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充氣式橡膠壩在小型水電工程中在應用方式

發布日期:2019-03-06 瀏覽數:756 次

         充氣式橡膠壩的概念由法國工程師提出。20 世紀50 年代中期,美國工程師在洛杉磯設計並安裝了第一座充氣式橡膠壩。20 世紀60 年代,美國完成了一係列大型橡膠壩工程,並將技術授權給日本住友電氣(Sumitomo Electric)公司,該技術得以在世界範圍內廣泛應用。在接下來30 a 時間內,日本成為世界上最大的橡膠壩製造商。目前全球共有約6 000 座橡膠壩,其中日本約占2 /3,橡膠壩的應用範圍涵蓋了灌溉、供水、蓄水、防洪、棲息地恢複及發電等領域。橡膠壩是由橡膠塗層織物組成的永久性結構,這種織物通過壓板和地腳螺栓固定在鋼筋混凝土基座上。橡膠體通過充氣(水)膨脹達到設計高度和壓力,通過排氣(水)使橡膠體坍落。通常橡膠壩設計為全自動化控製,但也可設計為人工手動操作,由於具有土建工程量較小、易安裝、低投資、操作簡單等優點,通常被用於各類泄洪建築物的改造項目中。在水電行業,橡膠壩通常被用作徑流式水力發電項目的引水堰,與自動閘板係統作用相同,可為電站增加額外的發電水頭,或用作衝沙等其他方麵。

 

1 橡膠壩的類型

          橡膠壩可以分為充氣式和充水式兩類。充氣式橡膠壩橫斷麵較小,需要的橡膠體也較小,因此最具成本效益。充氣式橡膠壩重量較輕,能夠更好地應對寒冷氣候,在寒冷地區不受冰凍氣溫的影響。充氣式橡膠壩的另一優點是調節( 充、放氣) 速度快,在相同尺寸下,通常比充水式橡膠壩的調節速度快很多。其缺點之一是在高水頭漫壩( 水頭超過壩體高度的20%時)時,可能會出現不穩定現象,導致壩袋振動,壩袋排氣坍落時,會出現水流集中,導致V 型切口現象。相反,由於充水式橡膠壩壩袋內部水體的重量使其更為穩固,因此充水式橡膠壩能夠經受較高的漫壩水頭(最高可達壩體高度的50%)。在某些特定情況下,可通過逐步排水,使壩袋坍落,以此控製上遊水位。
          由於充水式橡膠壩的底板較寬,因此可能不太適合安裝在現有的結構上,尤其是反弧形泄洪道,但就調節性能和其他特點而言,充水式橡膠壩具有一定優勢。

 

2 充氣式橡膠壩的應用

          橡膠壩具有較高的成本效益,可以替代水工鋼閘門,是世界各地小型徑流式水電站前池的較好選擇。
          在美國和加拿大,橡膠壩也經常被用來升級或替代木質閘板係統。該壩可以通過排氣坍落使大流量水流通過泄洪道,當水流恢複正常時,充氣膨脹擋水,為電站增加發電水頭。因此,與傳統的閘板係統相比,橡膠壩可以在較長時間內優化電力生產和發電收入。
         橡膠壩具有靈活調節能力,電站運行人員較好地執行環保部門頻繁變化的下泄流量指令。與舊的木質閘板係統相比,全自動充氣式橡膠壩大大提高了大壩運行人員的安全性。按下按鈕,壩頂高程就可以提高1 ~ 2 m,而在以前,大壩運行人員不得不手動豎起閘板,工作環境較危險。橡膠壩同樣適合於前池蓄水,可以為電力生產商提供簡單高效的方式增加前池容量,調節電力生產,滿足電力需求的變化。

 

3 充氣式橡膠壩的關鍵優勢

         正如前文所述,橡膠壩的主要特點是易於安裝、維護要求低、應對惡劣天氣能力強。充氣式橡膠壩係統結構簡單,土建工程量較小,成為眾多水力發電項目業主及開發商樂於接受的方案,許多新建水力發電項目選擇橡膠壩方案,在現有建築物的升級改造中,橡膠壩方案同樣占比較大。充氣式橡膠壩用於升級改造現有建築物時,首先需要改造泄洪道以適應橡膠壩壩袋排氣坍落,需要製定適合橡膠壩錨固係統及管路係統的規程。液壓鋼閘門跨度有限,且需要仔細平衡、準確操作,橡膠壩可以在其總長度範圍內均勻承受水壓力荷載。因此,橡膠壩的跨度可以很大( 最長的單體橡膠壩跨度為190 m),而且可在工廠製作成曲線形狀,便於安裝在現有的泄洪道上。考慮到安裝、運行及運輸等條件,橡膠壩的跨度以50 m 左右為宜。大跨度橡膠壩重量較重,需要更大的起重機械來吊裝。這些因素不得不考慮,主要因其與運輸、安裝成本直接相關。就調節上遊水位而言,選擇多個短跨度橡膠壩方案還有額外的優勢。充氣式橡膠壩可以較好地適應寒冷氣候,加拿大和美國東北部地區有許多充氣式橡膠壩,有記錄表明,這些地方的橡膠壩已經抵禦了100 a 一遇的洪水而未受到任何損壞。不管是充氣式還是充水式,橡膠壩的密閉性能優異(滲漏量最小)、操作環境幹淨、幾乎免維護,可以減少投資及運行成本。此外,區別於液壓鋼閘門,橡膠壩不需要使用潤滑油,不存在向河裏排放有害物質的風險,因此業主也沒有被重罰的風險。由於橡膠材料抗腐蝕性較好,橡膠壩不僅可以建在淡水環境中,也可建在鹹水環境中。在潮汐位置,可以將橡膠壩橫斷麵設計成對稱形狀(半圓形)以承受來自上、下遊的水荷載。橡膠壩的錨固組件通常采用球墨鑄鐵製成,並進行熱鍍鋅,在鹹水環境中則使用不鏽鋼材料。錨件的設計壽命通常為50 a,甚至更長。此外,橡膠壩外觀低調,尤其是少量水流漫壩,壩體浸入水流中時,壩體與周圍環境融為一體。因此,城市河道中建設了許多橡膠壩用於休閑娛樂、水力發電及城市改造等。

