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1、厦门抽水蓄能电站下水库泄洪建筑物设计 熊燕梅 杨嵘 蒋磊 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 摘 要： 厦门抽水蓄能电站下水库采用导流泄放洞与自溢流开敞式溢洪道联合泄洪的型式。导流泄放洞布置于低高程, 用于及时排放入库洪水, 使洪水尽可能少侵占调节库容, 提高电站发电保证率;自溢流开敞式溢洪道用于排放较大的洪水, 超泄能力强, 可保证建筑物安全。2 种泄洪建筑物运行灵活、安全可靠。关键词： 溢洪道; 导流泄放洞; 抽水蓄能电站; 调洪原则; 作者简介：熊燕梅 (1979-) , 女, 高级工程师, 大学本科, 主要从事项目管理、水工建筑设计等方面的工作。E-mail:xiong_收稿日期：
2、2017-04-11Received： 2017-04-111 工程概况厦门抽水蓄能电站站址位于福建省厦门市同安区汀溪镇境内, 距厦门市的公路里程为 50 km。电站为日调节纯抽水蓄能电站, 总装机容量 1 400 MW (4350 MW) , 为等大 (1) 型工程。本电站枢纽主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站等建筑物组成。下水库总库容 1 015 万 m, 主要建筑物有大坝、溢洪道、导流泄放洞等组成, 均为 1 级水工建筑物1。2 泄洪建筑物设计思路与设计难点2.1 设计思路下水库坝址以上集雨面积 11.78 km, 多年平均流量 0.502 m/s, 水库防洪标准按 200
3、 a 一遇洪水设计, 相应洪峰流量为 674.000 m/s, 按 2 000 a 一遇洪水校核, 相应洪峰流量为 1 070.000 m/s。下水库洪峰流量较大, 且洪水具有暴涨暴落的特点, 抽水蓄能电站还需考虑发电来水与天然洪水叠加的工况。发电工况时, 下水库水位较低, 为及时排放入库洪水, 使洪水尽可能少侵占调节库容, 提高电站发电保证率, 需在低高程设置泄洪设施;为排放较大洪水, 保证水工建筑物安全, 另需设置泄洪表孔。下水库导流采用全年围堰挡水, 隧洞导流方式, 导流洞设计流量为 310.000 m/s, 洞径为 5.00 m6.00 m (宽高) 。为节省投资, 考虑利用导流隧洞改
4、建为泄放洞。为满足运行灵活、安全可靠、超泄能力强的要求, 结合现场地形地质条件, 采用开敞式自溢流侧堰溢洪道, 以减小边坡开挖高度。2.2 调洪原则下水库洪水调节按独立调洪和联合调洪 2 种运行工况考虑。独立调洪:按电站发电库容全部放置下水库, 不考虑抽水蓄能电站发电, 起调水位为正常蓄水位, 洪水全部通过溢洪道自由溢流排放。联合调洪:考虑天然洪水与发电来水叠加: (1) 当库水位在死水位275.00306.00 m (溢洪道堰顶高程) 时, 开启导流泄放洞排放洪水, 抽水蓄能电站按电力系统要求正常发电; (2) 当库水位在 306.00 (溢洪道堰顶高程) 洪水位 309.10 m (厂房校
5、核标准 P=0.10%) 时, 利用溢洪道和导流泄放洞共同排放洪水, 抽水蓄能电站按电力系统要求正常发电; (3) 当库水位达到洪水位309.10 m (厂房校核标准 P=0.10%) 时, 继续利用溢洪道和导流泄放洞共同排放洪水, 抽水蓄能电站停止运行; (4) 当洪水结束后, 如果上、下水库水位仍未恢复正常情况 (即下水库死水位 275.00 m 以上蓄水量与上库死水位 842.00 m 以上蓄水量之和超过 743 万 m (上水库调节库容) , 则可继续利用溢洪道或导流泄放洞向下游排放洪水, 直至上、下水库水位恢复正常情况 (即下水库死水位 275.00 m 以上蓄水量与上库死水位 74
