向狹縫，用以在過流時篩除最大直徑達60 mm的礫石。

泥沙攔截建筑物由長達21 m的單池構成，可以將最小直徑達0.2 mm的泥沙顆粒沉積在池內，其中的沖沙新技術，由拉帕斯維爾(Rapperswil)應用技術學院的HSR公司研發。與礫石攔截裝置類似，沖沙裝置是運用渦流排沙系統，該系統可以在排除水中泥沙的同時，無需降低攔沙建筑物的水位，也無需使機組停機。

由于新技術在上述排沙建筑物和礫石攔截建筑物中的成功應用，即使是在洪水期和融雪期泥沙濃度較大時，水電站機組仍能穩定運行。除了該設計方案以外，初步設計時，預計還有一個由2座平行布置的沖沙池構成的攔沙建筑物方案。2座沖沙池可分別使用，但由于沒有足夠的布置空間以及考慮到成本問題，致使該設計方案并未被采納。

3 壓力管道

為了減少冬季受冰凍的影響和管道的布置有可能對景觀的破壞，壓力管道全程采取埋管方式。針對埋管的長度、沿途易滑坡地區、巖石開挖等因素，在埋管選線時做了充分的優化。在施工中，因坡度太陡，管道和混凝土錨塊不得不使用直升機進行吊裝運輸。

壓力管道的上部沿一段已有的山中道路布置。采取的穩定加固措施包括使用長為6 m的微型樁，將該樁穿過覆蓋層鉆進至基巖。由于上述淺層錨固措施對整個山體的加固作用有限，同時也難以阻止長期的蠕動變形，因此，在設計時，采取了巖土監測措施，以監測坡體工程的大變形，這又進一步地保證了管道的沿途安全。樁承臺之間采用混凝土連接，形成尺寸為6.5 m的方格，使整體加固效果更佳。當監測的變形值超過預警值時，位于前池的壓力管道報警系統就會啟動，從而放空管道內的水。這可避免管道內的水沿管道破損處滲漏出來而引起更為嚴重的山體滑坡。

4 電站廠房和機電設備

電站廠房位于后萊茵河的河岸旁，由于該區域存在洪水淹沒風險，且同時又屬于濕地保護區，因此，對廠房的布置開展了多方案比較，最終確定將廠房布置在離河岸較遠的地方。每到冬季，該地即成為一個滑雪場的滑雪道，因此如此布置可使廠房建筑物與當地環境融為一體。

出于景觀方面的考慮，廠房高度被限制在4 m，顯然廠房內的吊車無法在如此低的高度內運行。為此，通過在廠房頂部開設一個天窗，并使用移動式的吊車完成了沖擊式水輪機組的安裝，將來機組的維修、起吊、清潔都將采用這種方法。

豎井和4葉的沖擊式水輪機與1 950 kVA同步發電機直接相連，該發電機比工作轉速為1 000 rpm，工作電壓為690 V。發電機采用水冷方式，散熱器布置在尾水渠的位置。由于采用了水冷方式代替風冷方式，廠房的熱負荷得以減小，只需在廠房墻上開設較小的通風口就可以滿足廠房的通風要求。該設計能使廠房噪音大幅地減小，即使是在滿負荷運行時，廠房外的噪音仍不會超過45 dBA。

由于該電站處于輸電網支線的末端，當電站處于獨立運行工況時，必須有額外的設備來保護機組，這種情況一般出現在電網和小水電站間的支線出現斷開的情形。當電網與電站通過支線重新連接時，此時的相位角、電壓，甚至頻率都將不再一致，而這將會對機電設備造成致命性的破壞。

5 經濟效益

該水電站的總投資為960萬美元，由于電站的使用壽命只有40 a，因此即使水權的使用期為60 a，但還是只能按40 a的折現來算。電站工作人員均從施普呂根當地招聘，其中有20%的崗位為兼職，他們的職責是負責電站日常運行和設備保養。這種方式不僅可以降低企業運營成本，而且還可以增加瑞士阿爾卑斯山區的就業機會。

目前，該電站受益于上網電價體系的優惠制度，即該體系制度對歐洲電價和坦博電站前期核定的發電成本之間的差價進行補貼。這種制度使投資者可以獲得穩定的回報，也激勵他們更多地投資小水電的開發，由此提高新能源在瑞士能源結構中的比重。目前，瑞士能源結構中，60%為水電，40%為核電。

6 前景規劃

對坦博電站的合作雙方——當地的施普呂根公司與阿爾匹克生態能源控股集團公司而言，坦博水電站工程的開發無疑是成功的，在電站投運發電后的短短幾個月時間內，這兩家公司就決定將繼續開展合作。在該地區周邊，還有兩個類似規模和投資的電站項目有待開發，目前這兩個項目已經進入前期設計階段。如果工程申請得到批復，將進入設備招投標和具體施工階段。可以預想，這兩個項目將和坦博電站一樣順利推進，并將于2015年投入運行。