謝大軍

(中國電力工程顧問集團西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

我國西南的云、貴、川地區(qū)大多數(shù)電廠貯灰場都是山谷型干式貯灰場，其特點是流域面積大、山洪量大、高差大，其中貴州發(fā)耳電廠大荒地灰場和習(xí)水二郎電廠小溪溝灰場就是典型的代表，本文通過大荒地灰場設(shè)計實例，分析和總結(jié)了山谷干式貯灰場排洪系統(tǒng)設(shè)計方法，為今后超大洪量的山谷型干式貯灰場排洪系統(tǒng)設(shè)計提供思路和方法，以提高設(shè)計技術(shù)水平，提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計工期，達到事半功倍的效果。

1 發(fā)耳電廠大荒地灰場排洪系統(tǒng)設(shè)計

1.1 大荒地灰場概況

發(fā)耳電廠位于貴州省六盤水市水城縣發(fā)耳鄉(xiāng)，貯灰場為大荒地灰場，電廠4×600 MW機組按設(shè)計煤種計算的年灰渣和石膏量約為215萬t?；以褪嗑捎闷囘\輸至灰場碾壓貯放?；以逊挪捎米韵露系亩鸦曳绞?，灰場規(guī)劃最終堆灰高程1 165 m，總庫容約為3 800萬m3。

1.2 灰場自然條件

大荒地灰場位于發(fā)耳鄉(xiāng)灣河南岸，距電廠直線距離約1.5 km。地貌為構(gòu)造剝蝕中低山斜坡構(gòu)成的山間斜坡谷地，谷地底部為巖腳寨小河。沿巖腳寨小河河谷兩側(cè)及斜坡地帶為第四系殘坡積層，下伏基巖為龍?zhí)督M砂、泥巖夾煤線及峨眉山玄武巖。場地區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定，成庫條件較好，適宜建庫。

灰場地表水系較發(fā)育，主要由三條沖溝匯入溝谷，經(jīng)溝口排入灣河，灰場流域面積16.142 km2, 山洪成果見表1所列。

表1 大荒地灰場設(shè)計山洪成果表

1.3 灰場排洪系統(tǒng)設(shè)計方案

大荒地灰場山洪量大、高差大。作為超大洪量的山谷干式貯灰場，設(shè)計考慮的是要保證干灰場的基本運行條件，正常情況下，灰場內(nèi)基本是無水狀態(tài)，即使有雨，也可通過庫內(nèi)灰渣吸水，以及自然蒸發(fā)，保持場內(nèi)處于相對的干式運行環(huán)境。而在洪(雨)季節(jié)，庫內(nèi)也不能有大量洪(雨)水進入，應(yīng)使場內(nèi)保持處于相對的干式運行環(huán)境，否則，大量洪(雨)水進入灰場，將改變灰場運行環(huán)境，對灰渣堆放和灰渣子壩的加高造成影響，并有可能造成洪水翻越灰渣壩體，垮壩，產(chǎn)生泥石流的嚴(yán)重事故。因此，設(shè)計方案首先應(yīng)考慮如何攔截和排泄洪水，以改善灰場運行條件，確保灰場安全運行。按照DL/T 5339—2018《火力發(fā)電廠水工設(shè)計規(guī)范》等規(guī)范，灰場排洪設(shè)計方案設(shè)想：因灰場庫尾匯水面積大，且?guī)煳瞾砗榱空既覉龅?6%以上，為攔截洪水，擬在灰場尾部修建攔洪壩，使灰場尾部來水不進入灰場內(nèi)，而通過排洪臥管－消力池直接出灰場外。同時，在灰場最終堆灰標(biāo)高以上，設(shè)置場外截洪溝；另外，鑒于灰場本身范圍內(nèi)匯水量也較大，場內(nèi)再設(shè)置另外一套排洪系統(tǒng)，以組成灰場的立體式攔排洪系統(tǒng)，保證灰場的干式運行環(huán)境。

1.3.1 灰場排洪系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

按照DL/T 5339—2018《火力發(fā)電廠水工設(shè)計規(guī)范》[1]的要求，干灰場的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如表2所列。根據(jù)灰場規(guī)劃布置圖、灰場庫容曲線初步擬定灰場攔洪壩壩高，排洪臥管管徑，然后通過調(diào)洪演算來驗證擬定的排洪系統(tǒng)布置、排水形式、攔洪壩壩高及排洪臥管管徑的安全性和經(jīng)濟性，如不合理則調(diào)整擬定的形式及尺寸，再進行調(diào)洪演算，直至達到滿足要求。

表2 山谷灰場灰壩設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

按照上述標(biāo)準(zhǔn)，大荒地排洪系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)確定為：按洪水重現(xiàn)期100 a設(shè)計，洪水重現(xiàn)期500 a校核。根據(jù)規(guī)范，場外截洪溝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為：按洪水重現(xiàn)期10 a設(shè)計。