 

4 橡膠壩的設計局限性及影響因素

       世界上最高的橡膠壩位於荷蘭,壩袋完全充氣膨脹時,壩體高度可達8. 35 m,該橡膠壩被用作擋潮閘,2001 年建成。擋潮閘由3 跨組成,每跨長度為80m,這種設計是獨一無二的。通常,橡膠壩的壩高最高僅約6. 5 m,且尺寸受限於材料性能(主要是抗拉強度)、生產設備的尺寸、容量(高壓釜、平板硫化機等)以及大型橡膠布的處理、運輸、安裝能力。在一些典型工程案例中,橡膠布重達幾噸,需要大型設備起吊並安裝至混凝土基座上,設計階段就需要考慮上述因素,因此有時就會選擇多跨而非單跨方案。同樣,橡膠壩壩體的圓周長也會對運輸方式產生影響,如果橡膠布可以裝入標準尺寸容器中,將能大大減少運輸成本。大麵積橡膠布需要利用特殊支架進行生產製造,也增加了成本。此外,在設計階段也需要充分考慮橡膠片的裝卸及展開等因素。

 

5 加拿大近期建設的橡膠壩項目

         最近,戴爾歐福(Dyrhoff) 公司為加拿大提供了7 座橡膠壩材料,其中4 座由阿爾岡金(Algonquin)電力公司安裝在魁北克省唐納科(Donnacona) 水力發電廠中,而位於該省米斯塔西尼(Mistassini) 河上的德拉勒姆( de la leme) 陡槽橡膠壩工程已於2017 年年初完成。與此同時,安大略省附近葉羅福爾斯(Yellow Falls) 水電項目的兩座橡膠壩安裝工程也已在2017 年完工。

5.1 魁北克唐納科納項目

         該項目位於雅克·卡地亞( Jacques Cartier) 河上,與魁北克省唐納科納鎮及蓋桑特(Cap Sante) 相距不遠。唐納科納橡膠壩在原址取代了舊的木質閘板壩,該木質閘板壩始建於1918 年,2014 年5 月遭到嚴重損壞後改建為橡膠壩。由於原壩址水流控製設施中,橡膠壩是最具成本效益的替代方案,經過慎重考慮,該壩的業主阿爾岡金電力公司與其顧問WSP 決定,在該壩原址安裝充氣式橡膠壩。新唐納科納橡膠壩由4 跨組成,每跨高1。95 m,單個跨度為23 m。新建的充氣式橡膠壩位於水力發電廠附近,可以提升唐納科納壩的水位管理能力。當上遊水位處於正常水位時,橡膠壩將完全充氣運行,一旦前池水位達到預先設定上遊水位,壩袋就開始排氣坍落,以下泄洪水,避免上遊淹沒。另外,還可通過按順序排氣坍落一跨或多跨橡膠壩體,以下泄暴雨帶來的大量徑流,解除洪水威脅,直到上遊水庫水位下降到安全水位。為應對上遊過高的水位,該壩可供頻繁操作,平均每跨橡膠壩的年排氣坍落次數為5 ~ 10 次。該充氣式橡膠壩的設計坍壩時間小於45min。土建承包商波默洛(Pomerleau)完成土建施工後,在戴爾歐福公司的指導下,20 d內就完成了橡膠壩的安裝工作。2016 年11 月開始進行初始調試,2017 年年初正式投運,之後不久裝機容量為4. 8 MW的徑流式水電站恢複電力生產。

5.2 米斯塔西尼河項目

         米斯塔西尼河項目由萊克聖簡(Lac St - Jean)能源公司委托其合作夥伴米斯塔西尼河水電公司負責開發。該項目已經啟動了裝機容量為18.3 MW的小型水力發電廠的運行,可以滿足3 000 個家庭的用電需求。新建的充氣式橡膠高2. 7 m,跨度為30m,采用雙線錨固係統,以增加壩體穩定性。在管理米斯塔西尼河最小流量需求時,該橡膠壩可以為泄洪道及水電站調節上遊水位。當需要控製上遊水位,壩袋通常完全充氣膨脹,當需要加大下泄流量時,壩袋會排氣坍落,下泄洪水。在該項目中選擇橡膠壩方案的技術原因之一就是其運行水位可以根據米斯塔西尼河來水量的變化進行調節。整個橡膠壩的安裝工程用時12 d,2017 年年初已完工。

5.3 安大略省葉羅福爾斯項目

         加拿大安大略省葉羅福爾斯水電項目位於米斯塔西尼河上,斯穆斯羅克福爾斯(Smooth Rock Falls)以南的地區。該水電站依靠這兩座橡膠壩控製水流,其中一座橡膠壩高4. 2 m,跨度為45 m,另一座橡膠壩高4. 2 m,跨度為25 m,在戴爾歐福公司的監督下以及合作夥伴的主導下,承包商尼爾遜(Neilson)2017年第四季度完成了這兩座橡膠壩的施工。

 

6 結語

         通過加拿大這些橡膠壩實例,大多數業主更加熱衷於選擇橡膠壩方案,因為他們深知橡膠壩工程的優點。在這些改造項目或新建項目中,戴爾歐福
公司深信業主們將繼續選擇橡膠壩方案,因為與鋼閘門方案相比,橡膠壩方案的成本更低,操作及維護更簡單。