万家寨水电站坝址河谷呈U形，谷深壁陡，岸坡高100米以上，谷宽约430米，常水位水面宽200米。河床覆盖层厚0～2米，主河床水面下基岩裸露。坝址两岸为寒武系灰岩、白云岩、泥灰岩及页岩，岩性致密坚硬，无较大断层，岩溶发育，但规模不大，互不连通。地震基本烈度6度。

坝址控制流域面积39.5万平方公里，多年平均流量790立方米/秒，多年平均径流量249亿立方米，多年平均输沙量1.49亿吨，平均含沙量7.76千克/立方米。千年一遇设计洪水流量16500立方米/秒，万年一遇校核洪水流量21200立方米/秒。正常蓄水位977米，最高蓄水位980米，有效库容4.45亿立方米。

坝址基岩为寒武系灰岩，薄层泥灰岩、页岩、白云岩、白云质灰岩。岩层产状平缓，走向NE，倾向NW，倾角2°～3°。坝基大部分岩体饱和抗压强度为88.4MPa～176.9MPa，相对软弱的泥灰岩、页岩在新鲜状况下的饱和抗压强度平均值大于80MPa。在河床坝基部位发育有10条层间剪切带，埋深浅、倾角平缓、抗剪强度偏低。

万家寨水电站由拦河坝、泄水建筑物、引水建筑物、坝后厂房及开关站等组成。

拦河坝

万家寨水电站拦河坝坝顶高程982米，坝顶长443米，顶宽21米，上游坡1：0.15，下游坡1：0.7。体积150万立方米，大坝在915米高程以下河床坝段横缝灌浆连成整体，岸坡坝段分别在948和940米高程以下连成整体，以使个别坝段由于层间剪切带和泥化夹层相对集中时，借助相邻坝段的帮助，提高抗滑稳定性。

泄水建筑物

泄水建筑物共设有8个底孔，4个中孔，1个表孔，5个排沙孔。底孔为压力短管式无压坝身泄水孔，布置在河床左侧5～8号坝段，每坝段2孔，孔口尺寸4米×6米，进口底坎高程915米，用弧形门操作，主要用于调水调沙，水库冲淤。末端用挑流消能。库水位970米时，总泄量5271立方米/秒。

引水建筑物

中孔为压力短管式无压坝身泄水孔，布置在河床中部9号和10号坝段，每坝段2孔，孔口尺寸4米×8米，进口底坎高程946米，用平板门操作，主要用于泄洪排沙和排漂。末端用挑流消能，总泄量2156立方米/秒。

表孔为开敞式溢流堰，布置在左侧4号坝段，孔口净宽14米，堰顶高程970米，担负排水和泄放超标洪水作用，当库水位980米时，泄量864立方米/秒。

坝后厂房

排沙孔为坝内压力钢管，布置于河床右侧13～17号电站坝段，位于电站进水口下方，进口底坎高程912米。进口段尺寸为2.4米×3.0米，设有平板检修闸门，一道事故闸门，主要用于减少进入电站的泥沙。

电站厂房进水口高程932米，钢管直径7.5米。主厂房长196.5米，宽27米（上部）、43.75米（下部），高56.3米。为坝后厂房。装6台单机容量18万千瓦水轮发电机组，额定水头68米，最大水头81.5米，最小水头51.3米。开关站布置在厂坝平台之间。

开关站

引黄入晋工程渠首为2条引水隧洞，洞径4米，洞中心线间距12米，单洞引用流量24立方米/秒。取水口布置在拦河坝左岸2号和3号非溢流坝段上。在引水时段内，水库最高库水位980米，最低库水位957米。为保证能引取表层清水，采用分层取水结构物。

