瑞士增加蒙特萨尔文斯大坝的最小环境流量

[瑞士] F.布拉西 等

环境与生态

瑞士增加蒙特萨尔文斯大坝的最小环境流量

[瑞士] F.布拉西 等

高52m的蒙特萨尔文斯大坝是欧洲最古老的拱坝之一。 为满足瑞士一项最新水域保护联邦法案对生态保护的要求，应该将大坝坝趾处的环境流量从130 L/s增加到500 L/s。论述了几种可能的解决方案以及最终所采用方案的实施情况；同时，也对蒙特萨尔文斯大坝的建设背景、运行现状，以及实施升级改造的方案研制和比选过程等情况作了介绍。

拱坝；泄洪；方案选择；蒙特萨尔文斯大坝；瑞士

蒙特萨尔文斯(Montsalvens)拱坝位于瑞士弗里堡州(fribourg canton )布罗克(Broc )村，修建于1919～1921年间。目前，大坝为上市公司E集团所有并对其实施运行管理。

大坝以前的装机设计不允许增加下泄流量。因此，经过对各种可能性进行分析后，决定采取以下方案：在坝体内安装一个钢管与大坝迎水面的进水口相连，在背水面坝脚处布设一座小发电站。

接着，是选择最合适的水轮机型号(混流式水轮机或带固定或可变速调节的斜流式水轮机)。由于上游水位的变化幅度大，并且基于经济因素考虑，决定选择带有固定转速和可移动转轮叶片的斜流式水轮机，装机容量220 kW。尽管大坝上游水位经常波动，但是，带移动转轮叶片的斜流式水轮机目前运行状态良好。

该小型水电站从2014年1月开始运行。

1 蒙特萨尔文斯大坝概述

在1997年到1998年间，对大坝进行过修缮，包括：加固大坝左墩、安装安全闸门(fusegate)系统、加大下泄能力以及优化监测系统。

根据2006年的水深测量结果，当水库水位在高程800.8 m时，其总库容是920万m3，最初的库容是1 260万m3。

水库水源来自若涅(Jogne)河 (主流)、若夫罗 (Javro)河和蒙特隆(Motelon)河。水库入流量的年内分布在该地区比较典型，如图1所示。由于融雪，5月份的流量最大，10月到次年2月的流量相对较小。在2000年到2010年的10 a间，2006年5月29日实测的最大流量是261 m3/s。

在这种入流量状况下，水位在高程785.0 m到800.0 m区间时，水库通常(99%以上时间)都能正常运行。水库运行的最低和最高水位分别是高程775.0 m和800.8 m。实测(起始于2003年)的水库最低运行水位是780.74 m。

2 法律支撑

1991年1月1日，瑞士开始实施水域保护的联邦法案。 该方案的实施，旨在改善国内河流湖泊的生态状况，避免地表水及地下水受到污染。

基于一种新的计算方法，法案要求各洲(区域政府)必需确保河流的最小流量。这样就导致可供水量的减少，进而导致其水力发电量每年减少了4%或1.4 TW·h。

瑞士政府试图增加可持续的能源，因而建立了一个时间跨度到2050年的新战略规划，并于2011年获得通过。另外，自2009年开始，政府还成立了一个公募基金，以资助小型的气候友好型发电系统，比如风能发电、小型水力发电、生态能发电、光伏发电以及地热发电等。

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处设计一个小的旁通系统。但是，通过实际的水力计算，结果表明，这样并不能将泄流流量提高到130 L/s。因此，必须采取新的措施，将最小流量提高到500 L/s，以满足当地政府的要求。

3.2 进水口与压力管道

由于现有大坝在低高程处没有孔口或阀门，因此,若要增加生态流量，就需要在大坝内部修建一条水流通道。 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过这类设施。因此，决定采用该方案。

工程需确保在任何时候的最小流量均应达到500 L/s，甚至在关闭新的发电站，以及在水库运行水位达到最小高程775.0 m的条件下都是如此。这就意味着新的进水口高程必须低于775.0 m。

在冬季入流量较小的情况下(见图1)，为了提高发电量，有可能会将蒙特萨尔文斯水库的水位降低到高程775.0 m以下。而在该高程以下，底部出口必须能够运行，以排出多余的水量。

由于排水时可能会冲刷出大量的泥沙，管理机构禁止在工程施工期将水库水位完全地消落，因此，必须寻找一个可行的方案，以使在大坝上游面修建新的进水口时，水库水位能够维持在775.0 m以上运行。经研究，提出了以下几种可能的方案。

(1) 在大坝略低于最低水位(高程774.0 m到775.0 m之间)处，安装一个管道，以确保任何时候均能维持生态流量。由于在施工期水位只能降低到高程775.0 m，因此，需考虑一个防渗套管以保护施工工地。

