瑞士增加蒙特薩爾文斯大壩的最小環境流量

[瑞士] F.布拉西 等

環境與生態

瑞士增加蒙特薩爾文斯大壩的最小環境流量

[瑞士] F.布拉西 等

高52m的蒙特薩爾文斯大壩是歐洲最古老的拱壩之一。 為滿足瑞士一項最新水域保護聯邦法案對生態保護的要求，應該將大壩壩趾處的環境流量從130 L/s增加到500 L/s。論述了幾種可能的解決方案以及最終所采用方案的實施情況；同時，也對蒙特薩爾文斯大壩的建設背景、運行現狀，以及實施升級改造的方案研制和比選過程等情況作了介紹。

拱壩；泄洪；方案選擇；蒙特薩爾文斯大壩；瑞士

蒙特薩爾文斯(Montsalvens)拱壩位于瑞士弗里堡州(fribourg canton )布羅克(Broc )村，修建于1919～1921年間。目前，大壩為上市公司E集團所有并對其實施運行管理。

大壩以前的裝機設計不允許增加下泄流量。因此，經過對各種可能性進行分析后，決定采取以下方案：在壩體內安裝一個鋼管與大壩迎水面的進水口相連，在背水面壩腳處布設一座小發電站。

接著，是選擇最合適的水輪機型號(混流式水輪機或帶固定或可變速調節的斜流式水輪機)。由于上游水位的變化幅度大，并且基于經濟因素考慮，決定選擇帶有固定轉速和可移動轉輪葉片的斜流式水輪機，裝機容量220 kW。盡管大壩上游水位經常波動，但是，帶移動轉輪葉片的斜流式水輪機目前運行狀態良好。

該小型水電站從2014年1月開始運行。

1 蒙特薩爾文斯大壩概述

在1997年到1998年間，對大壩進行過修繕，包括：加固大壩左墩、安裝安全閘門(fusegate)系統、加大下泄能力以及優化監測系統。

根據2006年的水深測量結果，當水庫水位在高程800.8 m時，其總庫容是920萬m3，最初的庫容是1 260萬m3。

水庫水源來自若涅(Jogne)河 (主流)、若夫羅 (Javro)河和蒙特隆(Motelon)河。水庫入流量的年內分布在該地區比較典型，如圖1所示。由于融雪，5月份的流量最大，10月到次年2月的流量相對較小。在2000年到2010年的10 a間，2006年5月29日實測的最大流量是261 m3/s。

在這種入流量狀況下，水位在高程785.0 m到800.0 m區間時，水庫通常(99%以上時間)都能正常運行。水庫運行的最低和最高水位分別是高程775.0 m和800.8 m。實測(起始于2003年)的水庫最低運行水位是780.74 m。

2 法律支撐

1991年1月1日，瑞士開始實施水域保護的聯邦法案。 該方案的實施，旨在改善國內河流湖泊的生態狀況，避免地表水及地下水受到污染。

基于一種新的計算方法，法案要求各洲(區域政府)必需確保河流的最小流量。這樣就導致可供水量的減少，進而導致其水力發電量每年減少了4%或1.4 TW·h。

瑞士政府試圖增加可持續的能源，因而建立了一個時間跨度到2050年的新戰略規劃，并于2011年獲得通過。另外，自2009年開始，政府還成立了一個公募基金，以資助小型的氣候友好型發電系統，比如風能發電、小型水力發電、生態能發電、光伏發電以及地熱發電等。

3 方案分析

3.1 概 述

若涅河最初的泄流方案是采取在底部出口處設計一個小的旁通系統。但是，通過實際的水力計算，結果表明，這樣并不能將泄流流量提高到130 L/s。因此，必須采取新的措施，將最小流量提高到500 L/s，以滿足當地政府的要求。

