西藏扎拉水電站工程關(guān)鍵技術(shù)綜述

胡向陽 胡中平

收稿日期：2023-11-23

作者簡介：

胡向陽，男，正高級工程師，碩士，主要從事長江流域綜合規(guī)劃研究與管理工作。E-mail：huxiangyang@cjwsjy.com.cn

引用格式：

胡向陽，胡中平.

西藏扎拉水電站工程關(guān)鍵技術(shù)綜述

［J］.水利水電快報，2024，45（6）：1-7.

摘要：

為提升西藏地區(qū)水電開發(fā)水平，以扎拉水電站為研究對象，結(jié)合該工程特點，總結(jié)了扎拉水電站工程勘察設(shè)計中遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題，并通過方案比較、試驗研究等手段提出了解決思路和具體方案。扎拉水電站采用引水式開發(fā)，工程無法避讓區(qū)域性鬧中活動斷裂，具有“高水頭、沖擊式、深豎井、多斷裂帶”等特點，同時將裝備世界最大的單機(jī)容量（500 MW）沖擊式機(jī)組，工程建設(shè)面臨較大挑戰(zhàn)。對此，扎拉水電站引水開發(fā)選擇采用“裁彎取直”方式，可較好適應(yīng)藏東南高山峽谷地區(qū)大拐彎段的河流條件。在設(shè)計引水隧洞時，采取減小過鬧中斷裂引水隧洞規(guī)模，設(shè)置排水洞，混凝土襯砌采用鉸接設(shè)計以及加強(qiáng)安全監(jiān)測等綜合措施。針對500 MW沖擊式水輪轉(zhuǎn)輪，推薦采用鍛焊加工制造方式，水斗分瓣考慮避讓根部高應(yīng)力區(qū)，轉(zhuǎn)輪輪轂外徑約4 900 mm，焊接接頭的沖擊功可達(dá)到70 J（0 ℃）左右，可基本滿足轉(zhuǎn)輪設(shè)計制造的要求。

關(guān)鍵詞：

樞紐布置； 活動斷裂； 深豎井； 沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組； 扎拉水電站

中圖法分類號：TV653

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.001

文章編號：1006-0081（2024）06-0001-07

0? 引? 言

近年來，在雙碳目標(biāo)和國家能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型要求前提下，中國西南地區(qū)極為豐富的水能資源稟賦與區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展需求相互契合，成為水電開發(fā)的重要增長點。在以往引水式水電開發(fā)過程中，針對引水隧洞穿越活斷層［1-2］、高寒高海拔地區(qū)深埋隧洞施工［3］等共性問題的處理，為西藏地區(qū)的水電開發(fā)提供了參考。但是，西藏東南地區(qū)具有地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境脆弱等特點，目前仍缺乏成熟的水電開發(fā)系統(tǒng)方案。為了更好地挖掘西藏東南地區(qū)豐富的水電潛力，還需要統(tǒng)籌處理好水電開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間的關(guān)系，以及解決好復(fù)雜地質(zhì)條件下深埋大直徑引水隧洞設(shè)計、超高水頭大容量水輪發(fā)電機(jī)組研發(fā)等重大課題［4］。

扎拉水電站是西藏首座裝機(jī)容量超過百萬千瓦的大型水電站，裝備世界首臺套500 MW沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，具有“高水頭、沖擊式、深豎井、多斷裂帶”等技術(shù)特點和難點，工程建設(shè)面臨的主要挑戰(zhàn)包括以下幾個方面：

（1） 工程區(qū)跨越多種地質(zhì)構(gòu)造，地質(zhì)條件復(fù)雜。樞紐工程位于新構(gòu)造活動較強(qiáng)烈地區(qū)，巖性構(gòu)成復(fù)雜，巖體性狀差，斷裂構(gòu)造發(fā)育；引水線路工程穿越鬧中活動斷裂帶，規(guī)模大，性狀差，給引水隧洞設(shè)計、施工帶來極大挑戰(zhàn)。

（2） 工程地處高海拔低氣溫地區(qū)，自然氣候惡劣，施工條件差。特別是兩級豎井總高度約570 m，豎井單級高度和總高度均居國內(nèi)水電工程前列。豎井地質(zhì)條件差，存在圍巖穩(wěn)定、有害氣體和地?zé)岬葐栴}，施工難度大。

