電站簡介
壩址控制流域面積39.5萬平方公里，多年平均流量790立方米/秒，多年平均徑流量249億立方米，多年平均輸沙量1.49億噸，平均含沙量7.76千克/立方米。千年一遇設計洪水流量16500立方米/秒，萬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，有效庫容4.45億立方米。
地質簡介
壩址基岩為寒武系灰岩，薄層泥灰岩、頁岩、白雲岩、白雲質灰岩。岩層產狀平緩，走向NE，傾向NW，傾角2°～3°。壩基大部分岩體飽和抗壓強度為88.4MPa～176.9MPa，相對軟弱的泥灰岩、頁岩在新鮮狀況下的飽和抗壓強度平均值大於80MPa。在河床壩基部位發育有10條層間剪下帶，埋深淺、傾角平緩、抗剪強度偏低。
樞紐布置
萬家寨水電站2萬家寨水電站由攔河壩、泄水建築物、引水建築物、壩後廠房及開關站等組成。
攔河壩
萬家寨水電站攔河壩壩頂高程982米，壩頂長443米，頂寬21米，上游坡1：0.15，下游坡1：0.7。體積150萬立方米，大壩在915米高程以下河床壩段橫縫灌漿連成整體，岸坡壩段分別在948和940米高程以下連成整體，以使個別壩段由於層間剪下帶和泥化夾層相對集中時，藉助相鄰壩段的幫助，提高抗滑穩定性。
泄水建築物
泄水建築物共設有8個底孔，4箇中孔，1個表孔，5個排沙孔。底孔為壓力短管式無壓壩身泄水孔，布置在河床左側5～8號壩段，每壩段2孔，孔口尺寸4米×6米，進口底坎高程915米，用弧形門操作，主要用於調水調沙，水庫沖淤。末端用挑流消能。庫水位970米時，總泄量5271立方米/秒。
引水建築物
中孔為壓力短管式無壓壩身泄水孔，布置在河床中部9號和10號壩段，每壩段2孔，孔口尺寸4米×8米，進口底坎高程946米，用平板門操作，主要用於泄洪排沙和排漂。末端用挑流消能，總泄量2156立方米/秒。
表孔為開敞式溢流堰，布置在左側4號壩段，孔口淨寬14米，堰頂高程970米，擔負排水和泄放超標洪水作用，當庫水位980米時，泄量864立方米/秒。
壩後廠房
排沙孔為壩內壓力鋼管，布置於河床右側13～17號電站壩段，位於電站進水口下方，進口底坎高程912米。進口段尺寸為2.4米×3.0米，設有平板檢修閘門，一道事故閘門，主要用於減少進入電站的泥沙。
電站廠房進水口高程932米，鋼管直徑7.5米。主廠房長196.5米，寬27米（上部）、43.75米（下部），高56.3米。為壩後廠房。裝6台單機容量18萬千瓦水輪發電機組，額定水頭68米，最大水頭81.5米，最小水頭51.3米。開關站布置在廠壩平台之間。
開關站
引黃入晉工程渠首為2條引水隧洞，洞徑4米，洞中心線間距12米，單洞引用流量24立方米/秒。取水口布置在攔河壩左岸2號和3號非溢流壩段上。在引水時段內，水庫最高庫水位980米，最低庫水位957米。為保證能引取表層清水，採用分層取水結構物。
電站施工
施工概況
萬家寨水電站主體建築工程量：土石方開挖133萬立方米，石方填築18.5萬立方米，混凝土及鋼筋混凝土180萬立方米。
採用分期導流方式，一期先圍左岸1～11號壩段，在一期低圍堰保護下，修建6～10號壩段的5個9.5米×9米的臨時導流底孔為二期截流創造分流條件。至1995年11月底，左岸壩段具備分流條件。11月下旬開始截流戧堤預進占，戧堤進占長度35米。截流設計流量917立方米/秒，相應的堰前水位904.7米，戧堤頂高程906米，龍口最大流速7.4米/秒，最大落差5.3米。合龍過程中，河道實測最大流量51立方米/秒，龍口最大流速6.75立方米/秒，龍口最大落差3.49米。共拋投截流材料：15～18噸混凝土四面體88個，鉛絲籠1586立方米，石料2.4萬立方米，石串1600立方米。