万家寨水电站主体建筑工程量：土石方开挖133万立方米，石方填筑18.5万立方米，混凝土及钢筋混凝土180万立方米。

采用分期导流方式，一期先围左岸1～11号坝段，在一期低围堰保护下，修建6～10号坝段的5个9.5米×9米的临时导流底孔为二期截流创造分流条件。至1995年11月底，左岸坝段具备分流条件。11月下旬开始截流戗堤预进占，戗堤进占长度35米。截流设计流量917立方米/秒，相应的堰前水位904.7米，戗堤顶高程906米，龙口最大流速7.4米/秒，最大落差5.3米。合龙过程中，河道实测最大流量51立方米/秒，龙口最大流速6.75立方米/秒，龙口最大落差3.49米。共抛投截流材料：15～18吨混凝土四面体88个，铅丝笼1586立方米，石料2.4万立方米，石串1600立方米。

主混凝土系统布置左坝头1010米高程，安装2座4×3立方米混凝土搅拌机。辅助混凝土系统布置在右岸，生产能力为105立方米/天。

万家寨水利枢纽工程施工区征地6583亩，其中耕地2915亩，已在1997年前完成。库区淹没影响涉及内蒙古自治区清水河县、准格尔旗和山西省偏关县3个县（旗）10个乡（镇）70个自然村，库区征地18414亩，淹没农村人口3698人、各类房窑12.38万m2、大型专项7个。库区移民安置从1994年开始，1998年全部结束，已按国家有关规定办理土地征用手续。施工区生产安置500人，库区生产安置5094人，实施后施工区和库区移民对生产生活安置的满意率均在90%以上。7个专项设施迁建处理，于1997年开工，2000年全部完成迁建，恢复了原有功能。库底清理工作在1998年9月通过了验收。

万家寨水电站装有6台180兆瓦水轮发电机组，电站的主要任务是发电调峰和供水，设计年发电量27.5亿千瓦·时。万家寨水库的设计年均径流量为192亿立方米，然而由于黄河天然径流的减少，加之上游引水的加大，水库的实际来水远少于设计值，据统计2000～2003年万家寨水库的年径流仅分别为129.41亿立方米、111.88亿立方米、118.84亿立方米、112.28亿立方米，来水形势非常严峻，如果不能更充分地利用现有来水，做好电站的经济运行，势必严重影响枢纽的还贷和实现效益。

发电耗水率指标是衡量水电站经济运行情况的主要指标，而影响该指标的主要因素之一就是水轮机的经济运行工况的好坏，因此要降低发电耗水率，必须优化水轮机的运行参数，改善其运行工况。本文从水轮机运行的两个关键参数-工作水头和效率出发，进行优化分析，以求通过水轮机的经济运行来提高电站的经济运行水平。

水轮机主要参数

万家寨水电站水轮机分别由天津阿尔斯通公司和上海希科公司生产。

水轮机在不同水头下的经济运行分析

2.1　不同水头下的水轮机耗水率分析

万家寨水库库容较小，总库容仅8.96亿立方米，调节能力非常有限，因此电站的运行水位经常有较大变化，电站最低运行水位为952.00米高程，最高运行水位为980.00米高程，最大变幅达28米，这对水轮机来说意味着工作水头的巨大变化，从水轮机的出力公式N=9.81.Q.h.η不难分析运行水头与出力的关系：运行水头越高，水轮机能量特性越好，单位千瓦时的耗水就越小，以万家寨5#水轮机为例，图一绘出了该水轮机在75.58米、67.40米、59.28米工作水头下的水轮机耗水率曲线，显然水轮机工作水头对其耗水率有着显著的影响：在上述高中低三个水头下水轮机发出150兆瓦出力，其耗水率分别为5.28立方米/千瓦.时、5.81 立方米/千瓦.时、6.80 立方米/千瓦.时，设发电用水1000万立方米，则发电量分别为189.40万千瓦.时、172.12万千瓦.时、147.06万千瓦.时，以5#机上网电价0。374元/千瓦。h计算，经济效益分别为70.84万元、64.37万元、55.00万元，可见相同的发电用水，因水头的不同而产生的效益大小差别巨大，所以要降低发电耗水率必须提高水轮机的工作水头。