3.2 進水口與壓力管道

由于現有大壩在低高程處沒有孔口或閥門，因此,若要增加生態流量，就需要在大壩內部修建一條水流通道。 隆巴迪公司曾在意大利圣米斯廷娜等其他工程中成功地修建過這類設施。因此，決定采用該方案。

工程需確保在任何時候的最小流量均應達到500 L/s，甚至在關閉新的發電站，以及在水庫運行水位達到最小高程775.0 m的條件下都是如此。這就意味著新的進水口高程必須低于775.0 m。

在冬季入流量較小的情況下(見圖1)，為了提高發電量，有可能會將蒙特薩爾文斯水庫的水位降低到高程775.0 m以下。而在該高程以下，底部出口必須能夠運行，以排出多余的水量。

由于排水時可能會沖刷出大量的泥沙，管理機構禁止在工程施工期將水庫水位完全地消落，因此，必須尋找一個可行的方案，以使在大壩上游面修建新的進水口時，水庫水位能夠維持在775.0 m以上運行。經研究，提出了以下幾種可能的方案。

(1) 在大壩略低于最低水位(高程774.0 m到775.0 m之間)處，安裝一個管道，以確保任何時候均能維持生態流量。由于在施工期水位只能降低到高程775.0 m，因此，需考慮一個防滲套管以保護施工工地。

該套管必須在水下固定并與一個小型泵裝置連接，以排出滲出的水量。

(2) 與方案(1)類似，只是修建一個防滲套管，但應考慮安裝一個鐘形帽。認為該方案具有可行性，這就意味著不用降低水位即能完成鉆孔工作。

但這個方案在施工期的整體風險較高，主要是因為大壩上游壩面的不規則性以及壩塊間會有滲水的可能性。如果出現故障可能會產生致命的后果，因為管道高程以上的整個水體可能會通過排水洞排干，而無法采取任何措施進行阻止。

(3) 安裝一個虹吸管。這個方案可允許在壩體內最低水位高程以上的位置安裝管道，同時又不會影響在最低水位處對水的開發利用。壩體迎水面部分的虹吸管必須由潛水員在水下安裝。

對上述3個方案在技術、環境、經濟以及安全運行方面進行了比較分析。

最后的分析結果表明，虹吸管安裝方案被認為是最佳的方案。該工程是將一個厚為4～5 mm墻焊接的無縫鋼管(直徑為600 mm)，錨定在大壩上游迎水壩面。 基于安全考慮，為大壩下游壩面處的管道設計了一個閥門。

在進水口處安裝了一個攔污柵，以防止魚類進入系統。進水口與壓力管道頂端為直接集成式，采用的材料也一樣。

該方案還有一個特點，即進水口處的攔污柵能拆卸，并可在此處安裝一個鋼盤。這樣，在施工期壓力管道就能被關閉。

3.3 電廠設備

修建該工程必須考慮滿足以下2個主要需求。

(1) 不管水庫水位如何，環境流量必須達到500 L/s；

(2) 在微型水輪機失效時，環境流量必須能維持大壩下游的水流量。

要滿足這些要求，必需選擇最合適的水輪機類型和發電站的相關設備。

3.3.1 現場水力特征

微型水輪機必須能在500 L/s與水庫水位高程為785.0 m時的相應最小流量之間運行。這樣，從理論上講，發電機組能在99%以上時間內利用水能發電。 在高程785.0 m以下水輪機不會運行，而且通過旁通閥排水，以保證最小500 L/s的環境流量。

根據排水渠的水力計算結果，下游水位應當維持在高程755.5 m。

3.3.2 機組類型

根據現場水力特性，在選擇機組類型時，混流式(凈水頭在20～300 m間)或斜流式(凈水頭在20～100 m間)水輪機都可以作為備選機型。2種水輪機方案比較見表1。

標準的混流式水輪機應為一次調節。在水頭和流量弱相關時，其效率最大，而且其機械設計也是相對成熟的技術，通常在中型到大型的機器中采用。但是對于小型機器設備，其螺旋套管(特別是轉輪)的生產難度比較大，通常是水平軸向布置。然而對于蒙特薩爾文斯工程而言，由于空間有限，必須進行垂向布置。

