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致敬70年,中国大坝行(三)|五强溪:开发沅江,守望洞庭

2022-09-17 19:56:40 2609

摘要:【能源人都在看,点击右上角加“关注”】点击上方大坝新闻,关注我们五强溪水电站五强溪水电站位于湖南省沅陵县境内,是我国上世纪八十年代末、九十年代初修建的百万千瓦级水电站,被誉为当时水电“五朵金花”之一。五强溪水电站以发电为主,兼有防洪、航运等...

【能源人都在看,点击右上角加“关注”】

点击上方大坝新闻,关注我们

五强溪水电站

五强溪水电站位于湖南省沅陵县境内,是我国上世纪八十年代末、九十年代初修建的百万千瓦级水电站,被誉为当时水电“五朵金花”之一。五强溪水电站以发电为主,兼有防洪、航运等综合效益,建设过程中成功解决了一系列重大技术和管理难题,为探索具有中国特色水电建设新路、高速优质低耗建设大型水电站提供了宝贵经验。

专题策划:中国大坝工程学会

《中国三峡》编辑部

01

沅江上的水电明珠

文 | 王芳丽、 图 | 彭需军

沅江是湖南省湘、资、沅、澧四大水系之一。它从贵州东南地区的峡谷深壑中奔涌而出,经湘西一路向东,掠过高山峻岭和丘陵平原,奔向浩渺广阔的洞庭湖。自古以来,沅江苍莽浩瀚,水流湍急,流域面积8.9163万平方公里,多年平均径流量659亿立方米,水量丰沛居四水之冠,水能资源高达700多万千瓦。然而,五强溪水电站建成之前,沅江流域因为水流湍急,落差巨大,常使中下游人民乃至洞庭湖地区深受洪水之害。五强溪水电站的建设,既是开发治理沅江的时代需求,也是社会经济发展的必然结果。

五强溪水电厂安装 5 台单机容量 24 万千瓦的混流式水轮发电机组。图为五强溪电厂主厂房。

两落三起,千呼万唤始出来

五强溪水电站位于湖南省沅陵县境内,是湖南省最大的水电站,也是沅江干流上最早建设、规模最大的水电站。五强溪工程经历了“两落三起”的坎坷历程,1952年开始水文地质勘测,1958年、1980年两次动工之后,又因经济困难停工缓建。上世纪80年代,早期开发的凤滩、东江等水电站已经不能满足湖南省的社会经济发展,湖南每年因电力缺乏而减少的工业产值高达40亿元。在沅江干流上再开发建设一座大型水电工程,已经成为湖南儿女共同的企盼。在这样的社会经济背景下,1986年4月,五强溪工程正式复工,并相继列入国家“七五”、“八五”重点建设项目。1994年12月,五强溪水电站首台机组投产发电,1996年12月,五台机组全部投产发电,总装机容量1200兆瓦,年设计发电量53.7亿千瓦时。自此,湖南省告别电力紧缺时代,社会经济飞速发展。

五强溪水电站总装机容量为120万千瓦,是沅江流域最大的水电站。发电、防洪、航运等综合效益显著。

如今的五强溪水电站,正在实施沅江干流梯级滚动开发的“收官之作”——五强溪水电站扩机工程,增加两台单机容量25万千瓦的发电机组,预计2023年9月竣工。扩机后,五强溪水电站装机总量将达170万千瓦,年设计发电量将增加到59.3亿千瓦时,水量利用率进一步提高。始于此,终于此,五强溪水电站是沅江干流水资源开发利用最好的注脚,从此沅江将迎来 它的水电新篇章。

防洪抗灾,保卫沅江、洞庭湖

五强溪水电站自投产以来,已累计提供绿色电力超1200亿千瓦时,不仅扭转了湖南省电力紧缺的局面,还为社会减少了二氧化碳等污染物的排放,环保效益十分明显。

1996年7月16日,五强溪水电站入库流量超过每秒40000立方米,水库水位直逼极限值。图为电站职工鏖战沅水千年一遇洪水。

除发电外,五强溪水电站还具有防洪效益,拥有防洪库容13.6亿方,可将沅江流域防洪标准由5年一遇提高到20年一遇。五强溪水电站建成后,先后战胜了1995、1996、1998、1999年四次特大洪水,保卫了沅江下游及洞庭湖地区人民的生命财产安全。