1.3.2 攔洪壩壩高與排洪臥管直徑優(yōu)化研究

大荒地灰場庫尾攔洪壩后的匯水面積占整個灰場匯水面積的86%以上，因此，場外排洪系統(tǒng)(攔洪壩－排洪臥管－消力池)的設(shè)計是關(guān)鍵，為降低工程初期投資，需要對攔洪壩壩高和排洪臥管管徑進行優(yōu)化設(shè)計。為了優(yōu)化壩高與臥管管徑，需進行調(diào)洪計算，以排洪臥管管徑為參照，計算不同排洪臥管直徑相應(yīng)的水庫最高洪水位和相應(yīng)的攔洪壩壩高。

1.3.2.1 調(diào)洪計算原理及方法

排洪臥管水流流態(tài)呈現(xiàn)三種類型，即明流、半壓力流、壓力流，流態(tài)不同排洪臥管泄洪流量的計算則不同。

1)排洪臥管泄流流量Q計算公式

明流狀態(tài)：即H/D＜1.2，按寬頂堰算：

式中：H為堰上水頭，m；D為臥管管徑，m；g為重力加速度；m為流量系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)；b為臥管進口寬度，m。

半壓力流狀態(tài)：即當(dāng) 1.5≥H/D≥1.2，按明滿流水流計算：

式中：a為折減系數(shù)，取0.73；μ為流量系數(shù)，取0.59；W為臥管面積，m2。

壓力流狀態(tài)：即當(dāng)H/D＞1.5，按壓力流計算：

式中：Z為庫水位與臥管出口高程差，m；h=D/2，m。

2) 調(diào)洪計算水量平衡方程計算：

式中：QF為時段初的洪水流量，m3/s；QFP為時段末的洪水流量，m3/s；Q為臥管時段初的泄洪流量，m3/s；QP為臥管時段末的泄洪流量，m3/s；VR為時段初水庫蓄水量，m3；VRP為時段末水庫蓄水量，m3；Δt為時間間隔，s。

上述水量平衡方程式中僅時段末的臥管泄流量QP和水庫蓄水量VRP為未知量，然而這兩個未知量都是時段末水庫水位ZRP的函數(shù)，采用迭代方法可同時計算出未知量ZRP、QP和VRP。

1.3.2.2 調(diào)洪計算成果

根據(jù)以上調(diào)洪計算公式計算可知，當(dāng)采用明流方式泄洪時，至少需要2根D=6.0 m的排洪臥管，顯然極不經(jīng)濟，應(yīng)采用有壓流泄洪方式；經(jīng)試算，當(dāng)采用有壓流泄洪方式時，壩高與臥管管徑的匹配關(guān)系如下：

方案A：攔洪壩壩高H=12 m，匹配排洪臥管(1根)管徑D=5.0 m。

方案B：攔洪壩壩高H=20 m，匹配排洪臥管(1根)管徑D=4.5 m。

方案C：攔洪壩壩高H=30 m，匹配排洪臥管(1根)管徑D=4.0 m。

方案D：攔洪壩壩高H=35 m，匹配排洪臥管(1根)管徑D=3.5 m。

1.3.2.3 攔洪壩壩高與排洪臥管直徑優(yōu)化結(jié)果

場外排洪系統(tǒng)經(jīng)調(diào)洪演算和技術(shù)經(jīng)濟比較后，其優(yōu)化計算結(jié)果見表3所列。

表3 大荒地灰場場外排洪系統(tǒng)設(shè)計方案技術(shù)經(jīng)濟表

綜合以上計算結(jié)果，方案B最為有利。優(yōu)化后，攔洪壩壩頂標(biāo)高初步確定為1 120 m，最大壩高約20 m，壩長約55 m，攔洪壩采用塊石混凝土重力壩；排洪臥管采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土圓管，管徑D=4.5 m。

1.3.3 灰場排洪系統(tǒng)水工模型試驗研究

大荒地灰場屬于典型的山區(qū)河流溝谷，洪峰流量和洪水總量都巨大(當(dāng)洪水重現(xiàn)期為100 a一 遇 時，Q=244 m3/s，W= 84.7×104m3)。高差大(H=80 m)，洪水的排泄對灰場影響很大，為保證發(fā)耳電廠貯灰場排洪設(shè)施安全運行，必須了解清楚排洪臥管的水力流態(tài)、內(nèi)壓、沖刷、消能情況，優(yōu)化管徑和攔洪壩壩高，以便準(zhǔn)確地進行設(shè)計，因此，進行貯灰場排洪系統(tǒng)水工模型試驗研究是十分必要的。

