姜忠見 ，王櫻畯

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江省杭州市 311122；2.國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心抽水蓄能工程技術(shù)研發(fā)分中心，浙江省杭州市 311122）

0 引言

由于抽水蓄能電站發(fā)電流量是排放至下水庫，所以下水庫洪水調(diào)節(jié)時必須考慮發(fā)電流量和天然洪水的共同影響。為避免發(fā)生人為洪水對下游造成不利影響，使水庫具有必要的泄洪能力，需要設(shè)置泄洪設(shè)施來平衡水庫水量。

當(dāng)兩岸山坡陡峻，而又無合適埡口利用，布置側(cè)槽式溢洪道，可避免開挖形成高邊坡。進(jìn)口沿著岸坡等高線開挖，可增加溢流前緣寬度，在堰頂高程一定時仍可保持較大流量。由于側(cè)槽內(nèi)水流流態(tài)較復(fù)雜，一般需經(jīng)水力學(xué)模型試驗(yàn)驗(yàn)證方案合理性。

天荒坪抽水蓄能電站下水庫山高坡陡，洪水具有暴漲暴落的特點(diǎn)，溢洪道選擇在地形較緩的左岸壩頭，采用側(cè)堰的布置型式。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較論證，溢洪道采用無閘門自由溢流方式，運(yùn)行管理較方便，堰頂高程與正常蓄水位持平，溢流凈寬按照自由溢流最大流量小于天然洪峰流量確定。

本文闡述了天荒坪工程下水庫溢洪道設(shè)計(jì)方案及特點(diǎn)，探討了抽水蓄能電站水庫調(diào)洪方式、溢洪道布置方案等技術(shù)發(fā)展趨勢。

1 下水庫概述

天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省北部安吉縣天荒坪鎮(zhèn)境內(nèi)，下庫位于大溪中游上段高山峽谷區(qū)，水庫全長2km左右，河道縱坡降約5%。下水庫控制流域面積24.2km2，設(shè)計(jì)最高蓄水位344.5m，最低蓄水位295m，設(shè)計(jì)洪水位347.31m，校核洪水位348.25m，要求P.M.F可能最大洪水不漫頂。下水庫有效庫容802.08萬m3，工作深度49.5m，正常運(yùn)行時水位日變幅44.80m。

大壩壩型為混凝土面板堆石壩，趾板處最大壩高87.2m，壩頂長225.11m，壩頂寬8m，壩頂高程350.20m。上游壩坡1∶1.4，下游壩坡在上壩公路與壩頂之間均為1∶1.2，最低一級上壩公路與壩體的下部壩坡為1∶1.3。

圖1 天荒坪工程下水庫大壩及溢洪道平面布置圖Fig.1 Layout plan for dam and spillway of lower reservoir under Tianhuangping project

大壩左岸設(shè)岸邊開敞式側(cè)堰溢洪道。側(cè)堰長60m，溢洪道全長450m，陡槽寬度14m，最大泄流量（PMF）1280m3/s，采用挑流消能。陡槽末端設(shè)置曲面貼角斜鼻坎。

大壩右岸利用施工導(dǎo)流隧洞改建為放空隧洞，左岸交通泄放洞改為左岸供水放空洞，最大放水流量11.01m3/s。庫尾設(shè)高21m的攔沙壩，以阻擋入庫的推移質(zhì)泥沙。

2 溢洪道設(shè)計(jì)方案

岸邊開敞式側(cè)堰溢洪道，布置于下水庫大壩混凝土面板堆石壩的左岸壩頭。溢洪道右邊墻兼有擋壩功能；溢洪道洪水標(biāo)準(zhǔn)采用100年一遇洪水設(shè)計(jì)，1000年一遇洪水校核，能宣泄PMF（可能最大洪水）。其軸線與大壩壩軸線平面交角74°，由側(cè)堰、側(cè)槽、調(diào)整段、陡槽段和挑流鼻坎等結(jié)構(gòu)組成，采用挑流方式消能?？紤]到對外交通的需要，在樁號溢0-004～0+004m、高程350.20m及溢0+098m～0+106m、高程295.00m各設(shè)交通橋一座。

