世界上首座海水抽水蓄能电站上库的设计与施工

1 概 述

冲绳山原海水抽水蓄能电站位于冲绳本岛北部国头村的太平洋岸边。电站利用上库(高位蓄水池)与海平面之间136 m 的有效落差发电，是世界上首座海水抽水蓄能工程。电站实际取水流量为26 m3/s，最大装机容量为30 MW。

在实施该项目之前，早在1981 年就已开始了为期5 a 的与海水抽水蓄能发电相关的基本试验和研究。1987 年，日本经济产业省(原通产省)委托日本电力开发有限公司(J－Power)实施示范工程，1991年开工建设;1999 年3 月，电站投入试运行;2003 年底，工程的试运行期结束。从2004 年起，J－Power接管了该电站的运营，并继续负责示范工程的维护和运行。

利用海水抽水蓄能发电的主要优点可归纳为:

(1)不需要专门建设下库，降低了工程费用;

(2)可以建在大型电源点(火电厂、核电厂)附近，也可以建在靠近负荷中心周边的海边，降低了输电成本。

但是，海水抽水蓄能工程建设也会遇到一些特殊的难题，比如:

(1)海水可能从上库向土壤中渗透，导致地下水污染;

(2)海水中的有机物和海洋生物黏附在水道和水轮机中，造成发电和抽水效率逐渐降低;

(3)海水对水轮机等金属设备会造成腐蚀，因而可能会缩短其使用寿命，增加维护费用;

(4)在高海况下，大浪对进水口和尾水系统运行的稳定性会造成影响;

(5)上库泄漏的海水会对周围陆生植物和动物产生不利影响。

图1 为该工程的总体布置。

图1 工程总体布置

2 场址概况

冲绳抽水蓄能电站上库的建设场地是一处高程为150～170 m 的小台地。上库是通过开挖台地的中心部分，并环绕着中间的深坑修建堤坝而形成的。上库的基岩为国头组明户构造带的千枚岩和绿岩。地表出露的有千枚岩风化后形成的普通千枚岩、沙屑千枚岩和千枚岩与沙石的混合物，这些地层的分布缺少连贯性，且已形成了混合结构。工程的水道系统纵剖面示于图2 中，上库的平面布置示于图3 中。

图2 水道系统纵剖面

图3 上库平面

片理状和层状基岩的主要走向是东北－西南，偏西20°～40°，但是岩层倾向和倾角完全是杂乱无序的。在有些断层中存在断裂带，较大的断层呈网格状分布，间隔几十到几百米不等，其分布特性已与当地早期曾出现过的沼泽的分布相吻合。

建设场地的主要工程地质特征之一是地表的侵蚀严重。鉴于岩土的物理力学特性取决于岩土风化状况，因此，主要根据岩土风化程度对工程基岩进行分类。

3 上库设计

上库的库容是将高地中心部分开挖成水池，并围绕它修建一圈堤坝而形成的。上库在平面上呈八角形，工程布置原则是使总开挖量最小，并使得挖填方平衡。堤坝采用均质土坝坝型，为了加速固结沉降，在坝体中设置了水平排水层和垂直排水层。

上库周边区域也是许多濒临灭绝物种的栖息地，有鉴于此，尽量阻止海水渗透到土壤中就显得尤为重要。因此，在上库表面的衬砌结构中，设置了2 道或3道防渗结构物。

衬砌结构由下至上由过渡层、垫层和防渗层组成。过渡层是50 cm 厚的机制沙砾，颗径不大于20 mm，覆盖整个上库的库床表面，并经过压实;在过渡层之上是采用无纺土工布作为缓冲垫层;敷设在垫层之上的防渗层是厚2 mm 的橡胶薄板，橡胶板是用三元乙烯丙烯合成橡胶(EPDM)制成的，具有很好的止水性能、良好的气候适应性，以及很强的抗老化能力。

同时，为预防局部橡胶板出现破损而发生海水泄漏，在过渡层中埋设了排水管通向检查廊道，一旦发生海水泄漏，盐度监测仪就会被激活，然后会将警报信号传送到电厂的中心控制室。与此同时，启动排水泵将海水重新抽回到上库。图4 为上库主要工程设施。表1 为该工程的主要特性参数。表2 为橡胶板的主要特性。

图4 上库主要工程设施

表1 工程特性参数

表2 合成橡胶板主要特性

4 上库施工

在上库的挖掘过程中，清除了所有的地表已风化的土壤，而将其下部已风化的岩石用作堤坝的地基。堤坝的填料包括开挖的坝基础风化土、上库和隧洞的风化岩石。

在完成上库挖掘和堤坝填筑工程之后，便开始进行衬砌工程施工。主要工作按施工顺序依次为:

(1)安装用于锚固橡胶板的U 形预制混凝土块。

(2)摊铺和碾压沙砾过渡层。

(3)安装土工织物垫层和防渗橡胶板。

(4)用现浇混凝土填封U 形预制混凝土块。

(5)安装现浇混凝土上部的橡胶板。

对上库底面上铺设的过渡层，采用一台重7 t的震动碾来压实。为顺利完成这一工作，对震动碾进行了改造，安装了遥控装置，通过一组滑轮和履带吊车的牵引，可以使振动碾沿着斜坡上下行走。这种施工方式结合了几种机械的优点，并具有较高的安全性。

除了物料的运输和配送，所有的土工布垫层和防渗橡胶板的安装都是采用手工完成。对橡胶板之间的接头，采用了一种丁基橡胶粘合剂和丁基橡胶自硫化粘合剂进行粘合。在衬砌结构完工后，为验证止水性能，对所有接头部位均进行了肥皂水压力测试。

5 工程现状

自1999 年3 月开始试运行以来，冲绳山原抽水蓄能电站即被并入了冲绳本岛电网。在冲绳电力公司的配合下，工程已经连续运行了11 a 多的时间，包括由日本经济产业省委托进行为期5 a 的示范性实验和随后的试运行。

工程运行实践表明，它为冲绳本岛电网的负荷平衡和频率稳定起到了重要作用。针对前面所述的一些工程技术问题及采取的相应措施，在运行期间开展了对工程设施和环境的监测，主要监测结论是:

(1)上库表面衬砌中，EPDM 合成橡胶板的防渗性能和耐久性得到验证，海水渗漏监测系统的有效性达到预期效果。

(2)海洋生物的粘附对系统效率的降低程度在预计的范围内，防止海洋生物粘附措施达到预期效果。

(3)防腐涂料和阴极保护措施的有效性得到验证，在永久性设施中，大规模采用纤维增强复合塑料(FRP)达到了预期效果。

(4)能够在强台风形成的大浪下维持进水口和尾水口的稳定运行。

(5)地下水中盐分的积累在预计范围内，工程对周围地区的动植物群的影响非常小。

上述实验结果表明，海水抽水蓄能发电技术已具备建设更大规模的商业化电站的可行性和可靠性。

6 结 论

冲绳山原抽水蓄能电站位于冲绳本岛北边的国头村，该地区此前基本上为开发活动从未涉及过的自然生态区，因而被称为山原(山脉和原野)。该地区也是包括冲绳秧鸡在内的许多濒危物种的栖息地。该工程的建设之所以引起了国际上的广泛关注，不仅仅是因为它是世界上第一座利用海水抽水蓄能发电技术的电站，也是因为在工程建设过程中对保护濒危物种作了相关考虑。总之，在人与环境和谐相处的前提下，电站将继续运行。