灰場排洪系統(tǒng)水工模型試驗需要解決的具體關(guān)鍵技術(shù)問題和內(nèi)容如下：

1)優(yōu)化并確認攔洪壩壩高和排洪臥管的關(guān)系；

2)研究并提供在不同洪水水位時排洪臥管內(nèi)的水力流態(tài)、內(nèi)水壓、泄流能力、沖刷、空蝕等情況，提出工程處理措施；

3)提出排洪臥管進口段保證泄洪平順的工程措施；

4)研究并提出場內(nèi)、場外排洪臥管合并的可行性，并保證排洪臥管的洪水不得經(jīng)由豎井最低進水窗口溢出至灰場內(nèi)；

5)優(yōu)化并確認排洪臥管出口段消能措施，提供消力池幾何尺寸及優(yōu)化方案，檢驗消力池消能效果；

6)提供高速水流對結(jié)構(gòu)的要求。

試驗先后完成了數(shù)模計算和物模試驗，并針對試驗中發(fā)現(xiàn)的問題進行了修改－優(yōu)化－試驗，其試驗研究最終結(jié)果為：排洪系統(tǒng)選擇D=4.5 m管徑的有壓臥管的泄流能力能滿足設(shè)計要求，是合適的。

1.3.4 灰場排洪系統(tǒng)設(shè)計工程措施

根據(jù)灰場排洪系統(tǒng)水工模型試驗研究成果，為了改善排洪臥管的水力流態(tài)，消除臥管內(nèi)負壓、渦漩等不良現(xiàn)象，滿足消能要求，施工圖設(shè)計采取工程措施：1)根據(jù)排洪臥管全段水壓分布值，場內(nèi)排洪豎井不宜與該臥管組成統(tǒng)一的排洪系統(tǒng)，否則，洪水可能通過該豎井排水窗口進入灰場內(nèi)，所以，灰場排洪系統(tǒng)設(shè)計分為場外和場內(nèi)兩套系統(tǒng)布置，場外排洪系統(tǒng)采用攔洪壩－有壓排洪臥管－消力池系統(tǒng)和場外截洪溝系統(tǒng)攔洪；場內(nèi)排洪系統(tǒng)采用豎井－無壓排洪臥管－連接井和庫底排水盲溝系統(tǒng)；2)根據(jù)試驗修改方案，臥管縱向各轉(zhuǎn)折點的夾角控制在8°以內(nèi)，以消除管底的負壓，改善臥管流態(tài)；3)在攔洪壩進水口前頂部增設(shè)了消渦結(jié)構(gòu)，以減小進口立軸吸氣漩渦對排洪臥管流態(tài)的不利影響，消渦結(jié)構(gòu)的尺寸按試驗成果確定；4)按試驗研究成果，減小了消力池平面尺寸，臥管出口段布置一段拋物線過渡段，避免在出口處形成淹沒出流，影響泄洪能力；消力池后水流速度較小，布置海漫過渡。

2 發(fā)耳電廠大荒地灰場排洪系統(tǒng)設(shè)計成果及應(yīng)用

大荒地灰場排洪系統(tǒng)于2006年春季開工建設(shè)，至2008年春季完成，經(jīng)歷了2個施工雨季考驗，施工基本順利，未發(fā)生任何大的事故。2009年雨季，發(fā)耳地區(qū)持續(xù)不間斷下雨48 h出現(xiàn)洪水重現(xiàn)期50 a的洪峰，灰場排洪系統(tǒng)發(fā)揮了巨大作用，大量洪水經(jīng)攔洪壩攔截后，通過排洪臥管排至灰場外，場外最高洪水位距攔洪壩頂約10 m左右；洪水期間，灰場內(nèi)安全運行環(huán)境良好，灰場內(nèi)未發(fā)生洪水位超高和長期滯留情況。

本次洪峰后，受到灰場上游水土流失嚴(yán)重的影響，大量具有推移質(zhì)的砂石在臥管底部表面以滾動、滑動、跳躍或?qū)右品绞竭\動，且顆粒較大，對臥管底部磨損破壞嚴(yán)重，臥管底部寬1.5 m左右范圍，混凝土被沖磨破壞厚度約0～200 mm，后采用C45以上高性能抗磨蝕混凝土材料進行了修補完善，對防撞系統(tǒng)進行了改造，增加攔渣低壩和攔渣網(wǎng) 。

現(xiàn)在大荒地灰場已安全運行多年，灰渣子壩已加高至第8級，最大堆灰標(biāo)高已至1 136.00 m左右，最大高度約96 m。每年雨季，設(shè)計都要求電廠及時加強對排洪系統(tǒng)檢查和維護，清除淤堵物，發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)及時記錄，提出檢測報告，并及時請相關(guān)單位評估，提出處理意見，及時修補破壞的排洪系統(tǒng)。目前，據(jù)電廠反饋情況，灰場排洪系統(tǒng)運行良好。

