瑞士坦博山谷的水电开发

［瑞士］P.艾兴贝格尔 等

2008年，位于瑞士格劳宾登州的一家小企业——施普吕根(Splugen)公司与瑞士阿尔匹克生态能源(Alpiq EcoPower)控股集团公司，决定联合开发瑞士东南部坦博山谷地区的水电资源，这一地区的水电资源蕴藏量相当丰富，但在此以前从未被开发利用，属于水电资源开发的处女地。这两家公司组建了合资公司，由合资公司负责筹集资金、开展工程建设，并在工程完工后负责该电站的运营。位于圣加尔的恩特格拉水力发电股份公司(Entegra Wasserkraft AG)负责该电站的施工。

对坦博山谷地区的小水电开发，采用高水头径流式的开发方案。该工程具有以下主要特点:

(1)在高程1 890 m处，将坦博山谷的水流由侧面进水口直接引水至前池，而进水口前未设置蓄水池。

(2)在位于坦博山脚处，亦即后莱茵河(Hinterrhein)河谷的电站厂房内，安装有一台4叶冲击式水轮机。该水轮机通过球墨铸铁压力管道与山上的压力前池相接，该压力管道长1 780余米，直径为0.6、0.5 m。

(3)机组工作的净水头为400 m，功率输出为1.8 MW，年均发电量为7.2 GW·h，其发电量能满足1 750户瑞士家庭的用电需求。

1 开发战略

该项工程的业主方阿尔匹克生态能源控股集团公司，根据该电站规模小、环保要求高的特点，从工程一开始就制定了有针对性的实施策略。比如，在环保方面，为了避免引水发电可能会使坦博山谷地区的阶梯式水景观受到影响，以及保护山谷地区的脆弱环境，公司将水电开发范围限制在了山谷的峡谷区河段。基于该限制性开发方案，使原山谷地区的视觉景观仍然得以保留，且游客的视觉中不会出现水电站建筑物，河流的水流量也不会因水电开发而减少。

在2009～2010年的审批阶段，上述开发方案受到了包括环保组织在内的公众的一致认同。

2 进水口和进水闸

设计出适宜陡峭峡谷上游条件的引水方案，成为设计中的难点。在初设中，考虑到在洪水季节推移质泥沙量较大，拟布置底部进水口或蒂罗尔(Tyrolean)堰。但是，底部进水口的水头损失较大，压力管道不能稳固地安置在稳定边坡上。最后，设计人员在一个高为3.3 m的堰底槛上设置了侧面进水口，这就使水位升高，从而使其与峡谷中的引水系统相匹配。

当洪水从宽为15 m的溢流堰下泄时，容易造成河床冲刷。因此，为了减少河床冲刷，在设计中，采用了阶梯式溢洪道。这样，当水流流经该溢洪道时，就会产生较为强烈的紊动，从而达到消能和减小冲刷的目的。这是瑞士境内第2例采用该种溢洪道的工程。

与进水口闸门紧挨着的是砾石拦截装置。该装置包括一个直径为400 mm的涡管，在涡管上有一个纵向狭缝，用以在过流时筛除最大直径达60 mm的砾石。

泥沙拦截建筑物由长达21 m的单池构成，可以将最小直径达0.2 mm的泥沙颗粒沉积在池内，其中的冲沙新技术，由拉帕斯维尔(Rapperswil)应用技术学院的HSR公司研发。与砾石拦截装置类似，冲沙装置是运用涡流排沙系统，该系统可以在排除水中泥沙的同时，无需降低拦沙建筑物的水位，也无需使机组停机。

由于新技术在上述排沙建筑物和砾石拦截建筑物中的成功应用，即使是在洪水期和融雪期泥沙浓度较大时，水电站机组仍能稳定运行。除了该设计方案以外，初步设计时，预计还有一个由2座平行布置的冲沙池构成的拦沙建筑物方案。2座冲沙池可分别使用，但由于没有足够的布置空间以及考虑到成本问题，致使该设计方案并未被采纳。