6、2.00 m 以上蓄水量之和等于 743 万 m) 时关闭导流泄放洞闸门。泄洪建筑物布置见图 1。图 1 泄洪建筑物布置图 下载原图经计算, 独立调洪工况的下水库设计、校核洪水位均高于联合调洪工况的相应标准洪水位, 联合调洪工况的最大泄量均大于独立调洪工况相应标准最大泄量。因此, 可研阶段综合 2 种运行工况的计算成果, 采用最不利的水位、泄量组合作为枢纽建筑物的设计依据。下水库设计、校核洪水位分别为 308.50, 309.40 m;在遭遇不超过 1 000 a 一遇 (P=0.10%) 洪水时, 电站可根据电网要求正常发电。下水库洪水调节计算成果见表 1。表 1 下水库洪水调节计算成果表
7、(采用成果) 下载原表 由表 1 可知, 在遭遇不同频率的洪水时, 下水库下泄流量均不大于天然洪峰流量, 对下游河道基本无不利影响。2.2 设计难点导流泄放洞工作水头从施工低水位至洪水位, 水位变幅较大, 水力设计和消能是其设计难点;溢洪道设计难点是确保侧槽内水流流态平稳, 溢洪道出口水舌不冲击左岸山体、消能充分。3 泄洪建筑物设计3.1 溢洪道溢洪道位于大坝左坝肩, 与坝轴线平面交角 63.4, 采用岸边侧堰式溢洪道, 由侧堰、侧槽、调整段、泄槽、挑流鼻坎、护坦及预挖冲刷坑等结构组成, 全长 493.81 m, 见图 2。3.1.1 侧堰宽度、泄槽尺寸初拟侧堰溢流宽度 60.00 m, 经调
8、洪演算, 校核洪水位较正常蓄水位高 3.40 m, 在合理范围内, 因此, 确定溢流宽度为 60.00 m, 堰顶高程与正常蓄水位同高程, 为 306.00 m, 无闸门控制。参考类似工程经验, 初拟侧槽为梯形, 长 60.00 m, 槽底首端高程 293.00 m、宽 11.50 m, 末端高程 291.00 m、宽 18.50 m。泄槽槽底沿地形设计为 2 个纵坡, 上游段为长约 69.50m 的陡坡, 坡比 1:1.35, 下游段为长约 82.80 m 的缓坡, 坡比 1:3.30, 陡坡与缓坡之间采用半径 80.00 m 的圆弧连接。泄槽为矩形, 槽底宽 14.00 m, 根据泄槽水面
9、线计算成果, 拟定左边墙高 6.00 m, 右边墙挡大坝下游堆石体, 挡墙高度根据堆石体高度确定, 但不小于 6.00 m。为防止泄槽发生空蚀, 设 2 道掺气槽。侧槽与泄槽成 20交角, 为改善水流条件, 设长约 86.00 m 的调整段, 调整段末端通过 Y=X /40 的抛物线与坡比 1:1.35 的泄槽底板衔接。3.1.2 消能防冲泄槽末端接挑流鼻坎, 为避免挑流水舌冲击左岸山体, 挑流鼻坎采用左高右低的扭曲鼻坎, 长约 31.00 m。其中右边墙在平面上为 1 段长 24.05 m 的圆弧, 左边墙在平面上为 1 段长 31.13 m 的圆弧, 两圆弧半径均为 250.00 m, 均
10、在溢0+262.81 m 处分别与左、右泄槽边墙相接。右边墙迎水面为垂直面, 左边墙迎水面为扭曲面, 底板与右边墙的交线在立面为 1 条 R1=42.00 m、=31.79的圆弧, 圆弧起点为溢 0+262.81 m, 末端为溢 0+285.81 m;底板与左边墙的交线在立面为 1 条 R2=35.00 m、=51.41的圆弧, 圆弧起点为溢 0+262.81 m, 末端为溢 0+292.81 m。鼻坎下游 20.00 m 范围设置钢筋混凝土防冲护坦。护坦置于弱风化岩石上, 厚度 1.50 m (见图 3) 。护坦下游为冲刷坑, 冲坑开挖底高程为 175.00 m, 为弱风化基岩。冲坑底面为直
11、角梯形, 靠岸坡侧为直角边, 底顺河床方向长 60.00 m, 上游面宽 35.00 m, 下游面宽 40.0034.00 m。冲坑上游开挖坡度 1:2.00, 与混凝土护坦相接;下游开挖坡比 1:2.00, 与下游出水渠衔接, 渠底高程 185.00 m。图 3 挑流鼻坎体型图 下载原图3.2 导流泄放洞3.2.1 导流洞进、出口高程及洞径导流洞布置在右岸, 全长约 616.80 m, 导流洞进口、出口高程及洞径按满足施工期导流需要而确定, 进口底板高程 235.00 m, 出口底板高程 195.00 m。导流洞设计流量为 310.000 m/s, 隧洞过流断面采用城门洞型, 洞径为 5.0
