抽水蓄能電站的沖溝處理方案研究

陳　凌

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

抽水蓄能電站的沖溝處理方案研究

陳凌

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

摘要：對水電水利工程而言，建筑物的選址是一個首要問題。近年來，隨著國內電站的大規模興建，時常會難以避免的選擇在沖溝影響區。為了避免在雨季或洪水期山洪對建筑物的影響，必須對沖溝影響區進行處理，要求能夠及時有效地排除洪水而又不能對天然河道產生大的破壞。結合安徽境內某抽水蓄能電站工程，針對沖溝處理的方式及選擇，進行了詳細的分析設計以及討論。圖4幅，表2個。

關鍵詞：抽水蓄能電站；沖溝；隧洞；明挖；過流能力

1概述

某抽水蓄能電站位于安徽省境內，電站最大凈水頭為367.2 m，平均凈水頭為335.4 m，為日調節純抽水蓄能電站，裝機容量1 200 MW(4×300 MW)。樞紐工程主要建筑物由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房和地面開關站等組成。

下水庫的庫區岸坡植被發育，覆蓋層及全風化層主要分布于近壩段庫區，其次是庫內小沖溝溝口兩岸，分布高程多在正常蓄水位以下。

下庫進/出水口上部正對著王灣溝沖溝，王灣溝為小河灣溝的支流，常年流水，雨季流量較大，歷史上不曾發生過泥石流，但洪水期小河灣溝及兩岸部分沖溝會有固體顆粒被帶入庫內。為保證電站的運行，需要對沖溝采取必要的處理措施，保證下庫進/出水口的正常運行。

2洪水標準

本工程為Ⅰ等大(1)型工程，上、下水庫擋水及泄洪建筑物、輸水發電系統建筑物、地面開關站等主要建筑物為1級建筑物，次要建筑物為3級建筑物。

溝水處理建筑物的級別應該按照3級建筑物考慮，而洪水標準則根據規范設計為100～50年標準，校核為2 000～1 000年標準?？紤]到溝水處理是保護下庫的進/出水口安全運行，可將保護進水口功能建筑物的防洪標準提高到與進水口建筑物級別等同。進水口建筑物為主要建筑物，建筑物級別為1級，故洪水設計標準按規范為1 000～500年標準。根據規范，校核洪水標準：土石壩為可能最大洪水(PMF)或10 000～5 000年標準，混凝土壩、漿砌石壩為5 000～2 000年標準。因進水口為混凝土結構，洪水漫頂不致發生重大事故，可按照混凝土壩和漿砌石壩的洪水校核標準，定為5 000～2 000年標準。

考慮到溝水處理為3級建筑物，可取為1 000年洪水標準設計，2 000年洪水標準校核。由水文專業提供資料，按以下標準中的1 000年洪水標準設計、2 000年洪水標準校核(見表1)：

表1　下庫引水進口T2斷面設計洪水成果

設計洪水流量為51.3 m3/s，校核洪水流量為56.2 m3/s。

3泄洪方案

王灣溝溝水處理過水隧洞(或明渠)布置于王灣溝大轉彎處，隧洞沿線覆蓋層淺薄，一般<1 m。進洞口處王灣溝左岸稍厚，厚約1.0～2.0 m，主要為殘坡積粘土質砂夾碎石，結構松散；全強風化不發育，在進口處王灣溝左岸及山脊分布，全風化一般厚約1.0～3.5 m，強風化一般厚約0.5～1.0 m。

采用引流方案，將沖溝處的水排至下游，可供選擇的方案有：豎井+平洞方案，斜井+出口泄槽方案，明渠+變坡度泄槽方案。

3.1　豎井+平洞方案

采用圓形豎井+平洞的方案，排出沖溝內的水。其中豎井為圓形截面，內徑為4 m，襯砌厚度0.5 m；平洞采用城門洞型，坡度1.5%，洞身首端15 m長度采用擴挖型式，襯后截面尺寸為3 m×7.1 m城門洞型，襯砌厚度0.5 m，后部漸變為襯后截面尺寸3 m×5 m城門洞型，襯砌厚度0.5 m。