3 压力管道

为了减少冬季受冰冻的影响和管道的布置有可能对景观的破坏，压力管道全程采取埋管方式。针对埋管的长度、沿途易滑坡地区、岩石开挖等因素，在埋管选线时做了充分的优化。在施工中，因坡度太陡，管道和混凝土锚块不得不使用直升机进行吊装运输。

压力管道的上部沿一段已有的山中道路布置。采取的稳定加固措施包括使用长为6 m的微型桩，将该桩穿过覆盖层钻进至基岩。由于上述浅层锚固措施对整个山体的加固作用有限，同时也难以阻止长期的蠕动变形，因此，在设计时，采取了岩土监测措施，以监测坡体工程的大变形，这又进一步地保证了管道的沿途安全。桩承台之间采用混凝土连接，形成尺寸为6.5 m的方格，使整体加固效果更佳。当监测的变形值超过预警值时，位于前池的压力管道报警系统就会启动，从而放空管道内的水。这可避免管道内的水沿管道破损处渗漏出来而引起更为严重的山体滑坡。

4 电站厂房和机电设备

电站厂房位于后莱茵河的河岸旁，由于该区域存在洪水淹没风险，且同时又属于湿地保护区，因此，对厂房的布置开展了多方案比较，最终确定将厂房布置在离河岸较远的地方。每到冬季，该地即成为一个滑雪场的滑雪道，因此如此布置可使厂房建筑物与当地环境融为一体。

出于景观方面的考虑，厂房高度被限制在4 m，显然厂房内的吊车无法在如此低的高度内运行。为此，通过在厂房顶部开设一个天窗，并使用移动式的吊车完成了冲击式水轮机组的安装，将来机组的维修、起吊、清洁都将采用这种方法。

竖井和4叶的冲击式水轮机与1 950 kVA同步发电机直接相连，该发电机比工作转速为1 000 rpm，工作电压为690 V。发电机采用水冷方式，散热器布置在尾水渠的位置。由于采用了水冷方式代替风冷方式，厂房的热负荷得以减小，只需在厂房墙上开设较小的通风口就可以满足厂房的通风要求。该设计能使厂房噪音大幅地减小，即使是在满负荷运行时，厂房外的噪音仍不会超过45 dBA。

由于该电站处于输电网支线的末端，当电站处于独立运行工况时，必须有额外的设备来保护机组，这种情况一般出现在电网和小水电站间的支线出现断开的情形。当电网与电站通过支线重新连接时，此时的相位角、电压，甚至频率都将不再一致，而这将会对机电设备造成致命性的破坏。

5 经济效益

该水电站的总投资为960万美元，由于电站的使用寿命只有40 a，因此即使水权的使用期为60 a，但还是只能按40 a的折现来算。电站工作人员均从施普吕根当地招聘，其中有20%的岗位为兼职，他们的职责是负责电站日常运行和设备保养。这种方式不仅可以降低企业运营成本，而且还可以增加瑞士阿尔卑斯山区的就业机会。

目前，该电站受益于上网电价体系的优惠制度，即该体系制度对欧洲电价和坦博电站前期核定的发电成本之间的差价进行补贴。这种制度使投资者可以获得稳定的回报，也激励他们更多地投资小水电的开发，由此提高新能源在瑞士能源结构中的比重。目前，瑞士能源结构中，60%为水电，40%为核电。

6 前景规划

对坦博电站的合作双方——当地的施普吕根公司与阿尔匹克生态能源控股集团公司而言，坦博水电站工程的开发无疑是成功的，在电站投运发电后的短短几个月时间内，这两家公司就决定将继续开展合作。在该地区周边，还有两个类似规模和投资的电站项目有待开发，目前这两个项目已经进入前期设计阶段。如果工程申请得到批复，将进入设备招投标和具体施工阶段。可以预想，这两个项目将和坦博电站一样顺利推进，并将于2015年投入运行。