印尼西索肯抽水蓄能電站上水庫溢洪道的優化與設計

卞 全，吳 麗

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)03—0027—06

印尼西索肯抽水蓄能電站上水庫溢洪道的優化與設計

卞 全，吳 麗

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

印尼西索肯抽水蓄能電站上水庫為碾壓混凝土壩，泄水建筑物具有單寬流量小、堰頂無閘門控制等特點, 經過世行專家審查、多方案的比較和研究論證, 最終將原設計的光面溢流壩優化為臺階式溢洪道，較好地解決了該工程上水庫的泄洪消能問題,而且臺階式溢洪道施工與大壩——澆筑緊密結合，經濟效益明顯。

印度尼西亞；西索肯;抽水蓄能電站;上水庫;臺階式;溢洪道

1 工程簡介

1.1 工程概況

西索肯抽水蓄能電站是印度尼西亞的第1個抽水蓄能項目，位于印尼首都雅加達市東南部150 km處西索肯河流域上游。該項目是世界銀行的貸款項目，業主為印尼國家電力公司(PT.PLN)。

該項目包含上、下庫2座碾壓混凝土(RCC)重力壩，上壩的最大壩高75.5 m，壩頂長375 m；下壩的最大壩高98 m，壩頂長294 m。引水發電系統則包含2個進水口、長1.2 km的2條引水隧洞、2座調壓井、2條鋼襯壓力隧道和4條尾水渠。地下廠房長156.6 m、高50.15 m、寬24 m，安裝4臺單機容量為260 MW的機組，總裝機1 040 MW。圖1為項目總平面布置圖。

1.2 設計咨詢情況

2009年10月，臺灣中興工程顧問股份有限公司、中國水電顧問集團聯合2家印尼咨詢公司，組成聯合體參加咨詢的投標工作。2012年10月，經世界銀行核準，聯合體正式中標并簽約。

聯合體的工程師為業主聘用的咨詢工程師，為業主負責，其職責在籌建期為設計方，負責工程的招投標設計；在施工期為監理方，對詳細設計負責、承包商負責施工圖紙。

世界銀行召集國際專家，組成PRP (Project Review Panel)，每年定期召開會議，檢查項目的進程、審核設計、決定招投標及施工中的重大問題等。

圖1 印尼西索肯抽水蓄能電站的總平面布置圖

本項目已于2013年12月底召開了上、下水庫大壩及引水發電系統土建標的承包商資格預審，招標設計已于2014年7月通過業主和世行專家組PRP的第6次審查后定稿，已發出邀標函，即將開工。

2 可研設計的建筑物布置及設計

印度尼西亞地處熱帶，全年氣候溫暖濕潤。壩址距萬隆市區僅30 km。上、下水庫庫容各約1 000萬m3，水泵的最大流量為89.1 m3/s，水輪機的最大流量為108 m3/s。抽水蓄能電站的運行方式為：每天從下水庫抽水至上水庫，抽水約7.8 h，發電運行約6.5 h。

2.1 上水庫的總體布置與溢洪道的尺寸

(1) 基本資料

上水庫壩址以上流域面積為10.5 km2, 多年平均流量為0.18～0.74 m3/s。壩址處河水面以下的河床寬約20 m，兩岸岸坡坡度小于30°，壩址巖性為砂巖與粉砂巖互層及角礫巖，少量的安山巖和頁巖。設計洪水采用1萬年重現期，流量為 230 m3/s；校核洪水采用最高洪水位(PMF)，流量為300 m3/s。

(2) 溢洪道的布置及選擇

盡管閘控溢洪道能使壩頂高程降低1 m，但從整體造價而言，無閘溢洪道更經濟；而且流域面積僅10.5 km2，當洪水來臨時，要頻繁且迅速開閘泄洪有操作難度。因此，選用無閘控溢洪道型式。

因下游尾水很淺，不適合采用面流及戽流消能。而下游河床較窄，如采用挑流消能，則沖坑深且范圍大約為3倍泄槽寬度。底流消能工具有施工簡單、運行可靠、下游沖刷影響小的優點，且本工程的消能工造價不高，故推薦采用底流消能型式。

