溧陽抽水蓄能電站下水庫泄水建筑物設計

常姍姍

（中國水電顧問集團中南勘測設計研究院有限公司 長沙市 410014）

溧陽抽水蓄能電站泄水建筑物根據其運行特性，僅需在下水庫布置泄水建筑物；在臨沙河水庫側布置均質土壩，泄水建筑物布置在右壩頭庫岸段，其泄水建筑物需要雙向擋水。故選擇合適的泄水建筑物的型式與布局，在滿足結構安全運行的基礎上使泄水建筑物的結構體型較為合理、經濟、便于施工，是本文所需闡述的重點。

1 工程概況

溧陽抽水蓄能電站位于江蘇省溧陽市，其開發任務主要是為江蘇電力系統提供調峰、填谷和緊急事故備用。電站裝機容量1 500 MW，設計年發電量20.07億kW·h，年抽水電量26.76 億kW·h。本工程為一等大(Ⅰ)型工程。電站樞紐建筑物主要由上水庫、輸水系統、發電廠房及下水庫等4 部分組成。

下水庫樞紐主要由擋水建筑物、泄水建筑物、補水建筑物、下水庫進/出水口、庫岸及庫盆組成。水庫正常蓄水位19.00 m，調節庫容1 198 萬m3。擋水建筑物為均質土壩，布置在臨沙河水庫側；壩頂寬度為7.0 m，最大壩高11.40 m； 大壩壩軸線全長833.146 m，采用圓弧段同南、北庫岸相連。庫岸部位大部分段為開挖形成的庫岸擋水。泄洪閘位于擋水壩的右壩頭庫岸段，孔口寬度4.0 m，由兩扇4 m×5.9 m 工作（檢修）閘門由固定式啟閉機啟閉。

2 泄水建筑物結構型式設計

2.1 設計思路

因庫周設置截水溝及排洪渠，下水庫主要來水為庫區集雨面積范圍內的大氣降水，水庫集雨面積為下水庫庫口面積0.706 km2，與水庫正常蓄水位對應的水面面積基本相當；其洪水按24 h 暴雨形成的洪水水量全部蓄于正常蓄水位以上考慮。上下水庫24 h 設計暴雨、設計洪量見表1。上、下庫汛期發生洪水時，需向沙河水庫泄洪。

根據本工程技術特點，設計上對泄水建筑物布置及型式的選擇進行了系列方案的研究及比較，初擬了主要設計方案，并在收集國內外相關資料的基礎上，根據工程的實際情況，對泄水建筑物進行了進一步切實可行的設計，選定最終的泄水建筑物設計方案。

表1 上下水庫設計暴雨、設計洪量成果

2.2 泄水建筑物方案比較與選擇

下水庫泄洪設施方案比較了混凝土溢流堰、埋設外包鋼筋混凝土鋼管以及埋設鋼筋混凝土管等3種泄洪型式。

（1）埋設外包混凝土鋼管泄洪（方案一）：鋼管布置在擋水壩中部地勢較低的壩體底部、距沙河水庫最近處，且置于基巖槽內。取水口埋置在下水庫內，出水口位于沙河水庫內，進出水口中心線高程為14.892 m。泄洪管設有電動蝶閥，置于出水口處，下水庫水位達到正常蓄水位后，打開閥門自流泄洪。由于上、下兩水庫24 h 暴雨洪量之和分別為37.90 萬m3、59.20 萬m3，經計算，按3 天實際泄水時間6.6 h計算，需要4 根直徑為1.80 m 的鋼管泄水。

（2）埋設鋼筋混凝土管泄洪（方案二）：與淺埋式鋼管相比，僅管材不同。

（3）混凝土溢流堰泄洪（方案三）：溢流壩段布置在擋水壩中部，兩端與土石壩相接，溢流堰采用開敞式WES 型實用堰，堰頂高程19.00 m，堰高6.5 m，底寬13.4 m。經計算，按可利用泄水時間6.6 h 計，取溢流孔凈寬35.0 m 時，滿足其最大泄量的需求。其布置為：溢流孔單孔寬7.0 m，設5 孔，孔間及兩端部位設閘墩，中墩及邊墩厚度均為2.50 m，重力擋土墻式邊墩與土石壩相接。

（4）泄洪設施方案比選：通過對各泄洪方案綜合比較，方案一～方案三的工程投資分別為2 489.11萬元、2 502.96 萬元及2 910.46 萬元；其中方案一投資最小，布置相對簡單，且管道受力條件好，也無溢流堰泄洪方案中間溢流壩段與兩端土壩連接處理問題。故初步推薦采用埋設外包混凝土鋼管泄洪方案。

2.3 泄水建筑物方案的補充論證

2.3.1 泄水建筑物比選方案的提出

通過對初步擬定的埋設外包混凝土鋼管泄洪方案進一步深入研究，認為該方案存在以下問題：

（1）由于下水庫大壩為雙向擋水，考慮其運行及檢修要求，泄洪管設置雙向擋水蝶閥和檢修蝶閥，一條泄洪管需設置3 扇蝶閥，4 條泄洪管則置12 扇蝶閥，而且電機不能入水，檢修、工作室及工作排架也需配套設置，結構布置、施工及運行都較為復雜。