该套管必须在水下固定并与一个小型泵装置连接，以排出渗出的水量。

(2) 与方案(1)类似，只是修建一个防渗套管，但应考虑安装一个钟形帽。认为该方案具有可行性，这就意味着不用降低水位即能完成钻孔工作。

但这个方案在施工期的整体风险较高，主要是因为大坝上游坝面的不规则性以及坝块间会有渗水的可能性。如果出现故障可能会产生致命的后果，因为管道高程以上的整个水体可能会通过排水洞排干，而无法采取任何措施进行阻止。

(3) 安装一个虹吸管。这个方案可允许在坝体内最低水位高程以上的位置安装管道，同时又不会影响在最低水位处对水的开发利用。坝体迎水面部分的虹吸管必须由潜水员在水下安装。

对上述3个方案在技术、环境、经济以及安全运行方面进行了比较分析。

最后的分析结果表明，虹吸管安装方案被认为是最佳的方案。该工程是将一个厚为4～5 mm墙焊接的无缝钢管(直径为600 mm)，锚定在大坝上游迎水坝面。 基于安全考虑，为大坝下游坝面处的管道设计了一个阀门。

在进水口处安装了一个拦污栅，以防止鱼类进入系统。进水口与压力管道顶端为直接集成式，采用的材料也一样。

该方案还有一个特点，即进水口处的拦污栅能拆卸，并可在此处安装一个钢盘。这样，在施工期压力管道就能被关闭。

3.3 电厂设备

修建该工程必须考虑满足以下2个主要需求。

(1) 不管水库水位如何，环境流量必须达到500 L/s；

(2) 在微型水轮机失效时，环境流量必须能维持大坝下游的水流量。

要满足这些要求，必需选择最合适的水轮机类型和发电站的相关设备。

3.3.1 现场水力特征

微型水轮机必须能在500 L/s与水库水位高程为785.0 m时的相应最小流量之间运行。这样，从理论上讲，发电机组能在99%以上时间内利用水能发电。 在高程785.0 m以下水轮机不会运行，而且通过旁通阀排水，以保证最小500 L/s的环境流量。

根据排水渠的水力计算结果，下游水位应当维持在高程755.5 m。

3.3.2 机组类型

根据现场水力特性，在选择机组类型时，混流式(净水头在20～300 m间)或斜流式(净水头在20～100 m间)水轮机都可以作为备选机型。2种水轮机方案比较见表1。

标准的混流式水轮机应为一次调节。在水头和流量弱相关时，其效率最大，而且其机械设计也是相对成熟的技术，通常在中型到大型的机器中采用。但是对于小型机器设备，其螺旋套管(特别是转轮)的生产难度比较大，通常是水平轴向布置。然而对于蒙特萨尔文斯工程而言，由于空间有限，必须进行垂向布置。

最终选定的发电设备具有以下特征。

水轮机类型 小型斜流式

正常/最大流量 0.5/0.57 m3/s

最大净水头(0.5/0.57 m3/s以下) 44.3/44 m水冷却(WC)

最小净水头(0.5 m3/s以下) 28.5 m水冷却

正常速度 1 510 r/min

飞逸转速 3 720 r/min

飞逸直径 375 mm

水轮机最大功率 (0.5/0.57 m3/s以下) 188/220 kW

发电机最大功率 (0.5/0.57 m3/s以下) 181/211 kW

发电机最大视在功率 (cosφ=0.88) 239 kVA

发电机压力-频率 400-50VAC-Hz

斜流式水轮机可以一次调节或二次调节。在相当大的流量范围内，其效率通常较高，特别是二次调节时。然而其机械设计(特别是转轮设计)相当复杂，主要用于小型设施，可以水平轴向、倾斜轴向或立轴式布置。

不过这些是从前的斜流转桨式水轮机，现在它们已不常见，通常是将其作为水泵水轮机。最著名的水轮机，当然是安装在美国尼亚加拉大瀑布电站的那些水轮机。

从设计角度来看，斜流式水轮机就像一个有倾斜叶片的轴向机器，而从水力角度来看，其更像是混流式水轮机。由于为定向的叶片，因而斜流式水轮机在较大范围的水头与流量关系中具有较高的效率。这种水轮机在水头高于30 m时，不会发生气蚀且能满足功能要求，而轴流式和转桨式水轮机则需要安装在下游时才能满足同样功能的要求。

在瑞士电力公司的资助下，微型水力实验室-Mhylab最近研发出了斜流式微型水轮机，它可以利用坝脚处的流量进行发电。这种利用坝脚流量发电的情况，流量通常必须全年保持恒定。另一方面，水头是不断变化的，并且水头取决于主发电厂的运行规则以及水文季节性循环。而后者的变化可能会较剧烈，在这种情况下，斜流式水轮机比混流式水轮机更有效。

对以下3种方案的投资费用与发电量开展了比较分析。

(1) 方案1。立轴混流式水轮机，为可调节的导叶装置和可变转速。

(2) 方案2。立轴斜流式水轮机，为固定导叶、可调节转轮叶片以及为固定的转速。

(3) 方案3。立轴斜流式水轮机，为固定导叶、可调节转轮叶片以及可变的转速。

方案比较结果首先表明了方案3不适合。因为该方案的年均发电量少于方案2，而投资却更大。年均发电量较小的原因是，通过提高水轮机效率而增加的发电量，并不能补偿由于频率转换器的有效性而导致减小的发电量。