溢流壩位于壩段中央，為開敞式無閘門控制型式，1孔，寬度為10 m。堰面曲線下游與1∶0.73的泄槽段相切，泄槽段以反弧與消力池相接。消力池總長約45 m，邊墻高8 m，底板厚1.5 m，末端設5 m高的尾坎，尾坎內布置2孔1 m×1.5 m的排沙孔。圖2為上池壩的平面布置圖，圖3為溢流壩縱剖面圖。

2.2 設計及計算成果

(1) 泄流能力計算

因堰頂寬度僅為10 m，在最高洪水位799.08 m時，溢流壩的最大泄量為87 m3/s;而當遭遇大洪水時，部分從溢流壩排泄，其余洪水從壩頂排泄到壩肩下游的混凝土水槽和旁通渠中，然后導入下游河道中。

圖2 上池壩原設計的平面布置圖 單位：m

圖3 上池壩原設計的溢流壩縱剖面圖 單位：m

(2) 泄槽水面線計算

設計采用日本規范，按照日本規范和經驗公式，在下泄最大流量87 m3/s時，泄槽邊墻的法向高度為3.0～2.0 m。

(3) 下游河道的水面線和底流消能計算

3 世行專家的意見簡述

在2010年10月召開的第1次PRP審查會中，世界銀行聘請的PRP專家對原設計的上水庫溢流壩，提出了很好的意見和建議：

(1) 基于上水庫的設計洪水等級及大壩類型，應考慮采用臺階式溢洪道型式，結構布局簡單經濟，從而減少消能工的長度和消能工程成本。

(2) 將溢洪壩的堰頂從10 m加寬到20～30 m，并泄入到縮窄的消力池中，將極大降低成本。

(3) 溢流壩段寬20 m，可排泄常遇洪水；兩側壩頂的非常溢洪道長約65 m，可用于排泄較大洪水。

4 臺階式溢洪道的適應性

(1) 泄槽末端的高速水流

按照原溢流壩體型，在下泄流量87 m3/s時泄槽末端的流速約33 m/s，屬高速水流。而泄槽末端反弧段局部范圍的水流條件類似于導流洞的“龍抬頭”改建型式，流速高且水流空化數低，極易發生空化、空蝕破壞；表面須澆筑抗沖耐磨混凝土、嚴格的不平整度控制，以避免沖蝕破壞。而如果在泄槽上設置臺階消能的措施，空蝕和沖蝕破壞的風險將極大地降低。

(2) 上水庫采用臺階式溢洪道的可行性

目前許多臺階式溢洪道已建成并投入運行，運行情況良好。結合RCC大壩技術水平的發展，本工程的上水庫若采用臺階式溢洪道，與美國上靜水壩類似，不但體型簡單、與RCC施工緊密結合，而且節省工程量，不存在技術問題。

(3) 臺階式溢洪道的特點

采用臺階式溢洪道，不但避免過流面空化和空蝕，更達到消能目的,明顯提高消能率，因而減少了下游消力池的規模，有效地節省了工程投資。同時，在溢流壩面上設置臺階，既能利用碾壓混凝土層面形成臺階壩面，又適應碾壓混凝土筑壩分層的機械化施工，工藝簡單，施工加快，工期縮短。

因此，將上水庫溢流壩的光面調整為臺階式，是可行、更優的設計方案。

5 臺階式溢洪道的設計及水力計算

經咨詢工程師復核后，本項目上水庫溢洪道仍位于壩體中央、采用無閘控溢流堰和消力池消能型式。

5.1 臺階式溢洪道的關鍵尺寸選擇

(1) 堰頂寬度

按照設計洪水全部由溢洪道下泄、減小壩肩泄洪消能工程的思路，為防止溢洪道導墻收縮產生沖擊波、減小工程量，泄槽寬度應不大于下游河寬。如若堰頂寬度選用10 m，臺階式溢洪道的單寬流量大于25 m3/(s·m)，為避免空蝕破壞，須設置如寬尾墩、摻氣槽等措施，體型復雜且需經水工模型試驗驗證和優化。因此，堰頂寬度選用20 m。