特别是1996年7月,沅江流域发生特大洪水,为避免沅江中下游全面溃堤危险,减轻洞庭湖地区的分洪压力,五强溪水库水位曾逼高至113.26米,超正常蓄水位5.25米,相当于5000年一遇的洪水水位。据湖南省防汛指挥部统计,五强溪水库为洞庭湖蓄洪,直接减少经济损失上百亿元。

如今,我们在坝顶依然能看到当时的最高水位线标记,一眼望去竟然直逼坝顶。据工作人员介绍,当年的洪水距坝顶仅4米多,洪水将大坝右消力池冲出一个长50米,宽16至25米,深度近40米的巨坑。站在坝顶远眺,依然能想象当时洪水汹涌、浊浪排空的景象。

1998年长江流域发生特大洪水,五强溪水库共9次为中下游承担错峰蓄洪任务,拦蓄洪水近46亿立方米,使洞庭湖水位下降0.7米,有效地缓解了长江中下游地区防洪紧张的局面。可见,五强溪作为沅江干流上最大的水利水电工程,不仅使沅江流域得以安澜,也为洞庭湖和长江中下游分担了部分防洪压力。

高峡平湖,黄金水道名副其实

沅江航运历史悠久,是古代著名的黄金水道。早在汽车和公路在湘西出现之前,沅江一直承担湘黔之间水上交通大动脉的重任,东连江浙,西通巴蜀。在我们的认知当中,黄金水道就应该水面宽阔,大船小帆争相竞渡,但在自然通航时代,沅江航运的凶险在中国航运史上数一数二。沅江流域滩多水急,曾无情地吞噬了无数船只,埋葬了许多生命。有民谣曰“三洞九 脑十八滩,沅江处处鬼门关”。

五强溪水电厂的修建使沅水干流220多公里的河道渠化,成百上千的急流险滩沉睡水底,沅水变成了黄金水道。

在五强溪水电站附近,我们就见到了久负盛名的青浪滩,并听船长讲述了许多相关的骇人传说。以前的青浪滩河床落差大,乱石如林,航道极其狭窄。急流拍在礁石上,激起数米高的浪花,旋涡遍布,在这里冲散的木排和沉没的船只不计其数。五强溪工程修建以前,青浪滩附近还有座水神庙,香火极盛,过往的船夫都要到此许愿、还愿。

如今,险滩和庙宇都淹没在水下,干流回水长达150公里,船行沅江,只觉得两岸风景如画,水面宽阔平静,大小船只往来不绝,重达500吨级的货船可畅行无阻。航运条件的改善直接带动了两岸经济的快速发展,现在的沅江,真是名副其实的黄金水道。

生态库区,千年古茶重现生机

五强溪库区经济以传统农业和农副产业为支撑。我们在沅江两岸的山上,看到了大片的橘树和茶树,还有蔬菜种植基地。生态渔业也是部分库区人民的收入来源,五强溪鱼、虾远销北京、上海、浙江等省份。

沿岸最引人注意的是茶叶种植基地。在碣滩茶场,我们弃船登岸,沿着石阶向上攀爬,山中藏着许多木头房子,十分古朴,虽不是吊脚楼,但也有着飞檐长廊,刷了桐油的木材被岁月浸染得漆黑,却别具韵味。

五强溪水电站库区移民新产业——沅陵碣滩茶加工厂。

上山过程中,我们碰到了几个茶厂工人。现在春茶已经采完,他们正在给茶园除草、捉虫。起初我们看到有大片的茶树被齐根斩断,觉得十分可惜,后来一个工人告诉我们,等到秋天这些茶树就会长出新芽。原来这里的茶叶一年只采两季,不施化肥,不打农药,是名副其实的有机茶。我们凑近茶田仔细看,果然许多老叶上都布满虫孔。

从山腰往下看,梯田顺着山势盘桓而上,沅江安静地卧在山脚,每一眼都是画中美景。山腰处还有一个亭子,名曰仙鹤亭,亭中有碑文讲 述了茶师刘先和积极恢复千年名茶“碣滩茶”的故事,仙鹤谐音“先和”,想必仙鹤亭由此得名。碣滩茶是唐代贡茶,在沅陵县,像这样的茶厂共有70多家,包括省级龙头企业两家,有机茶园面积15万亩,茶叶年产量近3万吨。