（3） 500 MW沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組研發(fā)、設(shè)計與制造難度大。扎拉水電站安裝兩臺高水頭500 MW沖擊式機(jī)組，單機(jī)容量居世界首位，在高效率沖擊式水輪機(jī)水力設(shè)計、大型轉(zhuǎn)輪鍛件研制、轉(zhuǎn)輪加工工藝、泥沙磨損防護(hù)等方面研制難度極大，需業(yè)主、設(shè)計、制造廠家、科研等單位聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)。

本文在總結(jié)西藏扎拉水電站關(guān)鍵技術(shù)難題的基礎(chǔ)上，通過方案比較、試驗研究等手段提出了解決上述難題的研究思路和具體方案，可為同類工程提供參考。

1? 工程概況

扎拉水電站主要開發(fā)任務(wù)為發(fā)電。壩址位于昌

都市左貢縣碧土鄉(xiāng)扎郎村，廠址位于林芝市察隅縣察瓦龍鄉(xiāng)珠拉村，距左貢縣城約136 km，距昌都市約290 km，距河口約83 km。壩址控制流域面積8 546 km2，多年平均流量110 m3/s，多年平均徑流量34.8億m3。水庫正常蓄水位2 815 m，總庫容914萬m3。電站總裝機(jī)容量1 015 MW（主電站2×500 MW、生態(tài)電站3×5 MW），為Ⅱ等大（2）型工程。電站多年平均發(fā)電量為39.46億kW·h，總工期54個月。

樞紐主要建筑物由擋泄水建筑物、生態(tài)電站、魚道和引水發(fā)電建筑物等組成。擋水建筑物為混凝土重力壩，壩頂高程2 820 m，最大壩高70 m。壩身設(shè)1個表孔、2個泄洪沖沙底孔，采用底流消能。生態(tài)電站緊靠河床布置在右岸非溢流壩段壩后，安裝3臺5 MW混流式機(jī)組。引水發(fā)電建筑物布置于右岸，采用長引水式開發(fā)方式，主要建筑物包括進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓室、壓力管道及地面廠房。引水線路長約5.4 km，首末總高差673.15 m。引水隧洞在上平段采用兩機(jī)一洞，調(diào)壓室后采用一機(jī)一洞。電站廠房為地面式，總尺寸118 m×75 m×69.1 m（長×寬×高），安裝2臺500 MW沖擊式機(jī)組。魚道采用豎縫式，布置在大壩右岸，全長約3 031.10 m。

2? 關(guān)鍵技術(shù)問題

2.1? 開發(fā)方式及樞紐布置

扎拉水電站所在河道呈“S”形走勢；兩岸河谷切割強(qiáng)烈，呈“V”字形，屬橫斷山脈高山峽谷地貌。河道總體上從南至北并流而行，其間的地形分水嶺分別為右岸永隆里南山和左岸他念他翁山，分水嶺高程一般在4 000 m以上。該河段具有河勢回轉(zhuǎn)、峽谷深切、兩岸山體雄厚的特點，具備較好的引水式開發(fā)條件。綜合考慮河道落差、河流走勢和河谷形態(tài)，樞紐布置的總體思路是采用“裁彎取直”的引水式開發(fā)，充分利用碧土鄉(xiāng)扎郎村至轟東村之間“幾”字形河段的落差（圖1），廠房布置在“幾”字形頂部的珠拉村附近，壩址、廠址選擇的原則是在充分利用河段水能的情況下，盡量縮短引水線路，減少工程投資。

引水線路工程地質(zhì)區(qū)內(nèi)的鬧中斷裂（F1-6）展布于扎郎、鬧中、扎古村東一帶，北部在扎郎村北與斷裂帶相交，南部被河段“幾”字形河谷中發(fā)育的東西向斷裂截斷，引水線路不可避免地要穿過鬧中斷裂帶。根據(jù)引水隧洞穿越鬧中斷裂的部位和影響帶寬度擬定了南線和北線兩條線路進(jìn)行比選，如圖2所

示。綜合地形地質(zhì)條件、引水線路長度、洞室圍巖穩(wěn)定、水頭損失、施工條件、工程投資等方面進(jìn)行比較，選定穿越鬧中斷裂帶相對更短、無影響帶、線路總長更短的南線方案。該方案引水線路主洞長約3 720.6 m，其中鬧中斷裂帶線路長305 m（無影響帶）。