溢流堰如設1孔，寬20 m，壩頂的交通橋須按預應力橋設置；而預應力橋梁對施工工藝要求高、張拉控制嚴格、易出現裂縫，成本高且質量高、工藝難。因此溢流堰分2孔，每孔寬10 m，設中墩，中墩厚1.2 m，作為橋梁支座。一方面，壩頂交通橋可采用空心板橋而無需預應力橋，單塊空心板橋質輕、施工簡單、質量易控制、便于維修；另一方面，雖然中墩后的泄槽寬度突擴，但因堰頂水頭低，單寬流量小，流速小，中墩薄，下游流態受中墩體型的影響較小。

(2) 臺階高度

根據水力學角度、已建工程設計運行及模型試驗成果，已建溢洪道的臺階高度為0.6～1.2 m，臺階高度一般取高值。首先隨著臺階高度的加大，摻氣初始點的位置會向堰頂移動，使易受空蝕破壞的未摻氣流道更短；其次隨著臺階高度的加大，消能率也有所增加。

對于RCC壩, 溢洪道的臺階高度選擇也應結合RCC 壩的施工速度統一考慮。近年來，施工手段明顯提高、建設速度加快，通常采用1 m左右的臺階高度。而本工程的RCC的澆筑層厚為0.3 m，為了施工便利, 減少模板工作量，加快施工進度，按照PRP專家的建議溢洪道臺階高度為1.2 m。

5.2 上水庫臺階式溢洪道的水力計算

鑒于目前對臺階式溢洪道的水力學研究沒有相應的設計規范,尚停留在水工模型試驗和經驗總結上，尤其是流態判斷、摻氣初始位置、形成均勻流的條件、消能率等算法還不成熟；本項目選取引用多、知名度高的經驗總結《RCC壩階梯式溢洪道的水力設計》[1]和《臺階式溢洪道的設計部分(Ⅰ)(Ⅱ)》[2]，分別進行上水庫臺階式溢洪道的水力學計算和研究。

(1) 溢流堰泄流能力計算

當不考慮水庫調洪，上游水位為799.6 m時可下泄設計洪水230 m3/s，當上游水位為800.5 m時可下泄PMF洪水333 m3/s。經水庫調洪演算分析，最高洪水位(PMF)為799.0 m，對應的泄量為162.6 m3/s。

(2) 臺階式溢洪道的水力特征計算

1) 流態判斷

舌形流僅發生在上游水位低于797.5 m、泄量小于37 m3/s時；當上游水位超過797.5 m，流態為表層流。

2) 初始摻氣點的位置及水深

按照計算成果，發生表層流時，從溢流堰頂到開始出現摻氣前的垂直距離約在4～22.7 m之間，流量越小，距離堰頂越近；初始摻氣點的水深為0.32～1.15 m，平均摻氣濃度為22.5%。

3) 穩定均勻摻氣水流的位置、水深及摻氣濃度

按照計算，形成均勻摻氣水流的摻氣水深為0.38～1.5 m；摻氣水流的流速為4.7～10.5 m/s；壩面泄流受臺階的影響，沿程水流摻氣明顯，泄流在壩腳之前就能形成穩定的均勻摻氣。

4) 消能率按照計算結果，溢流壩面臺階跌坎對減小水流流速的作用非常明顯。當下泄校核洪水時，消能率為60%；隨著流量減小，壩面的流速也加速減小，消能率最高可達90%以上。

(3) 下游消能計算

經過臺階消能后，壩趾處的水流流速為3.1～10.5 m/s；再經過底流消能后，能量進一步消殺。經對比，確定消力池長約16 m、坎高2.7 m。下游河道的水深1～3.8 m，在消力池末端鋪設塊石護底。

(4) 其 它

一般而言，由于臺階跌坎下游面形成漩渦和壩面摻氣的共同作用，跌坎下游面可能出現壓強小甚至負壓情況。盡管本工程的流量小、水頭不高、流速小，但仍要引起重視。可通過加強控制施工質量，摻加鋼纖維或減水劑等措施，提高抗磨蝕性能，并控制表面不平整度，避免產生空蝕破壞。

5.3 上水庫臺階式溢洪道的布置

根據水力學估算成果，布置了臺階式溢洪道。無閘控溢洪道，分2孔，每孔寬10 m，設中墩，中墩厚1.2 m，邊墩厚1.5 m。壩頂采用空心板橋連接兩岸，壩頂寬6.5 m。泄槽總寬21.2 m，邊墻高度為4.5 m。