最終選定的發電設備具有以下特征。

水輪機類型 小型斜流式

正常/最大流量 0.5/0.57 m3/s

最大凈水頭(0.5/0.57 m3/s以下) 44.3/44 m水冷卻(WC)

最小凈水頭(0.5 m3/s以下) 28.5 m水冷卻

正常速度 1 510 r/min

飛逸轉速 3 720 r/min

飛逸直徑 375 mm

水輪機最大功率 (0.5/0.57 m3/s以下) 188/220 kW

發電機最大功率 (0.5/0.57 m3/s以下) 181/211 kW

發電機最大視在功率 (cosφ=0.88) 239 kVA

發電機壓力-頻率 400-50VAC-Hz

斜流式水輪機可以一次調節或二次調節。在相當大的流量范圍內，其效率通常較高，特別是二次調節時。然而其機械設計(特別是轉輪設計)相當復雜，主要用于小型設施，可以水平軸向、傾斜軸向或立軸式布置。

不過這些是從前的斜流轉槳式水輪機，現在它們已不常見，通常是將其作為水泵水輪機。最著名的水輪機，當然是安裝在美國尼亞加拉大瀑布電站的那些水輪機。

從設計角度來看，斜流式水輪機就像一個有傾斜葉片的軸向機器，而從水力角度來看，其更像是混流式水輪機。由于為定向的葉片，因而斜流式水輪機在較大范圍的水頭與流量關系中具有較高的效率。這種水輪機在水頭高于30 m時，不會發生氣蝕且能滿足功能要求，而軸流式和轉槳式水輪機則需要安裝在下游時才能滿足同樣功能的要求。

在瑞士電力公司的資助下，微型水力實驗室-Mhylab最近研發出了斜流式微型水輪機，它可以利用壩腳處的流量進行發電。這種利用壩腳流量發電的情況，流量通常必須全年保持恒定。另一方面，水頭是不斷變化的，并且水頭取決于主發電廠的運行規則以及水文季節性循環。而后者的變化可能會較劇烈，在這種情況下，斜流式水輪機比混流式水輪機更有效。

對以下3種方案的投資費用與發電量開展了比較分析。

(1) 方案1。立軸混流式水輪機，為可調節的導葉裝置和可變轉速。

(2) 方案2。立軸斜流式水輪機，為固定導葉、可調節轉輪葉片以及為固定的轉速。

(3) 方案3。立軸斜流式水輪機，為固定導葉、可調節轉輪葉片以及可變的轉速。

方案比較結果首先表明了方案3不適合。因為該方案的年均發電量少于方案2，而投資卻更大。年均發電量較小的原因是，通過提高水輪機效率而增加的發電量，并不能補償由于頻率轉換器的有效性而導致減小的發電量。

接著，對方案1和方案2進行了優缺點對比分析。但這種簡單的對比分析并不能識別出最佳方案。大壩業主決定選擇方案 2，即選用可以調節轉輪葉片和固定轉速的斜流式水輪機。

3.3.3 機組和設備特征

可能只有在水庫水位達到最高時，才能實現最大流量0.57 m3/s。而在水庫最低水位為高程785.0 m時，就可達到正常流量。

如前所述，河流必須是從不斷流。這就是為什么必須安裝一個旁通系統，來確保在發電機組不運行或維護期間的下泄流量。

發電站包括以下設備。

(1) (發電站進水口前)一個帶有旁通管道分支的進水口管道；

(2) 帶有一個手動的維護閥門、一個自動閥門、一個可調節隔膜式閥門(用來效驗旁通流量)的旁通管道系統；

(3) 一個舊有水輪機的改良蝶閥；

(4) 一臺豎軸的斜流式水輪機，帶有定向轉輪葉片和相關設備；

(5) 設置有液壓系統的下游自動水平閥；

(6) 一套立軸式200 kW異步發電機，IP23；

(7) 控制設備。

水輪發電機通過總長180 m的0.4 kV電纜與電網相連接，并將其所發的電送到位于左岸大壩頂部高程上的低壓-中壓轉換器。發電機組嵌入到加固的混凝土結構中，而且其布置通道為采用當地材料構建，且外觀一致。