2.1 結(jié)構(gòu)布置

2.1.1 側(cè)堰及側(cè)槽

側(cè)堰（溢0-100～0-040）長60m，堰頂高程344.50m（與設(shè)計(jì)最高蓄水位相同），堰面為WES曲線，曲線方程Y=0.1539X1.85，在高程334.50m以下接1：0.516直線，原點(diǎn)上游為X2/1.22+（0.7-Y）2/0.72=1的橢圓曲線。堰基上游部分采用混凝土襯砌（厚0.3m，寬1m）至高程338.50m，堰基下游部分為斜坡段，堰體貼坡在斜坡段，用錨筋與基巖錨固。

側(cè)槽（溢0-100～0-040m）為近似梯形的泄槽，長60m。槽底變寬，首端寬7m，末端寬14m，槽底采用i=0.05縱坡，首端高程334.50m，末端高程331.50m，底板采用0.6m厚鋼筋混凝土襯護(hù)并用錨筋錨固于基巖，均布基礎(chǔ)錨筋φ25，L=4m，@200×200cm。側(cè)槽右側(cè)與側(cè)堰相接，左側(cè)坡比為1∶0.5、厚0.6m的鋼筋混凝土貼坡墻，布設(shè)錨筋與邊坡基巖錨固。

2.1.2 調(diào)整段及泄槽

調(diào)整段（溢0-040～0-004m）為側(cè)槽與陡槽間的連接段，長36m，過水?dāng)嗝嬖诖擞商菪螡u變?yōu)榫匦危瑢M(jìn)入陡槽前的水流起調(diào)節(jié)作用，其前段為R=100m的圓弧與側(cè)槽末相接，后段為直線段與陡槽連接，底寬14m，底板高程331.50m，0.6m厚鋼筋混凝土襯護(hù)。

陡槽（溢0-004～0+175.91m）為矩形泄槽，槽底寬14m，槽底沿地形設(shè)置1∶1.8和1∶3.0兩個縱坡，其間用半徑R=120m圓弧銜接。泄槽底板鋼筋混凝土厚度0.8m，用錨筋錨固于基巖。

溢洪道底板基礎(chǔ)布設(shè)排水系統(tǒng)，縱向排水采用φ50cm無砂混凝土管，橫向排水采用R=25cm半圓形無砂混凝土管。在樁號溢0-020.74m上游，底板及左邊墻混凝土內(nèi)預(yù)埋排水孔。樁號溢0-020.74m下游，左邊墻水面線布置一排排水孔，右邊墻僅有少量排水孔。

溢洪道右邊墻均采用衡重式或重力式混凝土擋墻；左邊墻大部分結(jié)構(gòu)為混凝土貼坡墻。側(cè)槽～陡槽段的底板與邊墻均為分離式結(jié)構(gòu)，靠近邊墻1.0m處設(shè)置縱縫，其中調(diào)整段～陡槽段設(shè)有止水（帷幕以后）。邊墻每隔8～14m設(shè)一橫縫，縫間設(shè)有一道止水片。

溢洪道陡槽部位均采用C30混凝土，其中溢洪道0+160～0+221底板及邊墻距底板高2m范圍內(nèi)迎水面40cm厚度范圍內(nèi)，采用硅粉混凝土。

2.1.3 挑流鼻坎

挑流鼻坎（溢0+175.91～0+221.81m）為曲面貼角異型鼻坎，長約46m，邊墻與底板不設(shè)結(jié)構(gòu)縫。其右邊墻迎水面按圓弧面收縮或漸變成曲面體，左邊墻迎水面仍保持垂直面不變，順?biāo)鞣较蛞?+175.91m～0+183.00m段以1∶3.0坡比與陡槽銜接，0+183.00～0+201.31m段接以R1=25m、R2=50m的兩段圓弧，其后是挑射角θ=11.987o（坡比1∶4.71）的直線段。鼻坎末端設(shè)混凝土齒墻，嵌入基巖高程為251.50m。

溢洪道挑流鼻坎下游附近設(shè)置一深4m的靜水池，出水渠長120余米，通過預(yù)挖沖刷坑形成，渠底高程240.00m，前后分別接以1∶3.5、1∶2.0的開挖坡。

防沖措施主要是設(shè)預(yù)挖沖坑以保證有足夠的水墊深度。為防止小流量時水流直接砸在挑坎下面的基礎(chǔ)，在挑坎下游設(shè)置“靜水池”。

2.1.4 防空蝕設(shè)計(jì)