风景依旧,移民面貌焕然一新

五强溪工程建设前,库区所处位置相对比较 偏僻,且经济水平落后。工程移民10万多人,搬迁沅陵、泸溪和辰溪3个县城,移民工程浩大。

我们走在重建后沅陵县青浪滩乡的集市上,看到沿街摆放着从远处运来的小龙虾、荔枝等时令水果、食材,前来挑选的人络绎不绝,大城市里能买到的东西,这里几乎都有售卖,可谓麻雀虽小,五脏俱全。开船的师傅说,等到赶集的日子,这里更热闹,卖什么的都有。

沿着五强溪水电站上溯,两岸风景宜人,龙舟飞渡,经济却并不落后。水电站的修建为库区人民打通了陆路和水路交通,促进了农业产业化的进程,同时这些产业又吸纳了大量当地百姓就业,解决了许多移民的生计问题。

由此可见,五强溪水电站不仅是一个水电工程,同时也是民生工程和绿色工程。它为湖南人民带来源源不断的清洁能源的同时,也打开了库区与外部世界连接的大门,20多年来,这里风景依旧,库区人民的精神面貌却焕然一新,收入水平显著提高。

五强溪水电站移民新城——沅陵。

02

五强溪工程的五个亮点

文 | 田宗伟、图 | 彭需军

五强溪水电站是我国上世纪80年代末、90年代初修建的装机容量百万级的水电站,被誉为当时水电“五朵金花”之一,建设过程中成功解决了高边坡治理、混凝土砂石料供应、船闸闸门选型、泄洪消能以及如何减人增效等重大技术和管理难题,为探索具有中国特色的水电建设新路、高速优质低耗建设大型水电站提供了宝贵经验。

高边坡治理

五强溪水电站左岸山体开挖后,形成了沿水流方向长约500米,最大坡高165米的高边坡,为当时全国水电站最高的不稳定边坡。而开挖前边坡山体就有局部蠕变、坍塌堆积与滑坡现象。为确保高边坡的稳定,施工人员采取“上削下固、既锚又护、边挖边护、排水同步”的措施予以处理,取得了很好效果。他们的做法是:

自上而下分段开挖,合理设置边坡坡度。在边坡上部进行钢筋混凝土网格梁草皮护坡,在边坡中下部进行锚喷混凝土及钢筋网喷锚混凝土防护,在各级马道进行混凝土面板防护。

通过锚洞、锚桩、断层混凝土塞和边坡固结灌浆等手段对边坡进行加固。

五强溪水电厂大坝监测、高边坡治理实现了数字化、信息化、大数据管理。图为大坝管理中心。

在边坡山体内设置完善的排水系统。在各级马道及平台的内侧设横向排水沟,顺坡面每30至50米间距设一条纵向排水沟,各排水沟水流汇入主排水沟,最终引排至船闸下游引航道内。在喷锚混凝土及现浇混凝土边坡上布置浅排水孔,梅花型布置。在边坡中下部设置水平深排水孔,排水洞群布置在坡脚部位。洞顶有垂直排水深孔与其相连,这样就形成了洞、孔结合的立体排水网络。

20多年的监测结果表明,处理后的边坡整体是稳定的,边坡开挖产生的卸荷回弹和蠕变得到控制,为抑制边坡变形开辟了一条行之有效的施工新途径。

砂石料

五强溪大坝混凝土用量高达350万立方米,而近坝区110公里干流河段内天然砂石料产地分散,储量和质量均无法满足工程施工要求,最终选定了位于大坝右岸2.5公里处的青山沟作为料场,砂石料采用高度机械化生产系统加工,皮带输送,最高月产量达24.5万立方米,为五强溪工程共计生产砂石料成品584万立方米,是我国当时最大的人工骨料加工系统。

五强溪大坝人工砂石料的料源石英含量高、硬度大、可破碎性差,导致系统设备磨损严重、生产效率低。经过一系列技术革新,解决了石英岩人工砂石料生产过程中的一系列难题,建立了石英岩人工砂石骨料的生产标准,使高含量石英岩人工砂石骨料可以用于大坝混凝土浇筑,为后期其他大坝建设扩大了料源选择范围。

泄洪消能

五强溪泄洪闸门由9个表孔,5个底孔和1个中孔组成,由于泄洪闸门单孔泄洪流量非常大,便采用宽尾墩、底孔挑流、消力池多种手段联合消能,消能效果明显。

五强溪水电站泄洪

表孔采用宽尾墩消能。闸墩尾部边墙沿程逐渐加宽,孔口逐渐缩小,迫使水流在宽尾墩的约束下逐渐收缩形成窄而厚的射流,左侧水流射向右边,右侧水流射向左边,形成撞击,散开部分水流,消去部分能量。落入消力池时,与池内消力墩撞击,进一步消能。