2.2　提高水轮机的工作水头的措施

（1） 应保持万家寨水库的高水位运行。保持万家寨水库的高水位运行，这是提高水轮机工作水头的主要措施。目前万家寨水库的运行水位主要受水调和电调两方面因素制约：第一、水库的运行要满足防洪、防凌、流域调水等要求。万家寨水库设计汛期为7～10月，其中主汛期（7月15日～10月15日）水库运行水位不得超过汛限水位966。00米高程，在该高程以下范围内水轮机的运行由于偏离额定工况（Hr=68米）较大，因而能量特性较差，表现出较高的发电耗水率。认为汛限水位不应局限于某一固定值，应该视黄河实际水情而定，这样水库既能发挥防洪作用，同时水电企业又能获得可观的经济效益；第二、电网的运行需要。对万家寨水电站来说，以来水量定发电量，且水库保持较高水位运行，是较为经济合理的运行方式，但作为晋蒙两电网少有的调峰电源，万家寨电站由于两网调峰、调频、事故备用的需要，往往实际发电运行方式要偏离计划的经济运行方式，因此水库难以保持在较高的经济水位运行，从而导致发电成本的增加，特别是如今面临晋蒙两网日趋紧张的供电局面，万家寨电厂的调峰任务会更加艰巨，水调和电调的矛盾将更加突出，寻求二者的优化运行、实现经济调度将是万家寨电站非常紧迫的课题。

（2） 应减少水轮机输水系统的水头损失。试验表明，万家寨电站水头损失较大，在水轮机导叶开度最大情况下，水头损失在2～3米之间，并且水头损失随过机流量的增大而增加。降低电站水头损失的有效途径就是定期清扫进口拦污栅和尾水管出口淤积，同时在机组大修时检查处理流道的冲刷受损部分。电站宜尽早开展这些工作，以减少水头损失，提高机组发电潜力。

水轮机效率分析

3.1　万家寨水轮机运行负荷率的现状

万家寨水电站各台机组的负荷情况总体较差，主要是因为：一、万家寨水电站是内蒙古西部电网的调峰电厂和山西电网的主潮流调整厂，要保证调峰和潮流质量就必然要求机组要有着很好的负荷跟踪能力，要随着网上负荷的波动及时调整出力，因此机组的运行工况波动频繁且变幅较大；二、万家寨水轮发电机组的负荷调节有着良好的动态响应性，增减负荷迅速，因此电网一般会安排较多的旋转备用于水轮发电机组，造成机组深度调峰，常运行在低负荷、低效率区，据统计载至2002年8月25日，机组80兆瓦以下运行小时占总运行小时的比率：1#～6#机分别为43.6%、39.0%、 28.3%、20.2%、21.6%、23.3%，显然机组低负荷运行率偏高。

3.2　水轮机运行效率分析万家寨水电站安装的是混流式水轮机，该机型相对其他机型而言，其特点是最高效率较高，但效率变化较大，高效区狭窄，见万家寨5#水轮机的效率特性曲线（图二），可明显看出:一、效率曲线较陡。在67.40米的工作水头下，水轮机出力46.71兆瓦、166.68兆瓦时的效率分别为70.26%、95.17%，效率差值达24.91%。

二、高效区较窄。在67.40米的工作水头下，水轮机在85兆瓦以上的出力范围内运行效率基本在85%以上，其中在105兆瓦～180兆瓦的出力区，水轮机效率在90%以上，而在85兆瓦出力以下水轮机效率则急骤下降。之所以呈现上述特性，是由于混流式水轮机转轮叶片是按进口水流无撞击或略带正冲角、出口水流是法向或略带正环量设计的，叶片固定在上下环上，除最优工况外其他工况均不能同时满足进出口水流的最佳要求。