扎拉水電站首部樞紐面臨非對稱狹窄河谷，地質(zhì)條件復(fù)雜（左岸為卵漂石土階地、右岸為極強(qiáng)傾倒變形巖體），建筑物布置局促，泄洪消能和泥沙問題突出且兼顧生態(tài)的多重挑戰(zhàn)。在多個階段工作中，對首部樞紐進(jìn)行了多方案比較，綜合考慮地形地質(zhì)條件、建筑物型式、施工條件、運行管理、環(huán)保生態(tài)要求及工程投資，扎拉水電站最終采用在河床布置混凝土重力壩、壩身布置表孔和底孔、下游設(shè)消力池、左岸布置導(dǎo)流洞、右岸布置生態(tài)電站和魚道的樞紐布置方案（圖3）。

扎拉水電站“裁彎取直”的開發(fā)方式較好地適應(yīng)了藏東南高山峽谷地區(qū)大拐彎段的河流條件，充分利用了河道落差所蘊(yùn)藏的豐富水能。工程通過線路、壩址和廠址比選盡可能規(guī)避或降低活動斷裂、傾倒變形巖體等地質(zhì)條件不利影響。通過水工模型、泥沙模型試驗和數(shù)值分析研究，采用水庫沉沙、設(shè)置排沙底孔、汛期限制水位排沙等綜合措施，解決了水庫泥沙淤積和機(jī)組過機(jī)泥沙問題。通過采取消力池和生態(tài)電站尾水組合布置的方案，克服了泄洪消能對生態(tài)電站、邊坡等建筑物的不利影響。在生態(tài)方面采用魚道滿足河流生境溯流需求，利用生態(tài)電站和壩身設(shè)生態(tài)孔的相互調(diào)節(jié)，有效提高了生態(tài)流量泄放保證水平。該工程“充分利用水能、因地制宜布置、兼顧生態(tài)需求”的水電開發(fā)理念和工程布置思路，可為藏東南能源基地、雅魯藏布江下游等地區(qū)的水電開發(fā)提供參考。

2.2? 鬧中斷裂特性及工程措施

扎拉水電站地處青藏高原東部，構(gòu)造發(fā)育，區(qū)域性鬧中活動斷裂（F1-6）展布其中。斷裂橫穿工程區(qū)，壩址和廠址分別位于斷裂東、西兩側(cè)，引水隧洞無法避讓。鬧中斷裂帶規(guī)模大，物質(zhì)組成復(fù)雜，巖性軟弱，結(jié)構(gòu)破碎，需要重點查明斷裂活動方式、活動強(qiáng)度及物理力學(xué)性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上采取合理可靠的設(shè)計方案，以避免引水隧洞在施工和運行中面臨的諸多地質(zhì)風(fēng)險。

2.2.1? 鬧中斷裂特性及其對引水隧洞的影響

通過對水電站附近槽谷內(nèi)冰磧物等的測齡，建立了晚第四紀(jì)地層與地貌面時間標(biāo)尺。結(jié)合多級階地錯斷、山脊水系同步右旋錯斷等跡象分析，鬧中斷裂為以右旋走滑為主的全新世（Q4）活動斷裂。在工程區(qū)附近碧土鄉(xiāng)東北側(cè)埡口附近沖溝部位，調(diào)查發(fā)現(xiàn)鬧中斷裂單次地震錯斷量約為1.7 m?；?2017～2021年GNSS速度場結(jié)果、區(qū)內(nèi)GPS觀察的監(jiān)測數(shù)據(jù)、地震地質(zhì)調(diào)查獲得的活動速率，并參考4個新建GNSS連續(xù)測站的初步觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合國內(nèi)外對斷層蠕滑速率的相關(guān)研究成果，分析鬧中斷裂蠕滑速率約為0.12～0.43 mm/a，可作為引水隧洞抗斷設(shè)計參考依據(jù)［5-6］。

鬧中斷裂與引水隧洞交叉部位的走向為北北東—北東，傾角近直立，破碎帶寬度達(dá)305 m。破碎帶由碎裂片狀巖和碎裂巖組成，其中碎裂片狀巖原巖為板巖，位于斷裂破碎帶東段，寬約260 m；碎裂巖原巖為大理巖，位于斷裂破碎帶西段，寬約45 m。斷裂破碎帶完整性差，巖性軟弱，屬Ⅴ類圍巖，極不穩(wěn)定。引水隧洞存在圍巖穩(wěn)定、襯砌結(jié)構(gòu)變形甚至錯斷等問題。

