薩揚-舒申斯克壩

薩揚-舒申斯克水電站是蘇聯最大的水電站。建於西伯利亞的葉尼塞河上。採用單機容量為64萬千瓦的大機組，裝機總容量640萬千瓦，年發電量235億度。 薩揚-舒申斯克水電站於1968年9月動工，1987年建成，歷經20年。

基本介紹

• 中文名：薩揚-舒申斯克壩
• 類型：水電站
• 位置：西伯利亞的葉尼塞河
• 單機容量：64萬千瓦的大機組

基本簡介

這座大壩支持的發電廠是世界上第四大發電廠，在1987年開始運行。這又是一座重力拱壩，頂部長達1100多米。拱高達245米。水壩本身形成了一個同名的蓄水庫，容納三十立方米水量，表面積為六百多平方米。這以任何標準來說，都是非常大的。

它建造了十九年，其混凝土澆築量足足可以往返鋪設一條從海參崴到莫斯科的高等級公路。在剛剛過去的一年，其發電量超過全俄羅斯發電量的2%。即使處於正常的蓄水期，站在壩頂你也會隱約感覺到腳底傳來轟轟隆隆的震動聲，這種奇怪的震顫聲來兩百米下葉尼塞河對河床的撞擊聲。

為了保證水壩的安全，有超過一萬五千個探頭遍布水壩的各個角落——事實上，為了降低水流對壩體的震動壓力，工程師不得不向壩體旁側開挖一條山底拱形隧道，在長達數千米的隧道開挖完畢之後，工程師發現壓力竟然還是如此的大，他們隨即不得不又開挖了一條。

薩揚-舒申斯克壩址以上流域面積18萬km2，平均年徑流量467億m3，平均年輸沙量441.5萬t，平均含沙量0.095kg/m3。薩揚舒申斯克水庫正常蓄水位540m，相應庫容313億m3，水庫回水長度290km，面積583km2，死水位500m，調節庫容153億m3，相當於年徑流量的33%，可進行多年調節，為葉尼塞河的龍頭水庫。其下游為瑪因(MafiHCKaa)反調節水電站，正常蓄水位326m，水頭19m，裝機容量45萬kW，1986年建成。

設計特點

薩揚舒申斯克壩址區地質為堅硬的變質石英岩，抗壓強度達150MPa。混凝土重力拱壩最大壩高242m，為世界已建最高的重力拱壩。壩頂高程547m，壩軸線半徑670m，壩頂弧線長1066.1m。壩體斷面上游面垂直，下游面壩坡從上部1:0.05漸變至下部1:0.7。壩頂寬25m，最大壩底寬114m。沿壩頂自右至左分4部分：右岸非溢流壩段，溢流壩段，廠房壩段及左岸非溢流壩段。壩體混凝土量達850萬m3，是世界已建重力拱壩中最大的。

溢流壩段長189．6m，設11箇中孔，進口高程479m，溢流面出口設弧形閘門，各寬5m、高6m，最大水頭116.7m，泄洪能力13600m3/s。下設兩道壩消力塘消能。

廠房壩段長331.8m，設10個進水口，各寬7.5m、高11.5m，進口高程479m。大壩下游面設外包混凝土背管，內徑7.5m。壩後廠房長288m，寬36m。左右岸非溢流壩段，分別長246.2m和298.5m。 廠房內安裝10台64萬kW機組，水輪機轉輪直徑6.77m，額定水頭194m，額定流量360m3/s，額定轉速142.8r/min，額定容量65萬kW，最大水頭220m時最大出力73.5萬kW。發電機額定容量71.5萬kV·A，最大容量73.6萬kV·A。
薩揚-舒申斯克壩主接線採用擴大單元接線，每2台64萬kW機組與1組160萬kV·A的單相升壓變壓器相聯，每台單相變壓器的容量為53.3萬kV·A，升壓至500kV。變電站位於左岸下游lkm處，用500kV輸電線聯入西伯利亞電網。該電網內水電、火電容量約各占一半。