当水轮机偏离设计工况时，叶片进口有冲角、出口有旋转速度，使得水力损失增大，效率下降，且偏离设计工况越远，水力损失越大，效率越低，同时由于水轮机内部流态的破坏，产生压力脉动，导致机组的振动、摆度加剧，影响机组的稳定运行，严重的会造成构件的疲劳破坏，大大缩短水轮机寿命。因此水轮机应尽量在设计工况下运行，不要偏离该工况太远，对万家寨水轮机来说，水头在60m以下时，机组单机负荷应不低于80MW；水头在60～68m时，机组单机负荷不低于100MW；水头在68m以上时，机组单机负荷不低于120MW，在上述较高的负荷区运行，水轮机能保持较高的效率，水能利用充分，能量特性较好。

黄河北干流地区是中国严重缺水地区之一，年平均降水量不足500毫米，仅晋蒙地区缺水量就达30亿立方米，人畜饮水非常困难，党中央，国务院领导对该地区水资源紧张状况非常关心，于1992年批准修建万家寨水利枢纽工程，解决晋蒙地区人们的工农业及生活用水问题，1994年主体工程开工，1995年实现截流，1999-2000年并网发电，每年向晋，蒙两省（区）供水14亿立方米。这对解决两省和周边地区水资源短缺，优化华北电网能源结构，都具有十分重要的战略意义。万家寨水利枢纽工程的竣工，标志着水利部、山西省、内蒙古三家合作的跨世纪水利枢纽工程取得了历史性的胜利，这项工程体现了中央和地方各级政府对水利枢纽工程建设的关怀和支持，它凝聚着沿黄河流域各族人民的奉献精神，要认真总结这项工程所积累的经验和作法，为做好今后的水利工程提供可借鉴的宝贵的经验。

保持电站较高的水库运行水位和机组运行负荷率是水轮机经济运行的主要措施， 也是水电站经济运行工作的重点，因此电站要加强与水库调度部门、电力调度部门的沟通与协调，做好二者的经济调度工作，以使万家寨水库的水力资源最终能够得到合理利用、高效利用。

山西省境内最大的水力发电站――黄河万家寨水电站由于受甘肃、宁夏以及内蒙古河套地区灌溉引水和持续干旱少雨的影响，发电库区来水偏枯，流量骤减，水位大幅下降，致使今年前10个月与去年同期相比发电量下降了23.24%，产值大幅下降。万家寨水电站库区周围的百姓也亲眼目睹了库区水位的巨大变化：养鱼的网箱搁浅了，游船行驶的范围缩小了，下游灌溉没水了。

来水量的“偏枯”、发电量的锐减，让这个集发电调峰、防洪、抗旱、养殖、旅游等综合功能于一体的大型水电企业有失往日风采。来自万家寨电站管理局发电部11月23日的数据显示，今年6、7、8三个月是上游来水量在全年最少的时期，流量平均只有200立方米/秒左右，与往年平均流量500-600立方米/秒相差甚远。截至11月23日早上8时，万家寨水电站库区来水量只有139亿立方米，比去年同期来水量减少37.13亿立方米，电站累计发电20.48亿千瓦时，比去年同期减少6.02亿千瓦时，同比下降22.72%，占全年预估发电量的27.36%。

据万家寨电站管理局发电部工作人员介绍：来水量的减少直接影响的就是发电量，而发电量减少，就为电网调峰造成了困难，在电网电力供应紧张状态下难以完成调峰任务。万家寨水电站肩负着对山西、内蒙古两省区电网的供电调峰任务，今年8月份，在黄河流量持续走向低谷的时期，虽然电站采取了加大蓄能值、少弃水多发电等积极的应对措施，但终因水位太低，无法运行发电，导致了我省运城等地的严重拉闸限电现象。同时，来水量的枯少还对渔民养殖、潮流调节、农田灌溉、旅游产业、河道生态环境造成了严重影响。

据悉，由水利部、山西省、内蒙古自治区三方出资于1994年开工建设的万家寨水电站，自1998年11月底首台机组上网发电以来，已累计向国家缴纳各种税费17.8亿元，并对缓解山西及周边地区水资源短缺、优化华北电网能源结构发挥了十分重要的作用。