為防止溢洪道發(fā)生空蝕，設(shè)計(jì)措施如下：

（1）在樁號溢0+038.0、溢0+069.0、溢0+113.0、溢0+166.0布置4個摻氣槽。

（2）對反弧消能段采用較高標(biāo)號的混凝土以提高其抗蝕性能。

（3）提出底板及邊壁表面不平整度要求。

2.2 水力學(xué)模型試驗(yàn)及運(yùn)行情況

在初步設(shè)計(jì)階段和招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，均開展了水力學(xué)模型試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)提出的側(cè)堰、側(cè)槽、泄槽及試驗(yàn)修改后的挑坎等建筑物布置均是可行的。經(jīng)多種方案比較和測試，左側(cè)曲面貼角斜鼻坎方案較好地在下游狹窄河道中將水流沿縱向拉開、分散，達(dá)到在各種洪水頻率下盡量不沖或少沖兩岸的目的。

施工圖階段的模型試驗(yàn)結(jié)論：

（1）該方案泄流時基本上達(dá)到了“縱向拉開，錯開落點(diǎn)，導(dǎo)向防沖”的目標(biāo)，在設(shè)計(jì)情況、校核情況和小流量泄流時基本上做到不沖刷左、右岸，消能良好，沖深很淺，現(xiàn)有的預(yù)挖沖坑合適。

（2）該方案的P=5%、2%、1%、0.1%和P.M.F頻率下泄洪試驗(yàn)均無異常情況，下泄水流歸槽情況良好。

溢洪道自下庫投運(yùn)以來已泄洪數(shù)次，目前溢洪道堰體、側(cè)槽、泄槽及邊墻、挑流鼻坎及沖坑無異常，溢洪道高邊坡無掉塊現(xiàn)象。

3 溢洪道設(shè)計(jì)特點(diǎn)

下水庫溢洪道主要有以下特點(diǎn)：

（1）溢洪道布置合理，充分利用地形條件，節(jié)省工程投資。

為避免開挖形成高邊坡，充分利用地形條件，總體布置簡捷，無論開挖量還是混凝土量均達(dá)到最優(yōu)選擇。

（2）開敞式側(cè)槽溢洪道運(yùn)行管理方便，超泄洪水能力強(qiáng)，防洪更安全。

開敞式側(cè)槽溢洪道運(yùn)行管理方便，只要定期巡檢即可。溢洪道能宣泄PMF洪水，超泄洪水能力強(qiáng)，防洪更加安全可靠。目前在抽水蓄能電站中應(yīng)用越來越多。

（3）溢洪道結(jié)構(gòu)簡捷，邊墻直接擋壩，經(jīng)濟(jì)合理。

左岸溢洪道右邊墻與大壩面板堆石壩壩體銜接，利用邊墻直接擋壩。大壩壩體上游面板直接與溢洪道邊墻銜接形成周邊縫，壩體填筑料按周邊縫要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。大壩壩后坡與溢洪道泄槽右邊墻銜接，右邊墻根據(jù)地形不同采用衡重式或重力式擋墻，節(jié)省了壩體填筑方量。泄槽左邊墻靠山體側(cè)直立邊坡開挖，0.6m厚混凝土直立擋墻，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡捷，最大限度節(jié)省了混凝土工程量。

（4）新穎的挑流鼻坎結(jié)構(gòu)。

溢洪道位于左壩頭，最大泄量1280m3/s。下游消能區(qū)河谷狹窄，最窄處僅10多米寬，消能防沖有一定難度。挑流鼻坎采用曲面貼角異形鼻坎，將水流扭曲挑向河床，挑流水舌縱向拉開達(dá)100m左右，水舌不砸左右岸。

圖3 天荒坪工程下水庫溢洪道挑流鼻坎結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of spillway flip-bucket of lower reservoir in Tianhuangping project

4 抽水蓄能電站溢洪道技術(shù)發(fā)展

4.1 抽水蓄能電站調(diào)洪原則

一般來說，抽水蓄能電站調(diào)洪原則為，水庫下泄流量不超過天然入庫洪水流量；庫水位高于或等于設(shè)計(jì)洪水位時，電站停止發(fā)電；上、下水庫水位未恢復(fù)正常情況（即上、下水庫死水位以上總蓄水量超過電站調(diào)節(jié)庫容）前，利用泄洪建筑物下泄洪水，直至上、下水庫水位恢復(fù)正常情況。