建設情況及提前發電措施 工程所在葉尼塞河上游，處於西伯利亞偏僻地區，交通不便。年平均氣溫1.5℃，最低達一42℃。冬季長且氣溫低，施工條件較差。
薩揚-舒申斯克壩工程於1963年起進行施工準備，修建進場道路，進行場地建設。1968年9月開始建第1期圍堰，1972年10月起澆築大壩溢流壩段混凝土。1975年建第2期圍堰，當年10月截流，1976年起澆築廠房壩段混凝土。截至1977年底共澆築混凝土202萬m3，5年內平均每年澆築混凝土僅40萬m3左右，施工進度緩慢。
為了提前發揮效益，採取低水頭先發電的措施，在壩體內另設較低的臨時進水口引水發電。1號、2號臨時進水口底坎高程設在369.5m(比設計進水口底坎高程479m低109.5m)。首批2台機組採用臨時轉輪，直徑6.05m，水頭60m時出力15.5萬kW，140m時出力40萬kW，帶動發電機降低出力運行。同時，1978年加快混凝土澆築速度，達到所設拌和樓年生產能力120萬m3，使大壩混凝土澆築量共達322萬m3，為大壩總混凝土量的38%，大壩前緣達到386m高程，蓄水至383m時，通過臨時進水口及所接臨時壓力鋼管，使2台安裝臨時轉輪的水輪發電機組於1978年和1979年提前發電。
3號臨時進水口底坎高程設在400m，4號、5號、6號臨時進水口底坎高程設在426.5m。隨著大壩澆築高程抬高而逐步引水發電。第3台至第6台機組用正常轉輪的水輪機，對結構採取了適當措施，在120m水頭(相當於設計水頭194m的62%)時開始發電。1號～6號臨時進水口以後用混凝土封堵，改用原設計進水口。1號和2號臨時轉輪也更換為正常轉輪。
薩揚-舒申斯克壩從修築圍堰工程起，至首台臨時轉輪機組發電為10年。至1985年全部10台機組投產，大壩工程於1987年竣工，完成土石方開挖量1690萬m3，混凝土澆築量960萬m3，總工期達19年。

存在隱患

薩揚—舒申斯克水庫大壩為重力拱壩，從1990年起大壩就開始在設計狀態下運用。在大壩正常運用十六年期間，不止一次地發生了大範圍的工藝技術問題，這中間最大的一次是，在大壩高程344米和359米之間的壩體第一澆注層形成了裂縫區，維修工作是消除裂縫區的滲漏。這項維修工作是在1996年完成的，部位在壩段19#、21#-46#的上游面砼中，是在上游高水位時，利用雙元環氧樹脂。

1998年~2003年期間，對河床段大壩弱岩基部位進行了灌漿，所用灌漿材料成分類似本文參考文獻中提到的灌漿材料。灌漿維修工作是對深層水泥帷幕上部防滲的補強。灌漿維修工作分幾個階段完成：1998年完成了40#-42#壩段補強灌漿工作，1999年完成了26#-29#壩段的補強灌漿。

2000年完成了30#-39#壩段的補強灌漿，2001年完成15#-25#壩段的補強灌漿，2002年和2003年完成了43#-48#壩段的補強灌漿。每一階段的灌漿維修工作都分成兩步：第一步在上游低水位時進行，第二步在上游水位接近最高水位時進行。2006年在水庫蓄水階段，對右岸344米高程和413米高程之間的水泥帷幕透水段，開始進行維修工作。

維修結果

對大壩上游面砼和大壩河床段壩基，利用非傳統的工藝和材料，適時的進行了維修工作，取得了預期的結果：消除了大壩高程344米和359米之間、359米和386米之間的上游面裂縫區的強滲流，滲流量保持在5升/秒（1996年）和8.5升/秒（2004年），在維修工作之前，與此相對應的滲流量為458升/秒和55升/秒。

河床段大壩壩基的滲透流量從549升/秒（1996年）下降到50升/秒。維修期的個別年份和維修以後的時期，水庫的蓄水狀態是大的來水，並長時間保持水庫高水位，接近水庫正常擋水位。2001年和2004年水庫最高蓄水速度達1.9米/晝夜。在水庫快速蓄水條件下，會使靜水荷載快速增加，大壩下游面砼的溫度來不及增加，較低溫的下游面輻向位移大於有較高溫度上游面的位移，因為由靜水荷載引起的指向下游一側的位移小於指向上游的位移。在有大的來水年和外界溫度不高的年份，水庫的蓄水狀態、水庫的調節，要考慮大壩目前的溫度狀況，不允許超過規定的安全K1和規定的上游水位高程。

2003年和2004年發生了長時間作用在大壩上最大靜水荷載，總共81個晝夜。當長時間保持上游高水位和外界氣溫穩定下降（九月、十月）的條件下，大壩水平截面的平面位移和轉角指向下游。2003年保持上游高水位期間，在大壩上游面344米到386米高程範圍內的砼中，受拉變形量增大了，使在通過高程359米和386米之間的砼滲透流量增加到了1.9升/秒。

