高纬度地区 抽水蓄能电站怎样防冻

6月底，黑龙江省第一座大型抽水蓄能 电站——荒沟抽水蓄能电站 全面投产发电。荒沟抽水蓄能电站位于牡丹江海林市三道河子镇，是目前国内纬度最高的在运抽水蓄能电站。

荒沟抽水蓄能电站所在地属于典型的严寒地区，历史最低气温达零下45.2摄氏度，最大冻土深度1.91米，最大冰厚1.65米，室外工程年有效施工期不足6个月。荒沟抽水蓄能电站建设者采取一系列创新举措，应对严寒气候挑战，保证了电站的建设质量和安全稳定运行。

严寒地区建设抽水蓄能电站难在哪

在荒沟抽水蓄能电站开工前，我国尚无严寒地区建设大型抽水蓄能电站的先例。此前，我国抽水蓄能电站中，纬度最高的是位于内蒙古自治区的呼和浩特抽水蓄能电站，纬度第二高的是位于辽宁省丹东市的蒲石河抽水蓄能电站。荒沟抽水蓄能电站位于北纬45度附近，所处地区的冬季气候条件要比这两座电站所在地恶劣得多。

在严寒地区建设抽水蓄能电站，首先面临的问题是年有效施工期短。在年有效施工期较长的南方，建设一座抽水蓄能电站的工期一般是6～8年，而在冬季漫长的北国边陲，建设一座抽水蓄能电站通常需要更长的时间。

抽水蓄能电站最重要的水工建筑物是挡水坝。冬季，挡水坝前会形成一层厚厚的冰盖，在抽水蓄能电站运行期间，水库内的冰盖还会随着水位变动而运动。如何保障挡水坝在冬季既不受到低温影响，又不被库内形成的冰盖破坏，也是建设者面临的一道难题。

为了防止水淹厂房，抽水蓄能电站地下厂房的上游和下游都需要设置事故闸门。事故闸门应具备紧急情况下切断水流的功能。严寒地区的抽水蓄能电站还要防止事故闸门井内的水面冰冻，以免事故闸门无法下闸。

荒沟抽水蓄能电站建设采取多项防冻措施

根据《水工建筑物抗冰冻设计规范》，严寒地区结构重要、受冻严重且难以检修部位的混凝土应采用F400混凝土（混凝土应能承受冻融循环400次）。根据此规范，荒沟抽水蓄能电站的上水库面板堆石坝死水位以上部位的面板和趾板、上水库进出水口水位变动区、下水库进出水口水位变动区等多处部位均应采用F400混凝土。此前，国内水电 行业还没有应用F400混凝土的先例。为了配置出F400混凝土，建设团队多方调研国内科研院所和混凝土外加剂生产厂家，委托专业公司开展专题研究，通过添加硅粉、引气剂、高效减水剂等材料配置出F400混凝土，并应用于荒沟抽水蓄能电站建设。

此外，在严寒地区，与水接触的混凝土如果出现细微的裂缝，到了冬季，水会渗透到裂缝中。随着不断的冻融循环，混凝土会逐渐被破坏。抽水蓄能电站上水库主坝面板混凝土起到挡水防渗的作用，如果有大量裂缝产生，会严重降低大坝的安全性。荒沟抽水蓄能电站建设团队研制出一种抗裂混凝土——在拌制混凝土时添加膨胀剂和聚丙烯纤维，减少混凝土裂缝的产生，进一步提高面板混凝土的抗冻能力。

如果大坝混凝土面板上还有裂缝产生怎么办？建设团队在面板表面还设置了一道抗冻防线——将手刮聚脲作为防护涂料。手刮聚脲可以隔断混凝土与水的接触，减缓面板混凝土冻融剥蚀破坏的发展，还可阻止水中其他有害成分侵蚀混凝土，具有防水、抗老化、抗冻融等功能。