主混凝土系統布置左壩頭1010米高程，安裝2座4×3立方米混凝土攪拌機。輔助混凝土系統布置在右岸，生產能力為105立方米/天。
移民安置
萬家寨水利樞紐工程施工區征地6583畝，其中耕地2915畝，已在1997年前完成。庫區淹沒影響涉及內蒙古自治區清水河縣、準格爾旗和山西省偏關縣3個縣（旗）10個鄉（鎮）70個自然村，庫區征地18414畝，淹沒農村人口3698人、各類房窯12.38萬m2、大型專項7個。庫區移民安置從1994年開始，1998年全部結束，已按國家有關規定辦理土地徵用手續。施工區生產安置500人，庫區生產安置5094人，實施後施工區和庫區移民對生產生活安置的滿意率均在90%以上。7個專項設施遷建處理，於1997年開工，2000年全部完成遷建，恢復了原有功能。庫底清理工作在1998年9月通過了驗收。
運行分析
萬家寨水電站3萬家寨水電站裝有6台180兆瓦水輪發電機組，電站的主要任務是發電調峰和供水，設計年發電量27.5億千瓦·時。萬家寨水庫的設計年均徑流量為192億立方米，然而由於黃河天然徑流的減少，加之上游引水的加大，水庫的實際來水遠少於設計值，據統計2000～2003年萬家寨水庫的年徑流僅分別為129.41億立方米、111.88億立方米、118.84億立方米、112.28億立方米，來水形勢非常嚴峻，如果不能更充分地利用現有來水，做好電站的經濟運行，勢必嚴重影響樞紐的還貸和實現效益。
發電耗水率指標是衡量水電站經濟運行情況的主要指標，而影響該指標的主要因素之一就是水輪機的經濟運行工況的好壞，因此要降低發電耗水率，必須最佳化水輪機的運行參數，改善其運行工況。本文從水輪機運行的兩個關鍵參數-工作水頭和效率出發，進行最佳化分析，以求通過水輪機的經濟運行來提高電站的經濟運行水平。
數據分析
水輪機主要參數
萬家寨水電站水輪機分別由天津阿爾斯通公司和上海希科公司生產。
水輪機在不同水頭下的經濟運行分析
2.1 不同水頭下的水輪機耗水率分析
萬家寨水庫庫容較小，總庫容僅8.96億立方米，調節能力非常有限，因此電站的運行水位經常有較大變化，電站最低運行水位為952.00米高程，最高運行水位為980.00米高程，最大變幅達28米，這對水輪機來說意味著工作水頭的巨大變化，從水輪機的出力公式N=9.81.Q.h.η不難分析運行水頭與出力的關係：運行水頭越高，水輪機能量特性越好，單位千瓦時的耗水就越小，以萬家寨5#水輪機為例，圖一繪出了該水輪機在75.58米、67.40米、59.28米工作水頭下的水輪機耗水率曲線，顯然水輪機工作水頭對其耗水率有著顯著的影響：在上述高中低三個水頭下水輪機發出150兆瓦出力，其耗水率分別為5.28立方米/千瓦.時、5.81 立方米/千瓦.時、6.80 立方米/千瓦.時，設發電用水1000萬立方米，則發電量分別為189.40萬千瓦.時、172.12萬千瓦.時、147.06萬千瓦.時，以5#機上網電價0。374元/千瓦。h計算，經濟效益分別為70.84萬元、64.37萬元、55.00萬元，可見相同的發電用水，因水頭的不同而產生的效益大小差別巨大，所以要降低發電耗水率必須提高水輪機的工作水頭。
萬家寨水電站42.2 提高水輪機的工作水頭的措施