4 工程實施

4.1 工程實施狀況

該工程由當地承包商在2002年8～12月間進行施工。水輪機于2013年安裝，2014年開始運行。根據施工期的安排，需要確保進水口和壓力管道上游部分的安裝施工在9月份完成，因為在這期間，水庫水位降低所造成的經濟影響會最小，而且洪水發生的概率也較小。

施工期間沒有發生較大的問題，新增加的工程各部分均按照設計方案的要求嚴格執行。

4.2 進水口和壓力管道

由于大壩上游壩面的進水口和壓力管道必須位于最低水位以下，因此，必須由專業的從事水下施工的人員進行安裝。基于安全考慮，在工作場所附近布置了一個平臺以供施工人員進行安裝，并在施工現場配備有船只，以便在緊急情況下進行快速轉移。

在施工過程中，需用直徑1 m的鏜床從下游壩面挖出一個鉆孔，以使壓力管道通過壩體，然后安裝管道并將其固定。管道與鉆孔之間用自壓縮混凝土填充。

在大壩下游面，壓力管道完全嵌入混凝土塊中，以防止大壩頂部物體滾落造成損壞。

4.3 發電廠房設備及布置

由于無法到達壩腳，因此,在大壩頂部安裝了一個維護裝置，以將小型部件運送到施工場地。較大的部件比如閥門、水輪機、發電機及其相關設備、以及電控柜等，用直升機通過頂部開口運送到電站廠房中。

4.4 生態及安全

在施工期，對生態環境給予了特別關注。在工程開工之前，在底部出口設置了2個控制開關，用來對大壩附近積聚的泥沙進行有效沖刷控制。

因此，在施工期如果緊急打開底部出口，則大壩下游的泥沙濃度會減小。在利用這些出口時，為減小泥沙濃度，還需額外補充一些從水庫抽出的清水進行沖刷，并對泥沙濃度進行持續監測。沖刷完成后，對壩下游的河床情況進行分析并寫出分析報告。

由于在施工期采取了嚴格的生態控制措施，因此，在整個施工期內沒有產生環境方面的問題。

與這類工程常見的安全和保障問題不同，在該工程進行鉆孔施工作業時還存在著洪水風險問題。為了降低風險,采取了以下2個預防措施。

(1) 將上游水位降到鉆孔位置以下1 m處，這樣可以給洪水調蓄騰出額外容量。

(2) 在鉆孔上游進水口處準備一個帶有防滲裝置的鋼盤，以便能在1 h內完成安裝作業。

在工程施工期內發生過一次洪水，但由于提前采取了安全措施，避免了給下游可能造成的損失。

5 結 語

蒙特薩爾文斯大壩的環境流量從130 L/s增加到500 L/s，致使其每年的有效發電量損失了大約3 GW·h。得益于瑞士氣候友好型能源發展基金的資助，修建了壩腳微型水電站。該水電站利用環境流量，可實現年均發電量1.4 GW·h，這樣，大約可彌補50%的發電量損失。

盡管該方案在實施的過程中也遇到了一些挑戰，但在現有大壩上鉆孔并沒有造成麻煩。事實證明，該方案可用于現有的一些無法增加環境流量的大壩以及一些類似工程的升級改造中。

該方案的美中不足是，需要設計能在水頭變化劇烈(出流量通常是固定的)時運行的低成本的水輪機。

(毛紅梅 趙秋云 編譯)

2015-01-23

1006-0081(2015)05-0007-04

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