2.2.2? 引水隧洞布置及結(jié)構(gòu)型式

鬧中斷裂為全新世（Q4）活動斷裂，規(guī)模大，破碎帶性狀差，對引水隧洞設(shè)計帶來極大挑戰(zhàn)。為降低引水隧洞施工和結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險，在引水隧洞布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計方面采取了以下措施：

（1） 減小引水隧洞穿越鬧中斷裂長度，引水隧洞采用折線布置，接近垂直穿過鬧中斷裂。

（2） 減小隧洞規(guī)模，引水隧洞過鬧中斷裂洞段內(nèi)徑由7.5 m調(diào)整為6.0 m。

（3） 降低引水隧洞地下水位，在鬧中斷裂帶引水隧洞上方15 m處布置排水洞和排水孔，減小隧洞施工風(fēng)險，排水洞同時兼作鬧中斷裂地質(zhì)勘探洞和監(jiān)測洞。

（4） 混凝土襯砌采取鉸接設(shè)計適應(yīng)活斷層蠕滑和黏滑變形，過鬧中斷裂段襯砌混凝土每6 m設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，縫寬4 cm，柔性材料填充，襯砌結(jié)構(gòu)縫設(shè)置兩層加厚紫銅止水。

（5） 在引水隧洞襯砌中預(yù)埋應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測設(shè)施，與進(jìn)水口閘門聯(lián)動，一旦監(jiān)測到引水隧洞襯砌有較大變形，進(jìn)水口閘門立即關(guān)閉。

通過以上措施可保證引水隧洞穿過鬧中斷裂的施工和結(jié)構(gòu)安全。

2.3? 深豎井布置及施工方案

2.3.1? 深豎井地質(zhì)條件

引水隧洞豎井位于廠房后邊坡山體內(nèi)，基巖自下而上由三疊系上統(tǒng)瓦浦組第三段（T3wp3）鈣質(zhì)板巖、第四段（T3wp4）結(jié)晶灰?guī)r、大理巖以及三疊系中統(tǒng)忙懷組第四段（T2m4）變質(zhì)流紋斑巖組成。其中鈣質(zhì)板巖為軟巖，結(jié)晶灰?guī)r、大理巖為硬巖；巖體呈單斜構(gòu)造，板理（層理）傾向北東—南東東，傾角一般為24°～50°，變化較大。山體內(nèi)發(fā)育區(qū)域性斷裂坡郎斷裂（F1-2），展布于邊坡坡頂附近，斷裂總體走向北西，斷面傾北東，傾角近直立，斷裂帶出露寬度 3～10 m，由碎裂巖組成，石英細(xì)脈充填，膠結(jié)較密實。地下水類型主要為基巖裂隙水，坡表未見地下水出露。

根據(jù)地應(yīng)力測試成果，最大水平主應(yīng)力σH=（1.3～1.4）σz，約為21.4 MPa，屬中等地應(yīng)力水平，位于隧洞豎井底部。豎井下部T3wp3鈣質(zhì)板巖屬軟巖—較軟巖，存在軟質(zhì)巖塑性變形問題。

現(xiàn)場勘探平洞在豎井下部鈣質(zhì)板巖、碳質(zhì)板巖地層內(nèi)實測氡氣（222Rn）最大濃度4 120.8 Bq/m3，存在放射性元素危害問題。

2.3.2? 豎井布置方案

引水隧洞由上平段、豎井段、下平段組成，首末總高差673.15 m?？裳须A段，引水隧洞豎井采用二級豎井方案；招標(biāo)設(shè)計階段，考慮豎井盡量布置在圍巖地質(zhì)條件相對較好的T3wp4結(jié)晶灰?guī)r、大理巖中，因此研究了一級豎井布置方案，并對二級豎井布置方案進(jìn)行了優(yōu)化：縮短中平段的長度，適當(dāng)加大下平段縱坡，減小豎井總高度。

（1） 一級豎井布置方案。引水隧洞由上平段、調(diào)壓室、豎井段、下平段組成，上平段為兩機(jī)一洞布置，豎井段、下平段為單機(jī)單洞布置（圖4）。主洞經(jīng)上平段末端的調(diào)壓室后分為兩條內(nèi)徑4.9 m的豎井，高約542.83 m；下平段內(nèi)徑為4.9～4.5 m，縱坡為10%，廠房前漸變?yōu)?.2 m，分別引水至廠內(nèi)兩臺沖擊式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。