（1） 應保持萬家寨水庫的高水位運行。保持萬家寨水庫的高水位運行，這是提高水輪機工作水頭的主要措施。目前萬家寨水庫的運行水位主要受水調和電調兩方面因素制約：第一、水庫的運行要滿足防洪、防凌、流域調水等要求。萬家寨水庫設計汛期為7～10月，其中主汛期（7月15日～10月15日）水庫運行水位不得超過汛限水位966。00米高程，在該高程以下範圍內水輪機的運行由於偏離額定工況（Hr=68米）較大，因而能量特性較差，表現出較高的發電耗水率。認為汛限水位不應局限於某一固定值，應該視黃河實際水情而定，這樣水庫既能發揮防洪作用，同時水電企業又能獲得可觀的經濟效益；第二、電網的運行需要。對萬家寨水電站來說，以來水量定發電量，且水庫保持較高水位運行，是較為經濟合理的運行方式，但作為晉蒙兩電網少有的調峰電源，萬家寨電站由於兩網調峰、調頻、事故備用的需要，往往實際發電運行方式要偏離計畫的經濟運行方式，因此水庫難以保持在較高的經濟水位運行，從而導致發電成本的增加，特別是如今面臨晉蒙兩網日趨緊張的供電局面，萬家寨電廠的調峰任務會更加艱巨，水調和電調的矛盾將更加突出，尋求二者的最佳化運行、實現經濟調度將是萬家寨電站非常緊迫的課題。
（2） 應減少水輪機輸水系統的水頭損失。試驗表明，萬家寨電站水頭損失較大，在水輪機導葉開度最大情況下，水頭損失在2～3米之間，並且水頭損失隨過機流量的增大而增加。降低電站水頭損失的有效途徑就是定期清掃進口攔污柵和尾水管出口淤積，同時在機組大修時檢查處理流道的沖刷受損部分。電站宜儘早開展這些工作，以減少水頭損失，提高機組發電潛力。
水輪機效率分析
3.1 萬家寨水輪機運行負荷率的現狀
萬家寨水電站各台機組的負荷情況總體較差，主要是因為：一、萬家寨水電站是內蒙古西部電網的調峰電廠和山西電網的主潮流調整廠，要保證調峰和潮流質量就必然要求機組要有著很好的負荷跟蹤能力，要隨著網上負荷的波動及時調整出力，因此機組的運行工況波動頻繁且變幅較大；二、萬家寨水輪發電機組的負荷調節有著良好的動態回響性，增減負荷迅速，因此電網一般會安排較多的旋轉備用於水輪發電機組，造成機組深度調峰，常運行在低負荷、低效率區，據統計載至2002年8月25日，機組80兆瓦以下運行小時占總運行小時的比率：1#～6#機分別為43.6%、39.0%、 28.3%、20.2%、21.6%、23.3%，顯然機組低負荷運行率偏高。
萬家寨水電站53.2 水輪機運行效率分析萬家寨水電站安裝的是混流式水輪機，該機型相對其他機型而言，其特點是最高效率較高，但效率變化較大，高效區狹窄，見萬家寨5#水輪機的效率特性曲線（圖二），可明顯看出:一、效率曲線較陡。在67.40米的工作水頭下，水輪機出力46.71兆瓦、166.68兆瓦時的效率分別為70.26%、95.17%，效率差值達24.91%。
二、高效區較窄。在67.40米的工作水頭下，水輪機在85兆瓦以上的出力範圍內運行效率基本在85%以上，其中在105兆瓦～180兆瓦的出力區，水輪機效率在90%以上，而在85兆瓦出力以下水輪機效率則急驟下降。之所以呈現上述特性，是由於混流式水輪機轉輪葉片是按進口水流無撞擊或略帶正沖角、出口水流是法向或略帶正環量設計的，葉片固定在上下環上，除最優工況外其他工況均不能同時滿足進出口水流的最佳要求。