12、0 m6.00 m (宽高) (见图 4) 。3.2.2 工作弧门位置导流泄放洞后期改建的工作弧门位置可布置在出口或中部。工作弧门布置在出口时, 导流洞底坡 7.13%, 弧门工作水头约 114.00 m, 由于工作弧门需要频繁局部开启, 工作状况恶劣, 在长期高速水流的作用下, 闸门容易产生横向、切向和径向 3 个方向的振动, 特别是小孔口弧门在高水头小开度工况下的局部开启, 弧门产生振动不可避免, 从而会增加弧门疲劳破坏的可能性, 缩短弧门使用寿命。工作弧门布置在导流洞中部时, 为减小弧门工作水头, 导流洞底坡在弧门上游为 2.00%, 弧门下游为 11.76%, 弧门工作水头约 77.0
13、0m, 水头相对较低, 可以较好的解决闸门振动问题, 且该水头在在常规的闸门设计水头范围内, 弧门工作状态相对尾部方案更安全。因此, 工作弧门布置在导流洞中部。图 4 导流泄放洞纵剖面图 下载原图3.2.3 泄放洞洞径和工作弧门尺寸根据调洪要求, 下库正常蓄水位时要求泄放洞泄流能力约为 200.000 m/s, 由于导流洞洞径较大, 改建时导流洞洞径不变, 泄放洞泄流能力由弧门孔口大小决定, 以此拟定弧门孔口尺寸为 2.50 m2.50 m, 经计算正常蓄水位时泄流能力约为 205.000 m/s, 满足泄流能力要求。根据最大水深及流速计算成果复核无压洞段断面尺寸, 导流洞断面满足要求。3.2
14、.4 消能防冲由于无压段水流流速较高, 为防止发生空蚀, 设 2 道掺气槽。泄放洞出口采用挑流消能, 挑坎反弧半径 50.00 m, 挑角 17.4, 鼻坎顶高程197.40 m, 挑坎下游布置护坦长 10.00 m, 护坦下游为预挖冲坑, 冲坑底高程170.00 m, 长 70.00 m。3.2.5 闸门运行方式事故闸门在正常情况下静水启闭, 当工作闸门发生事故时, 可动水闭门。在导流洞改建期间, 该门兼做临时挡水门使用。需要导流泄放洞泄流时, 弧形工作闸门可局部开启, 控制下泄流量。4 水工模型试验验证可行性研究阶段, 对溢洪道和导流泄放洞进行了水工模型试验, 试验结论如下:(1) 溢洪道
15、和导流泄放洞的泄流能力满足要求。(2) 溢洪道进口来流平顺, 过堰水流为自由堰流, 进入侧槽的水流在侧槽内形成螺旋流动, 水流紊动剧烈, 尤以 P=0.05%工况最为明显 (见图 5) 。(3) 当库水位降至 265.00 m (死水位 275.00 m) 时, 导流泄放洞进口附近开始出现微凹涡, 但未发现吸气现象。(4) 溢洪道和导流泄放洞各设置两道掺气坎, 掺气坎后均能形成稳定的空腔, 空腔内没有积水, 掺气效果良好, 实测泄槽内掺气坎后的近底掺气浓度均大于6%。(5) 溢洪道出口挑坎为扭曲鼻坎, 在各种工况下, 水舌不会冲砸左岸边坡。(6) 溢洪道无闸门控制, 库水位高于溢流堰堰顶时则自
16、动泄洪。水舌挑射距离随着库水位的升高而增大, 在 P=20.00%工况时, 水舌落于挑坎后的护坦上, 在P=0.05%工况下水舌挑距大于 150.00 m。(7) 在 P=1.00%工况及其以下频率洪水泄洪时, 预挖冲坑内不会出现冲砸等恶劣流态 (见图 6) 。(8) 时均动水压强观测结果表明, 溢洪道溢流堰面及泄槽抛物线段在各种工况下均没观测到负压, 泄槽内压强分布无异常, 体型设计合理。导流泄放洞有压洞内压强分布无异常, 平面弯道处外侧压强较内侧略大, 约 0.50 m 水柱。图 5 侧槽内水流流态图 (P=0.50%) 下载原图图 6 下游河道水流流态图 (P=1.00%) 下载原图5 结语对于抽水蓄能电站而言, 需考虑天然洪水与发电来水叠加工况。本电站 4 台机发电流量达 280.000 m/s, 接近于下水库坝址 20 a 一遇洪峰流量, 而下水库库容有限, 调蓄洪水能力较弱, 通过利用导流洞改建为泄放洞, 及时排放了入库洪水, 提高