（2） 二級豎井布置方案。兩級豎井布置方案引水隧洞由上平段、調(diào)壓室、第一級豎井段、中平段、第二級豎井段、下平段組成（圖5）。上平段按兩機(jī)一洞布置，第一級豎井段及以下按一機(jī)一洞布置。豎井段內(nèi)徑為4.9 m，下平段內(nèi)徑為4.9～4.5 m，廠房前漸變?yōu)?.2 m，分別引水至廠內(nèi)兩臺沖擊式機(jī)組發(fā)電。引水隧洞豎井段總高度達(dá)570.58 m，分兩級布置，其中一級豎井高度299.8 m，二級豎井高度270.78 m。

一級豎井布置方案中，豎井基本全部位于結(jié)晶灰?guī)r、大理巖中。二級豎井布置方案中，第二級豎井主要位于薄層狀鈣質(zhì)板巖中。一級豎井布置方案豎井圍巖條件相對較好，但一級豎井方案下平段高壓段長度增加約100 m，且為Ⅳ2類鈣質(zhì)板巖。兩個方案水力學(xué)計算水頭損失基本相同，調(diào)保計算結(jié)果區(qū)別不大。一級豎井方案單級豎井高度較大，考慮在豎井中部預(yù)留20 m長巖塞，將豎井分為上下兩段平行施工，上下兩段豎井開挖支護(hù)完成后，拆除巖塞；二級豎井布置方案可以減小兩級豎井上下施工相互干擾，施工安全風(fēng)險較小。經(jīng)地質(zhì)條件、水頭損失、調(diào)保計算和施工風(fēng)險等多方面綜合比較，工程招標(biāo)實施最終推薦二級豎井方案。

2.3.3? 深豎井施工方案

扎拉水電站工程位于西藏高原地區(qū)，氧氣稀薄，易造成人體缺氧反應(yīng)，油動機(jī)械設(shè)備效率低，通風(fēng)難度加大。深豎井地質(zhì)條件復(fù)雜，施工人員和施工機(jī)械數(shù)量多，上下平行作業(yè)，施工工藝程序復(fù)雜，對于開挖出渣、圍巖密集支護(hù)、混凝土襯砌、壓力管道鋼管安裝等復(fù)雜、連續(xù)、高強(qiáng)度的施工有一定挑戰(zhàn)。

國內(nèi)水利水電工程中，大直徑深豎井常規(guī)施工工藝采用反井鉆機(jī)自上而下開挖導(dǎo)洞，再自上而下進(jìn)行分層鉆爆擴(kuò)挖形成最終開挖斷面。隨著裝備制造技術(shù)的快速發(fā)展，超高豎井掘進(jìn)越來越多地使用機(jī)械破巖方式鉆進(jìn)，替代人工井下鉆爆破巖方式鑿井，改善作業(yè)環(huán)境，保證施工安全。部分工程豎井采用反井鉆機(jī)一次開挖成型。例如，白鶴灘水電站左岸4條尾水排風(fēng)豎井以及地下工程豎井溜渣井施工中，采用BMC600型大型反井鉆機(jī)一次成型直徑3.0～3.5 m豎井新技術(shù)［7］。在厄瓜多爾施工的美納斯水電站，壓力豎井設(shè)計開挖直徑5.5 m，高度451.88 m，通風(fēng)電纜井設(shè)計開挖直徑6.0 m，高度440.59 m，采用RD5-550全斷面反井鉆機(jī)全斷面一次開挖成型［8］。部分?jǐn)嗝尕Q井掘進(jìn)機(jī)在云南以禮河四級電站復(fù)建工程中進(jìn)行了應(yīng)用，該工程出線豎井開挖直徑10.5 m，初期支護(hù)后直徑10 m，豎井高度282.5 m，采用地質(zhì)鉆機(jī)導(dǎo)孔施工，反井鉆機(jī)進(jìn)行1.4 m溜渣井施工，5.8 m豎井掘進(jìn)機(jī)自上而下進(jìn)行開挖及初期支護(hù)，豎井掘進(jìn)機(jī)拆除后進(jìn)行10 m井筒開挖支護(hù)。