習(xí)水二郎電廠小溪溝灰場自然條件類似大荒地灰場，2013年開展施工圖設(shè)計時，灰場排洪系統(tǒng)設(shè)計參考和借鑒發(fā)耳電廠大荒地灰場排洪系統(tǒng)設(shè)計思路，并結(jié)合四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室所做的小溪溝灰場排洪系統(tǒng)水工模型試驗研究報告，灰場排洪系統(tǒng)仍然設(shè)置場外和場內(nèi)兩套系統(tǒng)，場外排洪系統(tǒng)采用攔洪壩－排洪臥管－消力池系統(tǒng)和場外截洪溝系統(tǒng)攔洪，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為：按洪水重現(xiàn)期100 a設(shè)計，500 a校核。攔洪壩采用C20塊石混凝土重力壩，排洪臥管采用C40以上高性能抗沖磨現(xiàn)澆鋼筋混凝土圓管，管徑D=3.0 m；消力池也采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，消力池按模型試驗成果，寬10 m，長35 m，深5.0 m設(shè)計。場外截洪溝仍按洪水重現(xiàn)期10 a的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。

場內(nèi)排洪系統(tǒng)采用排洪(水)豎井－排洪臥管－集水池(兼作消力池)－排水明溝系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：按洪水重現(xiàn)期100 a設(shè)計，500 a校核。

習(xí)水二郎電廠小溪溝灰場于2016年投入使用，灰場排洪系統(tǒng)運行正常，穩(wěn)定、安全，業(yè)主滿意。

3 超大洪量的山谷干貯灰場排洪系統(tǒng)設(shè)計思路和方法

發(fā)耳電廠大荒地灰場和習(xí)水二郎電廠小溪溝灰場均屬于超大洪量的山谷干式貯灰場，自然條件都是溝谷型地形，來洪量大，高差大。通過具體工程設(shè)計，總結(jié)、分析出超大洪量、高落差的山谷型干式貯灰場排洪系統(tǒng)一般性的設(shè)計思路和方法，并提出需要解決的問題和以后設(shè)計需要提高的內(nèi)容。

超大洪量、高落差的山谷型干式貯灰場排洪系統(tǒng)設(shè)計思路和方法為：

1)灰場排洪系統(tǒng)宜設(shè)置場外和場內(nèi)兩套排洪設(shè)施；

2)場外排洪系統(tǒng)宜設(shè)置攔洪壩—排洪臥管—消力池和截洪溝；

3)場內(nèi)排洪系統(tǒng)宜設(shè)置排洪(水)豎井—排洪臥管—消力池；

4)山谷貯灰場選擇時，超大洪量基本可以不作為否定條件;

5)初步設(shè)計時，攔洪壩壩高和臥管管徑應(yīng)通過調(diào)洪演算，進行技術(shù)經(jīng)濟比較后確定;

6)施工圖開展前，宜先進行水工模型試驗研究，驗證確認攔洪壩壩高和排洪臥管管徑；研究臥管內(nèi)的水力流態(tài)、內(nèi)水壓、泄流能力、沖刷、空蝕、消能等情況，為施工圖設(shè)計提供依據(jù)和特殊工程措施；

7)由于排洪臥管直徑大，堆灰高度高，而且現(xiàn)階段無壓實灰渣和石膏拱效應(yīng)理論研究和設(shè)計實例，因而設(shè)計的臥管壁厚較大，投資較高，建議以后應(yīng)加大壓實灰渣和石膏拱效應(yīng)理論研究和實踐，有效降低排洪臥管的工程投資；

8)對于水土流失嚴(yán)重的山區(qū)形河流貯灰場，當(dāng)采用庫尾攔洪壩－排洪臥管的排洪方案時，在攔洪壩前，應(yīng)設(shè)置防撞、防沖、攔渣設(shè)施，以減少塊石、砂礫對攔洪壩和排洪臥管的沖撞；

9)對于超大洪量、高落差，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)形河流貯灰場，施工前應(yīng)做好相應(yīng)的施工措施和方案，并有相應(yīng)的防洪、渡汛、塌方等意外的處理預(yù)案，保證施工順利進行。

4 結(jié)語

通過發(fā)耳電廠大荒地灰場和習(xí)水二郎電廠小溪溝灰場設(shè)計實例，結(jié)合灰場實際運行情況，分析和總結(jié)了超大洪量的山谷干式貯灰場排洪系統(tǒng)設(shè)計特點，解決了超大洪量的山谷型干式貯灰場排洪系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)難題，并提出了超大洪量的山谷型干式貯灰場排洪系統(tǒng)一般性的設(shè)計規(guī)律和方法，為今后超大洪量的山谷型干式貯灰場排洪系統(tǒng)設(shè)計提供思路，以達到提高設(shè)計技術(shù)水平和設(shè)計效率，縮短設(shè)計工期，達到事半功倍的效果。