降低大壩壩體和壩基不透水性的維修工作，對建築物的靜力工作會產生大的影響。大壩上游面防滲維修工作不可避免的後果是，大壩水平截面非可逆性轉角和輻向位移的增加。在完成向裂縫灌注環氧樹脂後，要防止當水庫泄水時，大壩恢復原來的（維修前）的狀況。這種狀況的原因是，在維修之後的時期，大壩的轉角和位移出現不可逆反應。處置砼中細小裂縫，會增加大壩關鍵壩段（33#壩段）頂部輻向位移的不可逆性，輻向不可逆位移約11毫米。從1990年到2005年大壩關鍵壩段頂部不可逆位移累計達59.1毫米。在正常運用期最大輻向位移等於142.6毫米，是2006年在關鍵壩段頂部觀測到的。

在大壩的最大負荷區—上部拱帶和下面楔體，壓應力的增加是下游不可逆位移增加的結果。從1997到2003年，上游面拱帶的最大應力出現在高程504米，正是在這個高程，當水庫蓄水從死水位（高程500米）升到正常高水位（高程539米）時，觀測到了最大值，增加了0.4-1.4兆帕。在下游面的砼中，在上面指出的時期最大應力從10.4兆帕增加到11.1兆帕（第45壩段，高程312米）。在這種情況下最大應力沒有超過砼受壓計算強度。

在維修過程中，大壩裂縫區和基岩受壓的正面結果，毫無疑問的是大壩—壩基系統的剛度增大了。大壩—壩體系統剛度的增加，使大壩水平截面輻向位移和轉角的季節變幅降低了20-25%。2005年，當上游水位從高程500米上升到539米時，第33壩段頂部下游面的位移為72.9毫米（1991年）。在高程359米大壩幅向變位的季節變幅，相對1991年減小了1.8-3.8毫米。

在對大壩河床段壩基進行維修期間發現，在上游面先前已完成維修工作區，應力—應變狀態逐漸在變化（高程344米-359米）。從近似估計，從1997年到2003年作用在水平面積上的法向壓應力減少了0.4-1.6兆帕。

第一批有傾斜特徵密集的細小裂縫是在2000年和2001年發現的，當時冰冷壩體的靜水荷載在增大。2001年水庫蓄水時，距上游面12米以遠處的懸臂向變形，與1997年相比減小了。近幾年在上游面已維修段砼中的變形變化，類似2000年和2001年的變化。在這些區域沒有發現滲透流量有明顯增加。

在上游面已維修好的地段，高程344米和359米之間，其最大滲透流量，在相當長時間內保持不變，滲透流量保持在2.2升/秒。在垂直排水孔中和在觀測井中都沒有發現滲透水流，水平排水流入其中。
通過大壩上游擋水面總的最大滲流量不大於23升/秒。在大壩河床段壩基中有最大的受拉剩餘變形，變形在壩基10米的接觸層中，距上游面19米處，最大剩餘變形0.16-2.1毫米。維修以後，在下游面隨大壩不可逆位移的增加，每年都可以觀測到沿基岩30米深，受拉剩餘變形在增加。距接觸表面10米深處，密實程度最差的地基中，在2005年蓄水開始時，受壓剩餘變形的增長達0.78毫米。

沿大壩擋水前緣的基岩，其特徵是變形性質的不均一性：在水庫蓄水時觀測到，大壩水電站壩段有最不密實的基岩。2005年水電站壩段下基岩受拉變形增值達1.56-5.51毫米，這時相應的上游水位從死水位變化到正常高水位。而在大壩溢流段，不密實基岩的受拉變形增值達1.57-3.54毫米。通過大壩河床段壩基總的滲透流量等於54升/秒，而通過大壩水電站段地基的滲透流量為39升/秒，或者占總滲流量的74%。水庫蓄水過程中，壩基受拉變形增值區的邊界，順大壩底部達74米，而寬度為105米。根據滲透觀測資料，在已維修地段的局部地方有滲流增加趨勢，這就指明了在接觸區滲透性的降低。在這些位置水泥帷幕繼續保持足夠有效的防滲，水泥帷幕削減滲透水頭從75%到99%。
從1999年起大壩兩岸連線段基岩繼續保持剩餘變形的增加趨勢。在這個連線段基岩下部（低於353米高程）受拉變形在增大，而中部和上部受壓變形在增加。在水庫蓄水時，兩岸連線段的水泥帷幕落在了拉應力作用區。右邊坡地受拉範圍低於高程458米，左岸低於高程436米。不密實壩基的水泥帷幕，提高了該壩基的不透水性，結果使下游一側的局部抗力提高了，高於正常值（高程363米-370米），2005年左岸滲透流量增加到26升/秒，右岸增加到32.3升/秒。滲流的主要途徑是集中在右岸連線段的344米和313米高程之間，左岸連線段高程310米和413米之間，這是由鑽井結果得到的。