扎拉水電站豎井最大開挖直徑6.9 m，缺乏在西藏高寒高海拔地區(qū)的大直徑深豎井工程應(yīng)用實例。因此，結(jié)合豎井布置方案，經(jīng)施工工藝、施工支洞布置、施工進(jìn)度、施工風(fēng)險和工程投資等多方面綜合比選，招標(biāo)實施階段確定深豎井采用反井鉆機(jī)“先導(dǎo)后擴(kuò)”的施工工藝進(jìn)行施工。

2.4? 500 MW沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組

扎拉水電站裝設(shè)2臺500 MW沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，超過國內(nèi)外沖擊式機(jī)組應(yīng)用實例（國外單機(jī)容量最大的是瑞士畢奧德隆電站機(jī)組423.13 MW，國內(nèi)單機(jī)容量最大是四川金窩水電站機(jī)組150 MW），位居世界第一。扎拉水電站水輪機(jī)額定水頭671 m，轉(zhuǎn)輪節(jié)圓直徑約4.9 m，參數(shù)水平和要求較以往顯著提高，在設(shè)計制造和材料應(yīng)用方面存在較大困難。主要關(guān)鍵技術(shù)包括：① 高效率沖擊式水輪機(jī)的水力設(shè)計和模型試驗；② 大型馬氏體不銹鋼轉(zhuǎn)輪制造。其中，大型馬氏體不銹鋼轉(zhuǎn)輪制造是項目成敗的核心因素。

2.4.1? 水輪機(jī)水力設(shè)計和模型試驗

（1） 水力設(shè)計。水輪機(jī)水力設(shè)計采用理論分析和數(shù)值仿真相結(jié)合的方式進(jìn)行，應(yīng)用計算流體動力學(xué)CFD進(jìn)行三維黏性流動計算分析。與反擊式水輪機(jī)單相流不同，沖擊式水輪機(jī)水力開發(fā)要考慮氣液兩相流的作用，采用兩相流方法進(jìn)行CFD流動分析計算。

轉(zhuǎn)輪是能量轉(zhuǎn)換的核心部件，其水力性能關(guān)系到整個機(jī)組性能的優(yōu)劣。沖擊式轉(zhuǎn)輪設(shè)計的核心需要保證射流與水斗之間流量的合理匹配，水流的能量能夠充分轉(zhuǎn)換為水斗運動的機(jī)械能。沖擊式轉(zhuǎn)輪中的水流流動呈現(xiàn)典型的非定常兩相流運動特點，其流動分析需要采用滑移網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行兩相流非定常分析。

應(yīng)用CFD技術(shù)進(jìn)行500 MW沖擊式水輪機(jī)水力設(shè)計時，除了保證水流在水斗內(nèi)運動流暢、能量轉(zhuǎn)換充分，還應(yīng)注意水斗出流不對相鄰水斗的運動發(fā)生干涉，相鄰射流在水斗內(nèi)部不發(fā)生干涉，不出現(xiàn)漏流現(xiàn)象，并控制水斗背面腹壁效應(yīng)。500 MW沖擊式水輪機(jī)水力設(shè)計的氣液兩相分布見圖6，射流與水斗干涉情況見圖7。

（2） 模型試驗。沖擊式水輪機(jī)模型試驗主要項目包括能量試驗、飛逸轉(zhuǎn)速試驗、噴嘴流量試驗、補(bǔ)氣試驗和變尾水位試驗，其中最重要的是能量試驗，對水輪機(jī)在不同特征水頭和流量下的性能進(jìn)行測試，其結(jié)果主要通過綜合特性曲線來表征。

經(jīng)過不斷的創(chuàng)新研究和試驗，國內(nèi)兩大機(jī)組廠家在500 MW沖擊式水輪機(jī)水力設(shè)計和模型試驗中均獲得了最優(yōu)效率約93%的優(yōu)異結(jié)果，并在很寬的負(fù)荷范圍內(nèi)均有較高的效率。

2.4.2? 大型馬氏體不銹鋼轉(zhuǎn)輪制造

大型沖擊式轉(zhuǎn)輪制造主要采用整鍛、鍛焊（對焊和增材）兩種制造工藝。為保證500 MW沖擊式水輪機(jī)安全穩(wěn)定運行，對轉(zhuǎn)輪制造質(zhì)量的要求極高。從材料性能考慮，整鍛方式性能最佳，但材料利用率低（僅約30%），且鍛件尺寸受鍛造能力限制，表層和內(nèi)部性能存在差異。鍛焊方式采用轉(zhuǎn)輪輪轂、水斗分別制造再焊接成整體的方式，合理的分瓣位置既保持水斗根部的幾何完整性，也能滿足轉(zhuǎn)輪疲勞強(qiáng)度需求和制造的工藝性，但對焊接工藝要求很高。