混凝土面板堆石坝的面板不是一次浇筑而成，而是分段施工的。这就导致每段面板之间有一道结构缝。常见的防渗处理方式是在结构缝上覆盖一条橡胶盖板，并用膨胀螺栓固定。严寒地区的冬季，库区会出现较厚结冰，膨胀螺栓外露部分会与冰层冻结在一起发生冰拔破坏。荒沟抽水蓄能电站创新采用可压缩涂覆型结构型式，解决了结构缝受冰拔破坏的问题。2021年12月20日，荒沟抽水蓄能电站首台机组投产发电。一个冬季的运行证明，这种结构型式可防止冰拔或冰冻胀挤压引起的面板结构缝破坏。

为了尽早完成工程建设，建设团队想方设法开展冬季施工。虽然室外几乎不存在冬季施工的可能性，但抽水蓄能电站的地下厂房、输水隧道等建筑物深埋于地下，具备施工条件。可是冬季怎么浇筑混凝土？建设团队给所有地下洞室与室外连通的洞口设置保温门，门里侧加装35千瓦热风机；混凝土拌和系统全部封闭，室内设置加热设施，在拌和前用热水冲洗混凝土拌和系统；根据冬季浇筑所需混凝土土方量，计算冬季粗、细骨料用量，在冬季来临前运至洞内保存。建设团队还在拌和前对骨料进行加热处理，给运输混凝土的搅拌车全部穿上“棉衣”，保证混凝土运输途中保持温度；混凝土浇筑初凝后，在混凝土表面覆盖保温被，必要时覆盖电热毯加热。就这样，建设团队将严寒气候对工程建设的影响降到了最小。

保障严寒地区抽水蓄能电站安全运行

抽水蓄能电站在抽水或发电时，上、下水库的水位会不断变化。在寒冷的冬季，当抽水蓄能电站每天都有运行任务时，库中央会形成一块浮动的冰盖，外围还有一圈碎冰带。冰盖不会对抽水蓄能电站运行有太大影响，但如果电力系统长时间不需要抽水蓄能电站运行，上、下水库就有冰封的可能。这时，虽然抽水蓄能电站水库里有足够多的水，但是由于不能和大气连通，水体无法流动，强制运行会给水工建筑物和机组设备设施带来安全风险。

建设团队开展了抽水蓄能电站冬季运行方式专题研究。研究表明，调度运行是保障抽水蓄能电站冬季安全运行的关键，在寒冷的冬季，每天至少有1台机组发电或抽水运行8个小时以上，就可避免水库形成完整冰盖；当电网调度无法满足上述条件时，则要采取防冰破冰措施。

目前，抽水蓄能电站水库和闸门井防冰破冰的措施主要有三种：人工破冰法、高压气体充气法、水泵冲水破冰法。

人工破冰法成本较低，但人员作业时间长，且危险性较高，易发生安全事故。高压气体充气法是在深水处利用空压机喷出的压缩空气，喷出一股强烈的上升温水流，能融化冰层且防止新冰层形成。荒沟抽水蓄能电站采用的是水泵冲水破冰法，即利用潜水泵将深层水抽上来，再通过射流管上的射流孔将水射出，形成连续不断的水流，达到防止局部水面结冰的目的。

漂浮冰块进入流道是抽水蓄能电站冬季运行的另一个风险，可能损伤水轮机等机械设备。荒沟抽水蓄能电站建设之初便开展模型试验，计算出漂浮冰块进入流道的临界流速为1.05米/秒。为了降低流速，荒沟抽水蓄能电站把进出水口断面设计得足够大，并在进出水口不同高程设置流速、温度监测断面。电站工作人员经过一个冬季的监测，未发现漂浮冰块进入流道的情况。

荒沟抽水蓄能电站工程准备期始自2016年1月，2021年12月20日首台机组投产发电，2022年6月29日最后一台机组投产发电，工程总工期6年半。与全国同类型抽水蓄能电站工程相比，荒沟抽水蓄能电站建设工期未因处于严寒地区而滞后。在经历了一个寒冷冬季的考验后，荒沟抽水蓄能电站各水工建筑物和设备设施均运行正常，特别是上水库混凝土面板堆石坝坝后渗漏量最大值仅为4.23升/秒，渗漏指标在全国同等规模土石坝中处于领先水平。机组随调随启、快速响应、运行稳定，承担了东北电网迎峰度夏、迎峰度冬和重要节日保电任务，保障了东北电网安全稳定运行。