圖4 上池壩臺階式溢洪道的縱剖面圖 單位：m

臺階式溢洪道的堰頂曲線方程為Y=0.1860X1.85。堰頂曲線與下游壩坡1∶0.76相切，最上部2個臺階高0.15 m，接著3個高度為0.3 m的臺階、3個高度為0.6 m的臺階，以下均為1.2 m高度的臺階，總臺階數為52個。臺階下游泄槽與消力池底板以半徑8 m的圓弧相切。消力池總長約25.7 m，邊墻高度為8 m，在池長16 m處設置尾坎，高度為2.7 m。尾坎后接下游塊石防護段。圖4為臺階式溢洪道的縱剖面圖。

6 采用臺階式溢洪道的效益分析

由于采用了與碾壓混凝土分層、通倉碾壓施工相適應的臺階式壩面，取消了原設計的2層混凝土結合面的聯系插筋和表層鋼筋網，不必設置摻氣槽，避免澆筑高標號常態混凝土，臺階式壩面一次碾壓成型，實現全斷面快速碾壓筑壩，大大簡化了施工、加快了進度、縮短了工期、其效益是明顯的。

根據估算，采用臺階式溢洪道后，與光面溢洪道相比，減少泄槽底板常態混凝土共計530.4 m3,減少消力池邊墻混凝土共計422.2 m3,減少消力池底板混凝土645.5 m3,減少消力池尾坎混凝土272.1 m3,減少泄槽底板表層鋼筋31.4 t,減少泄槽底板2層混凝土結合面的聯系插筋6.1 t,減少消力池底板、邊墻和尾坎的鋼筋23.2 t(尚未計入兩岸壩肩下游的混凝土水槽工程量)。

按照印尼當地的價格計算，上池壩采用臺階式溢洪道后，共減少直接費用約41萬美元。

7 結 語

經過對印尼西索肯抽水蓄能電站上水庫溢洪道的比較、研究和優化，結合RCC 大壩，最終采用臺階式溢洪道型式。通過對本工程臺階式溢洪道的布置、水力學計算等，很好地解決了上水庫的泄洪消能問題；而且臺階式溢洪道施工與大壩RCC澆筑緊密結合，經濟效益是非常明顯的。通過對臺階式溢洪道的選擇、應用和總結，為類似工程的設計和研究積累了經驗，具有較好的參考價值。

[1] Satoshi Yamaoka,Eizo Kita. 印尼西索肯抽水蓄能電站可行性研究設計[R].雅加達: 新日本技術株式會社,2007.

[2] 卞全,董翌為,安盛勛. 印尼西索肯抽水蓄能電站上水庫的溢洪道設計更新報告[R].西安:西北勘測設計研究院有限公司,2013.

[3] 沙文彬 譯,劉忠清 校. RCC壩階梯式溢洪道的水力設計[J].水利水電快報,2002,(21):1-4.

[4] 尹進步,劉韓生,梁宗祥 大朝山水電站臺階溢流壩摻氣減蝕問題的研究[J].西北農林科技大學學報,2005,(2):137-142.

[5] 甘銳安.臺階式溢洪道水力特性研究及應用[J].黑龍江水利科技,2013,(5):19-22.

[6] 卞全 譯,吳熹 校. 臺階式溢洪道的設計部分(Ⅰ)(Ⅱ)[J].國際水力發電,2005,(4):37-39.

Optimization and Design of Spillway of Upper Reservoir, Cisokan Pumped Storage Power Plant

BIAN Quan, WU Li

(POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

The RCC dam is built for the upper reservoir of Cisokan Pumped Storage Power Plant. The outlet structure features lower discharge at single width and free-gate control at weir crest. Through review by WB experts and comparison, study and demonstration by a couple of alternatives, the smooth-surface overflow weir is optimized to the step-type spillway. This optimization promotes energy dissipation of flood discharge. Furthermore, construction of the step-type spillway closely integrates the concrete placement of the dam. This results in outstanding economic benefit.

Indonesia; Cisokan; pumped storage power plant; upper reservoir; step type; spillway

2014-12-15

卞全(1972- )，男，河南省南陽市桐柏縣人，教授級高工，印尼西索肯抽蓄電站的土建咨詢工程師，主要從事水電站工程水工建筑物的設計、研究及項目管理工作.

TV743;TV651.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.008