（1） 轉(zhuǎn)輪鍛件材料制造。500 MW沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪最大外徑約6.2 m，整鍛結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪鍛件直徑約6.3 m（鍛件毛坯重約500 t），鍛焊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪輪轂鍛件直徑約4.9 m（鍛件毛坯重約300 t），材料選用馬氏體不銹鋼0Cr13Ni5Mo。國內(nèi)鍛件廠商針對04Cr13Ni5Mo鍛件的業(yè)績僅為2 m×0.6 m（直徑×高）左右，無法滿足500 MW沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪整鍛和鍛焊結(jié)構(gòu)所需鍛件的尺寸要求。因此，重點開展專項研究，對于大尺寸、大厚度的實心餅型鍛件，針對鍛造過程中鍛件的碳化物析出、變形壓實，晶相組織及其均勻性，層間力學(xué)性能控制、缺陷檢查等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研發(fā)?；阱懠S的冶煉、鍛壓、熱處理設(shè)備能力和多次鍛件材料試驗成果，經(jīng)研究分析可知，300 t級04Cr13Ni5Mo鍛件在材料冶煉、鍛造、熱處理、檢測等方面不存在制約性因素。

（2） 焊接接頭性能研究。轉(zhuǎn)輪母材的沖擊功可達(dá)到90 J（0 ℃）以上，但其焊接材料焊絲的沖擊功一般為50 J，與母材性能差距較大。提升鍛件焊接接頭性能是鍛焊結(jié)構(gòu)沖擊式轉(zhuǎn)輪制造的關(guān)鍵技術(shù)。

為提升焊接接頭的力學(xué)性能，從焊接材料、新型焊接設(shè)備和方法等方面進(jìn)行研究，結(jié)果表明，焊接線能量對焊縫熔敷金屬沖擊韌性的影響較大，選擇合適的線能量能降低焊絲含碳量和有害元素硫、磷含量，提高電弧穩(wěn)定性。焊縫的0 ℃沖擊功可達(dá)到70 J以上，焊縫接頭的疲勞性能可以達(dá)到母材的80%。

根據(jù)上述關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，500 MW沖擊式水輪轉(zhuǎn)輪推薦采用鍛焊加工制造方式，水斗分瓣考慮避讓根部高應(yīng)力區(qū)，轉(zhuǎn)輪輪轂外徑約4 900 mm，焊接接頭的沖擊功可達(dá)到70 J（0 ℃）左右，基本滿足轉(zhuǎn)輪設(shè)計制造的要求。

3? 結(jié)? 論

（1） 扎拉水電站“裁彎取直”的引水開發(fā)方式較好地適應(yīng)了藏東南高山峽谷地區(qū)大拐彎段的河流條件，充分利用了河道落差所蘊(yùn)藏的豐富水能。電站首部樞紐采用水庫沉沙、設(shè)置排沙底孔、汛期限制水位排沙等綜合措施，解決了水庫泥沙淤積和機(jī)組過機(jī)泥沙問題。通過采取消力池和生態(tài)電站尾水組合布置的創(chuàng)新方案，克服了泄洪消能對生態(tài)電站、邊坡等建筑物的不利影響。在生態(tài)方面采用魚道滿足河流生境溯流需求，利用生態(tài)電站和壩身設(shè)生態(tài)孔的相互調(diào)節(jié)，有效提高了生態(tài)流量泄放保證水平。該工程“充分利用水能、因地制宜布置、兼顧生態(tài)需求”的水電開發(fā)理念和工程布置思路，可為藏東南能源基地、雅魯藏布江下游等地區(qū)的水電開發(fā)提供參考。

（2） 扎拉水電站所在地區(qū)的鬧中斷裂為全新世（Q4）活動斷裂，規(guī)模大，破碎帶性狀差，對引水隧洞設(shè)計帶來極大挑戰(zhàn)。在基本了解鬧中斷裂活動特性和查明其工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采取減小過鬧中斷裂引水隧洞規(guī)模、設(shè)置排水洞、混凝土襯砌采用鉸接設(shè)計以及加強(qiáng)安全監(jiān)測等綜合措施，解決了這一技術(shù)難題。