當水輪機偏離設計工況時，葉片進口有沖角、出口有旋轉速度，使得水力損失增大，效率下降，且偏離設計工況越遠，水力損失越大，效率越低，同時由於水輪機內部流態的破壞，產生壓力脈動，導致機組的振動、擺度加劇，影響機組的穩定運行，嚴重的會造成構件的疲勞破壞，大大縮短水輪機壽命。因此水輪機應儘量在設計工況下運行，不要偏離該工況太遠，對萬家寨水輪機來說，水頭在60m以下時，機組單機負荷應不低於80MW；水頭在60～68m時，機組單機負荷不低於100MW；水頭在68m以上時，機組單機負荷不低於120MW，在上述較高的負荷區運行，水輪機能保持較高的效率，水能利用充分，能量特性較好。
工程意義
黃河北幹流地區是中國嚴重缺水地區之一，年平均降水量不足500毫米，僅晉蒙地區缺水量就達30億立方米，人畜飲水非常困難，黨中央，國務院領導對該地區水資源緊張狀況非常關心，於1992年批准修建萬家寨水利樞紐工程，解決晉蒙地區人們的工農業及生活用水問題，1994年主體工程開工，1995年實現截流，1999-2000年併網發電，每年向晉，蒙兩省（區）供水14億立方米。這對解決兩省和周邊地區水資源短缺，最佳化華北電網能源結構，都具有十分重要的戰略意義。萬家寨水利樞紐工程的竣工，標誌著水利部、山西省、內蒙古三家合作的跨世紀水利樞紐工程取得了歷史性的勝利，這項工程體現了中央和地方各級政府對水利樞紐工程建設的關懷和支持，它凝聚著沿黃河流域各族人民的奉獻精神，要認真總結這項工程所積累的經驗和作法，為做好今後的水利工程提供可借鑑的寶貴的經驗。
結束
保持電站較高的水庫運行水位和機組運行負荷率是水輪機經濟運行的主要措施， 也是水電站經濟運行工作的重點，因此電站要加強與水庫調度部門、電力調度部門的溝通與協調，做好二者的經濟調度工作，以使萬家寨水庫的水力資源最終能夠得到合理利用、高效利用。
生態影響
山西省境內最大的水力發電站――黃河萬家寨水電站由於受甘肅、寧夏以及內蒙古河套地區灌溉引水和持續乾旱少雨的影響，發電庫區來水偏枯，流量驟減，水位大幅下降，致使今年前10個月與去年同期相比發電量下降了23.24%，產值大幅下降。萬家寨水電站庫區周圍的百姓也親眼目睹了庫區水位的巨大變化：養魚的網箱擱淺了，遊船行駛的範圍縮小了，下游灌溉沒水了。
來水量的“偏枯”、發電量的銳減，讓這個集發電調峰、防洪、抗旱、養殖、旅遊等綜合功能於一體的大型水電企業有失往日風采。來自萬家寨電站管理局發電部11月23日的數據顯示，今年6、7、8三個月是上游來水量在全年最少的時期，流量平均只有200立方米/秒左右，與往年平均流量500-600立方米/秒相差甚遠。截至11月23日早上8時，萬家寨水電站庫區來水量只有139億立方米，比去年同期來水量減少37.13億立方米，電站累計發電20.48億千瓦時，比去年同期減少6.02億千瓦時，同比下降22.72%，占全年預估發電量的27.36%。
據萬家寨電站管理局發電部工作人員介紹：來水量的減少直接影響的就是發電量，而發電量減少，就為電網調峰造成了困難，在電網電力供應緊張狀態下難以完成調峰任務。萬家寨水電站肩負著對山西、內蒙古兩省區電網的供電調峰任務，今年8月份，在黃河流量持續走向低谷的時期，雖然電站採取了加大蓄能值、少棄水多發電等積極的應對措施，但終因水位太低，無法運行發電，導致了我省運城等地的嚴重拉閘限電現象。同時，來水量的枯少還對漁民養殖、潮流調節、農田灌溉、旅遊產業、河道生態環境造成了嚴重影響。
據悉，由水利部、山西省、內蒙古自治區三方出資於1994年開工建設的萬家寨水電站，自1998年11月底首台機組上網發電以來，已累計向國家繳納各種稅費17.8億元，並對緩解山西及周邊地區水資源短缺、最佳化華北電網能源結構發揮了十分重要的作用。