底孔采用挑流消能,水流从孔口挑射而出,在空中扩散、紊动、掺气,消除部分能量。跌落到消力池时,与消力池水体撞击进一步消能。

许多工程的泄洪采用底孔挑流或宽尾墩加消力池进行消能,同时采用宽尾墩、底孔挑流、消力池综合消能方式,五强溪大坝是首例,在国外也没有先例。运行实践表明,采用“宽尾墩+底孔挑流+消力池”新型联合消能是成功的,经受了多次特大洪水的考验,为其他类似的水利水电工程的泄洪消能开劈了新的途径。

船闸闸门

五强溪船闸为单线三级船闸,由上游引航道、上游进水口、三个闸首、四个闸室、下游泄水口和下游引航道等11个部分组成,全长1.66 千米。三级船闸跨越水头60.9米,二闸首最大工作水头42.5米,均居当时国内之首。为了验证不同门型在高水位船闸的运行优劣,船闸闸 门采用了三种形式,一闸首、四闸首安装人字门,二闸首安装双扉门,三闸首安装下沉门。

下沉门属于大跨度平板闸门,不挡水时,降落至船闸底板高程以下,需要挡水时,通过启闭机提升至全关位置。大跨度平板闸门结构简单,具有可以封堵较大面积孔口、维修方便等优点。但这种闸门的缺点也非常明显,由于重量大,其提升与降落需要两台启闭机同时操作,对同步性要求很高,控制系统设计复杂。其次,由于闸门运行时对轨道和水封的磨损大,止水困难。并且下沉门油缸长度是人字门油缸长度的7.5倍,开关门需要时间长,通航效率不高。

在下沉门的上方增加一块上提门,即组合为双扉闸门。两块门安装在同一个工作门槽内,根据船舶高度和水位要求下沉门可以下沉至船闸底板以下,上提门可以悬停在门槽上空。双扉闸门特性与下沉门类似,但由于是两块门配合挡水,成倍增加了液压控制设备数量,控制要求比下沉门更高,运行维护难度比下沉门更大。

五强溪水电站三级船闸自通航以来,已免费过闸船只 8 万余艘、通行货物 800 多 万吨,为沅江航运和社会经济平稳发展提供了可靠保证。

人字门类似房屋对开门,由两扇垂直旋转运行的平板门构成,其支承跨度较下沉门和双扉门小,门体变形量减小。人字门油缸的行程较下沉门和双扉门短,节省了运行时间,通航效率大幅提高。人字门顶部为开放式空间,通航船舶高度不受限制。人字门的重量全落在门轴底部磨菇头上,启闭省力,操作方便,运转可靠。

通过对三种门型运行检修情况进行比较,人字门的优势明显,故而其后许多船闸建设多采用人字门,五强溪船闸为后续船闸建设提供了宝贵的经验。

随着改革发展的需要,五强溪水电站职工生活区搬迁到了长沙市。图为长沙职工生活区。

率先拜托“企业办社会”

1993年以前,我国水电建设大多采取“企业办社会”的模式,水电站在深山,职工生活区也建在深山,于是电厂就要建学校、办医院,以解决职工看病难、子女入学难问题,企业背上了沉重的包袱,发展受限。

五强溪电厂筹建时,筹备处领导提出新厂新办,将电厂生产区、职工生活区分离,走精简高效之路,这在今天早已是司空见惯,可在电厂创建之时却阻力很大,困难不少。但五强溪电厂最终还是将职工生活区建在了离水电站108 公里远的常德市。

五强溪水电站常德基地生活区中心花园。

五强溪电厂不走“企业办社会”老路,精简机构,使企业定员从传统模式所需的1460人一下减少到454人。职工家属的就业、就医、入学、入托、婚恋等都依托城市得到了有效解决。随着企业改革的深入,职工素质的提高,电厂不断实施减员增效。到1999年,员工减至120人,电厂管理达到国内一流电力企业水平。自推行“远程集控、无人值班”模式后,电厂在岗员工仅66人,定员水平达每万千瓦0.6人。

新厂新办的战略选择,为国内后续水电站的建设与发展树立了典范。

经过坚持不懈的探索,五强溪水电站发电运行成功实现了无人值班、远程集控。图为长沙发电集控中心。

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