（3） 結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，扎拉水電站豎井方案仍選用施工相互干擾少、安全風(fēng)險低的二級豎井方案；考慮西藏高寒高海拔地區(qū)缺乏大直徑深豎井工程應(yīng)用實例，結(jié)合豎井布置研究成果，經(jīng)施工工藝、施工支洞布置、施工進(jìn)度、施工風(fēng)險和工程投資等多方面綜合比選，工程實施階段深豎井采用反井鉆機(jī)“先導(dǎo)后擴(kuò)”的施工工藝進(jìn)行施工，研究成果可為高寒高海拔地區(qū)深豎井施工提供參考。

（4） 扎拉水電站裝設(shè)世界首臺套500 MW沖擊式機(jī)組，尚無工程實例和成熟經(jīng)驗，遠(yuǎn)超國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)水平，在機(jī)組設(shè)計制造、安裝調(diào)試、運行等各個環(huán)節(jié)存在一系列關(guān)鍵技術(shù)問題。通過組織產(chǎn)業(yè)鏈上設(shè)計、制造、科研等多家優(yōu)勢企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)研發(fā)，充分利用國家首臺（套）工程支持政策，目前已在水力設(shè)計、模型試驗、轉(zhuǎn)輪鍛件制造等關(guān)健技術(shù)上取得突破，為下一步整機(jī)制造、安裝奠定了堅實基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

［1］? 任興普，李曉彬，李衛(wèi)功.洗馬河二級賽珠水電站引水隧洞跨越活斷層設(shè)計 ［J］.中國水運（下半月），2015，15 （2）：167-168，200.

［2］? 董承山，王昊，張學(xué)東，等.巴基斯坦某水電站工程引水隧洞HFT活斷層研究 ［J］.資源環(huán)境與工程，2013，27 （4）：401-405.

［3］? 張治軍，趙峰，曾加強(qiáng)，等.高寒地區(qū)深埋長隧洞施工方案比選研究［J］.人民長江，2012，43（21）：60-62.

［4］? 潘熙和，高雄，方斌臣，等.大型沖擊式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在云南高橋水電廠的應(yīng)用［J］.水利水電快報，2022，43（12）：88-92.

［5］? 胡朝忠，趙旻，沈鵬，等.扎拉水電站鬧中斷裂活動性、活動強(qiáng)度及其對工程的影響研究［R］.北京：中國地震局地震預(yù)測研究所，2022.

［6］? 黃振偉，肖東佑.西藏扎拉水電站傾倒變形邊坡穩(wěn)定性分析與評價［J］.人民長江，2019，50（12）：90-94，156.

［7］? 彭愛華，吳世斌，唐鵬飛.白鶴灘水電站左岸尾水排風(fēng)豎井大直徑反井鉆機(jī)一次成型施工技術(shù)的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)，2015，46（增2）：35-37.

［8］? 李勇恩，才儉峰.大直徑長豎井反井鉆全斷面施工工藝研究［J］.湖南水利水電，2018（5）：1-4.

（編輯：江? 文）

Review of key technologies of Xizang Zhala Hydropower Station Project

HU Xiangyang，HU Zhongping

（CISPDR Corporation，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to improve the hydropower development level in Xizang，taking Zhala Hydropower Station as the research object，we summarized the key technical problems in the survey and design of Zhala Hydropower Station，and put forward solutions and specific schemes through scheme comparison and test research. The project adopted a water diversion development method，which cannot avoid regional active faults. It had characteristics such as high water head，deep vertical shaft and multiple fault zones，which would be equipped with the world′s largest single unit capacity，500 MW Pelton turbine generator unit，facing significant challenges to the construction of the project. In this regard，the "River Cutoff and Straightening" method was adopted for the water diversion development of Zhala Hydropower Station，which can better adapt to the river conditions in the high mountain and canyon areas of southeastern Xizang. In the design of the water diversion tunnel，comprehensive measures such as reducing the scale of the water diversion tunnel due to overcrowding，setting up drainage tunnels，using hinged concrete lining design，and strengthening safety monitoring were taken. For the 500 MW Pelton water turbine runner，it was recommended using forging welding manufacturing method. The water bucket was divided into sections to avoid high stress areas at the root. The outer diameter of the runner hub was about 4 900 mm，and the impact energy of the welded joint can reach about 70 J（0℃），which can basically meet the requirements of runner design and manufacturing.

Key words：

hub arrangement； active fault； deep shaft； Pelton turbine generator unit； Zhala Hydropower Station