接着，对方案1和方案2进行了优缺点对比分析。但这种简单的对比分析并不能识别出最佳方案。大坝业主决定选择方案 2，即选用可以调节转轮叶片和固定转速的斜流式水轮机。

3.3.3 机组和设备特征

可能只有在水库水位达到最高时，才能实现最大流量0.57 m3/s。而在水库最低水位为高程785.0 m时，就可达到正常流量。

如前所述，河流必须是从不断流。这就是为什么必须安装一个旁通系统，来确保在发电机组不运行或维护期间的下泄流量。

发电站包括以下设备。

(1) (发电站进水口前)一个带有旁通管道分支的进水口管道；

(2) 带有一个手动的维护阀门、一个自动阀门、一个可调节隔膜式阀门(用来效验旁通流量)的旁通管道系统；

(3) 一个旧有水轮机的改良蝶阀；

(4) 一台竖轴的斜流式水轮机，带有定向转轮叶片和相关设备；

(5) 设置有液压系统的下游自动水平阀；

(6) 一套立轴式200 kW异步发电机，IP23；

(7) 控制设备。

水轮发电机通过总长180 m的0.4 kV电缆与电网相连接，并将其所发的电送到位于左岸大坝顶部高程上的低压-中压转换器。发电机组嵌入到加固的混凝土结构中，而且其布置通道为采用当地材料构建，且外观一致。

4 工程实施

4.1 工程实施状况

该工程由当地承包商在2002年8～12月间进行施工。水轮机于2013年安装，2014年开始运行。根据施工期的安排，需要确保进水口和压力管道上游部分的安装施工在9月份完成，因为在这期间，水库水位降低所造成的经济影响会最小，而且洪水发生的概率也较小。

施工期间没有发生较大的问题，新增加的工程各部分均按照设计方案的要求严格执行。

4.2 进水口和压力管道

由于大坝上游坝面的进水口和压力管道必须位于最低水位以下，因此，必须由专业的从事水下施工的人员进行安装。基于安全考虑，在工作场所附近布置了一个平台以供施工人员进行安装，并在施工现场配备有船只，以便在紧急情况下进行快速转移。

在施工过程中，需用直径1 m的镗床从下游坝面挖出一个钻孔，以使压力管道通过坝体，然后安装管道并将其固定。管道与钻孔之间用自压缩混凝土填充。

在大坝下游面，压力管道完全嵌入混凝土块中，以防止大坝顶部物体滚落造成损坏。

4.3 发电厂房设备及布置

由于无法到达坝脚，因此,在大坝顶部安装了一个维护装置，以将小型部件运送到施工场地。较大的部件比如阀门、水轮机、发电机及其相关设备、以及电控柜等，用直升机通过顶部开口运送到电站厂房中。

4.4 生态及安全

在施工期，对生态环境给予了特别关注。在工程开工之前，在底部出口设置了2个控制开关，用来对大坝附近积聚的泥沙进行有效冲刷控制。

因此，在施工期如果紧急打开底部出口，则大坝下游的泥沙浓度会减小。在利用这些出口时，为减小泥沙浓度，还需额外补充一些从水库抽出的清水进行冲刷，并对泥沙浓度进行持续监测。冲刷完成后，对坝下游的河床情况进行分析并写出分析报告。

由于在施工期采取了严格的生态控制措施，因此，在整个施工期内没有产生环境方面的问题。

与这类工程常见的安全和保障问题不同，在该工程进行钻孔施工作业时还存在着洪水风险问题。为了降低风险,采取了以下2个预防措施。

(1) 将上游水位降到钻孔位置以下1 m处，这样可以给洪水调蓄腾出额外容量。

(2) 在钻孔上游进水口处准备一个带有防渗装置的钢盘，以便能在1 h内完成安装作业。

在工程施工期内发生过一次洪水，但由于提前采取了安全措施，避免了给下游可能造成的损失。

5 结 语

蒙特萨尔文斯大坝的环境流量从130 L/s增加到500 L/s，致使其每年的有效发电量损失了大约3 GW·h。得益于瑞士气候友好型能源发展基金的资助，修建了坝脚微型水电站。该水电站利用环境流量，可实现年均发电量1.4 GW·h，这样，大约可弥补50%的发电量损失。

尽管该方案在实施的过程中也遇到了一些挑战，但在现有大坝上钻孔并没有造成麻烦。事实证明，该方案可用于现有的一些无法增加环境流量的大坝以及一些类似工程的升级改造中。

该方案的美中不足是，需要设计能在水头变化剧烈(出流量通常是固定的)时运行的低成本的水轮机。

(毛红梅 赵秋云 编译)

2015-01-23

1006-0081(2015)05-0007-04

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