2006年6月上游水位在514米-519米時完成了右岸連線段滲流最嚴重區的第一期維修工作，維修採用了環氧樹脂化合物。結果滲透流量下降了70%。10月完成了第二期維修工作。第一階段是採用環氧樹脂化合物消除高水頭的滲流，而在完成階段採用了水泥漿。

相應結論

1．完成了大壩上游面砼完整性和大壩深層水泥防滲帷幕性質維修工作的結果，提高了大壩—壩基系統的剛度，大壩不可逆變位加大，以及與此有關的是，在上游面已完成維修的砼中，在水平面積上減少了受壓。

2．大壩不可逆輻向變位部分，這在正常運用之初就已發現，這可能與砼繼續徐變有關。

3．從2000年起，在大壩上游面砼已維修區（高程344米-359米）發現，原先密集的細小裂縫開裂了。向下游面方面裂縫開裂深15米。通過上游面已維修段的滲流量，在多年中保持不變，保持在2.2升/秒。

4．維修以後，在河床水泥帷幕局部地段上發現，滲流量增大，指向下游一側的抗力在加大。

5．水庫建築物多年運用經驗表明，為了使建築物有良好的變力—應變狀態，以及不能超過規定的安全標準，必須調節水庫的蓄水狀況，並考慮建築物的溫度環境。

6．在完成大壩維修之後，考慮到大壩應力—應變狀態的變化，建議重新考慮正在運用的安全標準。

引發事故

事故背景：從2009年01月至05月，#2機組按計畫進行了維修和現代化改造，為其調速系統安裝了一套新電動液壓調節裝置。#2機是電站里所有機組中最先進也是唯一安裝此系統的機組。2009年07月02日，俄羅斯水電公司宣布電站創造全程滿出力運行的最高日平均發電記錄。事故發前一天，西伯利亞水電公司下屬一個名為“魯薩爾”的電站發生火災，致使原本屬於該電站擔負的發電工作轉到了薩揚－舒申斯克水電站。2009年08月17日事故發生前，10台機組中的9台在運行，總出力為4400兆瓦，#6水輪機接受定期維護，處於備用狀態。事故發生時，水庫處於較高的水位 。

事故過程：（根據俄羅斯水電公司08月24日發布的訊息 ） 事故發生在2009年08月17日當地時間08時13分（格林尼治時間00時13分，莫斯科時間04時13分）；先在#2機組附近發出一聲巨響，隨後#2水輪機上蓋及轉子射出；水柱從水輪機處的空腔噴入主廠房，淹沒主廠房發電機層及下面各層；電站中控室發出聲光警報，電站出力下降到零，造成局部停電（包括廠用電源）；09時20分水輪機進水口工作門在壩頂被手動關閉，截斷了沖入廠房的水流；11時32分壩頂門機內移動式應急柴油發電機組啟用 ；11時40分，大壩溢洪道閘門被打開。

事故後果：人員損失——75人死亡；電站損壞——10台機組收到不同程度破壞，廠房被摧毀；供電損失——在薩揚和哈卡斯鋁冶煉廠的熔爐完全與電網電源切斷，事故造成該地區25%的電力缺口；環境破壞——40噸變壓器油溢出，400噸養殖鮭魚死亡；經濟損失——直接經濟損失130億美元，修復至少需要400億盧布、5年時間。由於事發時#6機沒有運行，只受到輕微的水淹損害，是唯一沒有受到電氣損壞的機組。

事故原因：俄官方初步意見：2009年09月17日 (俄通社)- 俄羅斯聯邦生態、技術和原子能監督局認為：事故的直接起因是對#2機組的操作失誤，安全系統出現故障，自動設備因設定位置不利在遭到水流衝擊後出現故障，並且輸水通道的緊急關閉裝置沒有備用電源。

調查報告：10月03日發布的官方調查報告：事故直接原因是過負荷運轉導致#2水輪機劇烈振動，隨後其頂蓋固定螺栓發生疲勞破壞。調查表明，事故發生時，#2機組被調節至不被推薦的II區工作，很快水輪機罩的固定螺栓破壞，機組轉動設備在2MPa水壓作用下被頂出。事故後僅6顆螺栓仍起固定作用，其餘49顆螺栓中，41顆發現了疲勞裂縫，8顆螺栓的破壞面積超過總面積的90%。俄方調查發現，薩彥水電站#2機組在事故發生前幾個小時曾6次超極限運轉。