（2）雙向擋水的蝶閥較貴，投資較大，且國內生產廠家較少。經詢價，雙向硬密封電動蝶閥價格為250 萬元，12 臺需3 000 萬元，故無論從土建及機電而言其投資均較大。

（3）外包鋼筋混凝土鋼管埋設于土壩底部，排架基礎埋深及基礎處理工程量大，施工干擾較大。

基于上述問題，考慮本電站的特殊性及實際運行情況，補充混凝土泄洪閘泄洪方案進行比選。

2.3.2 泄洪閘的運行方式與設計分析

溧陽抽水蓄能電站每天的泄洪時段為：電站發電時，下水庫水位抬高到正常蓄水位19.00 m 起，打開控制閘門自流泄洪，至水位回落到正常蓄水位19.00 m 止的這段時間間隔內，將上、下水庫入庫洪量排入沙河水庫，以免損失電站工作水頭。

由于下水庫是按設計預留了上水庫檢修時死庫容全裝入下水庫的要求設計的，即正常運行時在不泄洪情況下可全裝191.50 萬m3水量； 據沙河水文站最大年降水量1 618.6 mm，這相當于上下水庫年最大洪量176.6 萬m3，即1年內洪水全裝入下水庫后不會影響各建筑物安全。因此，溧陽抽水蓄能電站上、下庫具備全裝設計暴雨洪量的能力，在汛期當沙河流域發生洪水時，可存于下庫內，在沙河水庫洪水先行退去的情況下再將上、下庫洪量排入沙河水庫內。

從沙河水庫歷年最高及最低統計的水位資料可知，沙河水庫多年平均最高水位為18.269 m，最低水位為13.819 m；汛期最高水位為20.089 m，最低水位為15.469 m。故在汛期多年平均水位低于19.0 m時，可以使下水庫的洪水擇機及時排泄，保證電站在其工作水頭內正常運行。

2.3.3 泄洪閘結構設計

（1）工程地質條件。下水庫地形平緩，基巖主要為晶屑凝灰巖及安山斑巖，節理裂隙發育，巖石完整性較差。工程場址地震基本烈度為7 度，2 級壅水建筑物工程抗震設防類別為乙類的水工建筑物，故地震設計烈度為7 度。

（2）泄洪閘布置。根據地質地形條件，本著在滿足泄洪條件下，盡量少挖少填的原則進行設計。泄水閘位于大壩的右壩頭庫岸段； 由進口引水渠、控制段、泄槽段以及起閉機房等構成（附圖）。

附圖 下水庫泄洪閘典型剖面圖

泄洪閘結構底部高程均為17.0 m。進口引水渠長約20.0 m，渠底高程為底寬5.0 m，過水斷面為高度隨庫岸邊坡漸變的梯形斷面。控制段閘室長14.0 m，孔口寬度4.0 m，頂部高程25.60 m；設有檢修門和工作門。泄槽為開挖形成的梯形斷面，長33.0 m（其中海漫長15.0 m），底寬4.00 m，高程22.00 m 以下兩側采用襯砌混凝土護坡； 高程22.00 m 以上采用草皮護坡。緊接泄槽后均開挖成底寬4.00 m、基礎高程17.00 m 的明渠接至沙河水庫。

（3）泄洪閘泄洪能力復核。根據上下水庫24 h設計暴雨、設計洪量，分別對下水庫對應沙河水庫不同水位的泄流能力進行分析，計算各水位泄洪時所需時間可知：當下水庫水位大于沙河水庫水位時，隨著水位的上升，其泄洪能力逐漸增強，所需泄洪時間逐漸縮短。當考慮下水庫水位在19.00 m 開始泄洪時，且沙河水庫水位低于下水庫水位0.5 m 以上時，最小泄流量大于15.1 m3/s，所需泄洪時間不大于10.9 h；可見所擬定的泄洪閘尺寸基本能滿足泄洪要求。

（4）泄洪閘穩定應力復核。根據規范規定并考慮下水庫的實際情況擬定需要計算的荷載組合進行計算，計算成果（表2）表明：泄洪閘在各種工況下的抗滑穩定和基底應力均滿足規范要求，結構是安全的。

3 結 語

根據本工程技術特點，遵循“安全可靠、質量可控、技術可行、經濟合理，同時兼顧進度和投資，有利于施工”，對下水庫泄水建筑物進行了深入的設計研究。基于以下理由最終推薦采用岸坡式泄洪閘泄洪方案：

表2 泄洪閘抗滑穩定及基底應力計算成果

（1）岸坡式泄洪閘方案的工程投資為2 403.12萬元，投資相對較少。

（2）岸坡式泄洪閘置于開挖基巖上，閘室穩定應力條件好； 通過對岸坡式泄洪閘的泄流能力、穩定、應力及抗滲能力的復核計算，各向指標均能滿足規范的設計要求。

（3）泄洪閘與土壩無接頭防滲問題，施工、運行及檢修方便。

（4）泄洪閘布置在下水庫土壩右壩頭，與土壩分開布置，泄洪閘基礎為弱風化基巖，地質條件較好，確保了閘基巖體能夠滿足抗震要求，同時有利于提高上部結構的抗震能力。