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日本发电水工隧洞的建设需求

来源:日本《隧道与地下》

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发布时间:2020-01-13

【  特大??  】

  

       一般说到隧道或隧洞,很多人脑海中会浮现出公路隧道及铁路隧道。然而,根据日本国土交通省的统计年报(“铁路统计年报2016”及“公路统计年报2018”),日本的发电水工隧洞(用于水力发电站的引水隧洞和尾水隧洞)累计建设长度约4700km,公路隧道累计建设长度约4500km,铁路隧道约4000km,发电水工隧洞的累计长度超过公路隧道及铁路隧道,而且数量也非常多。另一方面,很多发电水工隧洞的建设时间比较早,建设高峰期是日本1920年~1975年,之后伴随大型引水式发电站的建设也陆续建设了一些发电水工隧洞。


        发电水工隧洞的主要建设目的有以下2点。第一、将河水引入水轮机发电机组发电,然后将发电后的水重新排入河流。第二、利用水位落差,将水的动能转化为水轮机的机械能。例如从坡度1%的直线河流引水,从取水地点开始建设长5km、坡度1‰的引水隧道时,在排水地点会产生45m的水位落差。由于河流一般呈蛇形蜿蜒延伸,如果到排水地点的河流长度为10km,则会产生95m的落差。另外,如果在取水地点建设大坝,那么大坝截流蓄水的水位高度也计入落差中。


       发电水工隧洞和公路隧道、铁路隧道不同,主要有以下2点特征。第一、与公路隧道、铁路隧道相比,断面较小。隧洞的净空断面大小取决于超大用水量,中小型水力发电站的隧洞内径为2~3m左右,大型水力发电站的隧洞内径多为5~7m。建设无压水工隧洞时,施作混凝土衬砌是为了稳定包括围岩在内的结构。建设压力引水隧洞时,混凝土衬砌还需要承受内水压力。因为水工隧洞不供人和车辆使用,即使有衬砌混凝土碎片掉落,也没关系。而且,混凝土衬砌经常被水浸润或保持湿润状态,所以混凝土的使用环境良好。


        许多有前景的水电站已经完成开发,工程建设低迷。然而,日本经济产业省第五次能源基本计划于2018年7月出台,将水力发电等可再生能源作为主要电力来源,预计水力发电站将有所增加。而且,政府制定的固定价格收购制度(FIT)规定,中小型发电站(发电量低于30000kW)可以和太阳能和风能发电一样,享受政策红利,即使建设成本略高,也容易收回投资成本。


        现在,日本电源开发公司正在考虑的发电项目多为水路式水力发电站,即在山涧的支流处设置小规模的拦水堰,通过数千米的无压引水隧洞获取水位落差。而且水工隧洞多为3m以下的小断面无压隧洞。然而,小断面施工对开挖机械有一定的限制,建设成本往往高出预期,即便能够享受FIT制度带来的政策红利,还是有许多项目不能盈利。如果能够进一步降低建设费用,水力发电站及水工隧洞的数量或许会增多。


        此外,早期建设的水力发电站比较多,虽然会定期对其进行维护管理,但是早晚需要翻新。如果小断面水工隧洞的翻新费用太高,老旧水力发电站将不得不被废弃。因此,小断面水工隧道的成本改善直接影响新发电站的建设和已建发电站的翻新。日本电源开发公司等日本企业正在积极寻求解决方案。