平洞出口段設置18.9 m的泄槽，與原地形相接，自然跌落進入原沖溝，順沖溝流入下游河道。

本方案的消能方式為豎井的跌落消能，豎井與平洞交叉口下部有12 m深的水墊消力井，可減少跌落水對井底的沖擊(見圖1)。

圖1豎井+平洞方案示意

3.2　斜井+出口泄槽方案

在進口處設置1個漏斗狀集水坑，并在集水坑靠下游河道側設置進水口，為保證進口處的過流能力，在進水口采用擴挖型式，襯后截面尺寸為3 m×8.8 m城門洞型，襯砌厚度0.5 m，后部漸變為襯后截面尺寸3 m×5 m城門洞型，襯砌厚度0.5 m。為盡可能的消能，考慮采用臺階式斜面，臺階尺寸原則采用1 m高度臺階(參照大朝山工程寬尾墩臺階式溢流壩面消能方式)，寬度為2.34 m。在出口處則采用泄槽水平出流，跌落消能方式(見圖2)。

圖2斜井+出口泄槽方案示意

3.3　明渠+變坡度泄槽方案

在進口處設置1個漏斗狀集水坑，并在集水坑靠下游河道側設置進水口，后接明渠，明渠坡度采用10%，明渠尾部接泄槽，坡度自上而下分別為1∶10、1∶1.25、1∶3.3，泄槽尾部與沖溝自然銜接，水流沿沖溝流入下游河道。變坡處采用圓弧相接，圓弧半徑25 m(見圖3)。

圖3明渠+變坡度泄槽方案示意

4過流能力計算及隧洞斷面設計

4.1　方案1過流能力計算及隧洞斷面設計

4.1.1豎井過流能力計算

方案1的豎井為自由跌落，且有平洞通氣，所以豎井的泄流能力實際上可看成短管在大氣中的自由出流，則可以由公式：

根據謝才公式和達西—魏斯巴哈公式結合，并參照曼寧公式和謝才系數，可以求出：

Q=291.5 m3/s

實際上，校核洪水流量為56.2 m3/s，遠小于豎井的實際過流能力，故豎井的過流能力滿足要求。

4.1.2平洞過流能力驗算

針對隧洞的過流能力，分為長洞和短洞兩種不同的情況。水力學中把洞長不影響過水能力的隧洞稱為“短洞”，洞長影響過水能力的隧洞稱為“長洞”。本工程隧洞為短洞。

由于短洞的泄流能力不受洞長影響，進口水流為寬頂堰流，故可按下式進行計算：

可以計算出上游水頭(不包括行進流速)：H=4.476 m，故隧洞段的高度應不低于4.476 m高度。

4.1.3平洞斷面設計

對于低流速無壓隧洞，洞內水面線以上的空間不宜小于隧洞斷面積的15%，其高度不應小于0.4 m。隧洞應避免出現明滿流交替的不利現象。

根據計算，平洞首端的高度應不小于4.476 m，上游部分會產生一定的水面雍高，故本方案對上游部分洞段適當加高，選取3 m×7.1 m城門洞型。

收縮斷面離開進口的距離，按照以下經驗公式計算：

l進=32(0.385-m)H

并結合能量方程，由上游至收縮斷面列出能量方程，可計算出收縮斷面的水深，H水深處為斷面l-l，hc處為斷面c-c(見圖4)，有如下能量方程：

圖4平洞斷面設計計算示意

可計算出hc值，由hc值再根據明渠非均勻漸變流的水面曲線計算式，計算得出短洞的水面曲線。

水面曲線是最終趨向于均勻流的，可取正常水深h0與hc值兩者中的大值。由均勻流公式可算出均勻流的水深為h0=2.287 m，流速為v0=8.191 m/s?？紤]需盡量使水面線在直墻范圍內，故隧洞后段選用3 m×5 m城門洞型。

4.2　方案2過流能力計算及隧洞斷面設計

4.2.1斜井過流能力驗算

由地形線擬定斜井的坡度：從平面來看，要將沖溝流向下庫進/出水口的水流從中截斷，導排至下游沖溝處。故可擬定出沖溝的坡度為1∶2.34。

此坡度為陡坡隧洞，計算水面線可將首部水面深度確定為臨界水深，再由明渠非均勻漸變流水面曲線的能量公式推求水面線。

按照明渠均勻流進行計算：

可算得：h0=0.67 m，此為末端接近均勻流的正常水深。故可以得出如下結論：首端的水面深為臨界水深hk=3.295 m，末端接近于均勻流，為h0=0.67 m，流速為v0=27.96 m/s。

4.2.2斜井斷面設計

為方便施工，隧洞斷面不可過小，考慮到沖溝水流會夾有大量泥沙，防止淤堵影響斷面過流，且要保證水面線上部通氣順暢，故要考慮一定的超高裕量。最終確定斜井斷面為3 m×5 m城門洞型。