目前抽水蓄能電站的調(diào)洪原則是在天荒坪工程以后建立的，雖然天荒坪下庫溢洪道泄洪已經(jīng)考慮了天然洪水與發(fā)電流量的疊加，但由于天荒坪下水庫導(dǎo)流洞改建的導(dǎo)流泄放洞沒有考慮泄洪功能，只考慮水庫放空檢修，僅設(shè)置直徑1m的放空管，后來在左岸施工交通洞內(nèi)也設(shè)置直徑1m的放水管及錐閥，但總泄洪能力非常有限，洪水不能順利排放，只能水位超過堰頂高程后、溢洪道才能有效地泄洪。

天荒坪水庫庫容設(shè)計(jì)為5h發(fā)電，1h備用。目前在十五年一遇洪水時，會導(dǎo)致出力受阻，1h的備用無法完全發(fā)揮作用。即使這樣，因?yàn)槌樗钅茈娬旧舷聝蓚€水庫只有一庫水，洪水影響發(fā)電的時間很有限。

從天荒坪工程以后，對于常規(guī)水庫容量的抽水蓄能電站，通過設(shè)置溢洪道和導(dǎo)流泄放洞來共同泄放洪水，洪水調(diào)度原則為：

（1）為不加重下游防洪負(fù)擔(dān)，最大下泄流量不超過壩址洪峰流量；

（2）當(dāng)下庫水位在死水位～溢洪道堰頂高程時，開啟導(dǎo)流泄放洞下泄前一時段洪水，抽水蓄能電站按電力系統(tǒng)要求正常發(fā)電運(yùn)行。

（3）當(dāng)下庫水位在溢洪道堰頂高程～設(shè)計(jì)洪水位時，利用溢洪道和導(dǎo)流泄放洞共同泄放洪水，電站按電力系統(tǒng)要求正常發(fā)電運(yùn)行。

4.2 溢洪道布置型式

對于抽水蓄能電站來說，泄洪建筑物布置應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)條件，具體工程具體分析，不可生搬硬套。天荒坪工程之后的溢洪道布置型式呈現(xiàn)多樣化的局面。

當(dāng)兩岸山坡陡峻，而又無合適埡口利用，可以像天荒坪工程一樣布置側(cè)槽式溢洪道，可減少開挖，避免開挖形成高邊坡。而且進(jìn)口沿著岸坡等高線開挖，可增加溢流前緣寬度，在堰頂高程一定時仍可保持較大的流量。

當(dāng)兩岸受地形限制，難以布置岸邊溢洪道時，可考慮采用大壩混凝土壩，泄洪建筑物盡可能布置在混凝土壩體上，成為溢流混凝土壩或壩身泄洪孔。江西洪屏抽水蓄能電站下水庫壩址河谷狹窄，兩岸地形陡峭，校核洪峰流量達(dá)4640m3/s。結(jié)合壩型選擇，下水庫采用碾壓混凝土壩壩身泄洪的方式宣泄洪水。

當(dāng)岸邊溢洪道的布置受到地形、地質(zhì)條件限制，而泄洪不頻繁、泄量又不大的情況下，堆石壩可考慮采用壩身溢洪道。如浙江桐柏抽水蓄能電站下水庫溢洪道，右岸泥巖地質(zhì)條件差，左岸溢洪道出水不順暢，而且溢洪道僅在20年一遇以上洪水組合時才啟用，經(jīng)論證采用壩身溢洪道。一般來說，壩身溢洪道的單寬泄量在20～30m3/s范圍。

5 結(jié)束語

天荒坪抽水蓄能電站下水庫溢洪道采用岸邊開敞式側(cè)堰結(jié)構(gòu)，避免了開挖形成的高邊坡，同時具有較強(qiáng)的泄洪能力和超泄能力；同時利用溢洪道右邊墻擋壩，節(jié)省工程投資。由于側(cè)槽內(nèi)水流流態(tài)復(fù)雜，經(jīng)多次水力學(xué)模型試驗(yàn)驗(yàn)證其方案可行性。在陡槽末端設(shè)置曲面貼角異形鼻坎，泄流時縱向拉開，錯開落點(diǎn)，經(jīng)運(yùn)行期檢驗(yàn)，消能防沖效果良好。

對于抽水蓄能電站而言，在設(shè)置溢洪道的同時設(shè)置低水位泄洪隧洞是必要的，可以保證泄洪流量不超過天然洪水流量。在進(jìn)行溢洪道布置時，應(yīng)結(jié)合地形地質(zhì)條件，以及壩型選擇，采用合理可行的設(shè)計(jì)方案。