4.3　方案3過流能力計算及隧洞斷面設計

4.3.1明渠過流能力驗算

先判斷坡度為陡坡還是緩坡?？蓞⒄?.1.2節內容，不同的是此斷面為梯形斷面，左右側邊坡坡度為1∶0.5?？捎嬎愠雠R界水深hc=2.799 m，臨界坡度ic=0.002 8，故本坡度為陡坡。

將首部水面深度確定為臨界水深，再由明渠非均勻漸變流水面曲線的能量公式推求水面線。參照4.2.1節內容，可以推算出首端的水面深為臨界水深hk=2.799 m，末端接近于均勻流，為h0=0.956 m，流速為v0=16.90 m/s。

4.3.2明渠設計

為保證水流有一定的超泄能力，且根據水面線計算結果，以及邊坡穩定，將明渠斷面形式設置為：左右岸邊坡(10 m高度內)坡度為1∶0.5，其中3.5 m高為混凝土襯護，以上為噴混凝土襯護，10 m邊坡以上采用1∶0.75和1∶1坡度，每10 m和20 m設置一級馬道，馬道寬2 m。

下游側則采用了順實際地形坡度放坡的形式，僅作混凝土底板與邊墻的襯護，底板寬3 m，左右邊墻高度3.5 m，邊墻坡度為1∶0.5。自上至下根據現有地形線，采用1∶2.5、1∶3.3的坡度，變坡處以圓弧相接。

5各方案比選及結論

5.1　各方案優缺點

方案一：采用豎井+平洞方案?？梢詫⒛嗌吵练e于井底，而不影響過流，且沖刷僅針對豎井段，平洞段的流速相對較低，不至于大范圍沖刷平洞段以及下游出口段。但隨著常年水流的作用，豎井底部會導致大量淤積，需定期安排清理。

方案二：斜井+出口泄槽方案。斜井段采用坡度較大的斜洞，流速較大，校核流量時在隧洞出口處，將達到28 m/s的高流速，即使做了跌坎消能，也并不能起到明顯作用。此時會帶來在洞內的一系列高速水流的問題：沖刷和氣蝕，后期會帶來檢修等問題。出口處因為水流流速較高，會產生挑流，對水流跌落點產生一定的沖刷作用，產生較大的水霧，兩種作用均會帶來邊坡的穩定問題；且在泄洪的過程中，有可能會有大的石塊卡住洞身段，影響泄流。

方案三：明渠+變坡度泄槽方案。此方案開挖量較大，投資均在方案一和方案二之上，但此方案超泄能力較強，不易受到淤堵而影響泄流。上段的坡度較緩，末端的水流流速達到16.9 m/s，并不會產生明顯的高流速沖刷和氣蝕問題。水流隨泄流明渠流向下游泄槽，由下游泄槽引導水流至下部沖溝處，因泄槽坡度較陡，不會產生明顯的淤積。存在的問題是，上部的明渠段坡度較緩，可能產生一定的淤積，雖然明渠高度較高，不至影響泄流，但會產生上游段的水面雍高，由于此段明渠段仍界定為陡坡，故雍高不會過于明顯，影響范圍有限。

5.2　各方案可比投資

各方案綜合比較如下所示(見表2)。

表2　各方案綜合比較成果

注：因本工程比較方案中隧洞的埋深較淺，故隧洞支護量比重較大，導致明渠方案的投資較??；在較大埋深情況下，明渠方案開挖明顯增加，而隧洞支護量并未有較大改變，則可能導致明渠方案投資更高。

6結語

隨著電站項目的日益增多，選址問題有時會難以避免沖溝的影響。為保證建筑物的穩定運行，選擇合適的沖溝處理方案也成為設計者應該考慮的重要問題。

對于資金有限且地形受限的工程，沖溝宜選擇與洪水標準相適應的排水洞方式，保證洪水期的洪水能夠安全排出，且不至會有較多的檢修情況。

對于工程區范圍泥沙較少的情況，可采用豎井+平洞方案，可以保證泄流以及減少高流速等問題。

對于淺埋且分部工程占總投資較小的情況，宜選用明渠+泄槽方案，可明顯減少檢修次數，從而保證臨近建筑物的安全。

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責任編輯吳昊

作者簡介：陳凌(1982-)，男，工程師，主要從事水工結構工程方面的研究工作。

收稿日期：2015-10-21

E_mail：chen_l25@ecidi.com