天荒坪抽水蓄能電站磨石坑棄渣場排洪設(shè)施設(shè)計

吳 偉

(中國電建集團 華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

水電工程大部分位于山區(qū)，受地形條件限制，棄渣場大多選址在溝道中，且往往形成高堆渣邊坡，棄渣堆置破壞棄渣場范圍內(nèi)原有地表植被，影響周邊自然環(huán)境，若排洪設(shè)施設(shè)置不當或不完善，暴雨時堆渣體受山洪沖刷極易形成滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，威脅下游基礎(chǔ)設(shè)施和人民群眾生命財產(chǎn)安全，因此棄渣場排洪設(shè)施的設(shè)計尤為重要。本文以天荒坪抽水蓄能電站磨石坑棄渣場為例，對既有棄渣場的排洪設(shè)施整治設(shè)計進行了系統(tǒng)介紹。

1 棄渣場概況

天荒坪抽水蓄能電站地處浙江省安吉縣天荒坪鎮(zhèn)，是華東電網(wǎng)內(nèi)第一座大型抽水蓄能電站，裝機容量1 800 MW，年發(fā)電量31.6億kW·h。電站由上水庫、下水庫、地下廠房洞室群、輸水系統(tǒng)、地面開關(guān)站和上下庫連接公路等組成。

磨石坑棄渣場為上下庫連接公路施工布置的棄渣場，位于下水庫壩址下游河道左岸的山體溝道內(nèi)，堆渣總量10萬m3，以石渣為主。棄渣場分為上、下兩級堆渣區(qū)，上游、兩級堆渣區(qū)之間、下游均為上下庫連接公路，公路與溝道交叉位置均設(shè)置有排水涵洞。根據(jù)地形圖量測，棄渣場上游溝道集雨面積為0.6 km2。

上一級堆渣區(qū)邊坡高程408～492 m，堆渣最大高度84 m，邊坡未設(shè)置馬道，堆渣坡比1∶1.2～1∶1.7，渣場中間溝道處堆渣邊坡相對緩于溝道左右側(cè)。堆渣邊坡坡腳至擋渣墻距離25～30 m，渣面坡度相對較緩，坡比約1∶2.4。棄渣場堆渣體坡腳擋渣墻墻身布設(shè)有涵洞，涵洞出口貼下游墻面布設(shè)有排水槽，排水槽出口接公路排水涵洞進口集水池。

下一級堆渣區(qū)呈條狀，堆渣邊坡高程366～408 m，堆渣最大高度42 m，邊坡沒有設(shè)置馬道，堆渣坡比1∶1.5～1∶1.8。棄渣場堆渣體坡腳已設(shè)置擋渣墻，墻身布設(shè)有涵洞，涵洞出口接下游排水明渠及公路排水涵洞。兩級堆渣區(qū)之間公路排水涵洞出口至擋渣墻墻身涵洞之間的堆渣邊坡已實施干砌塊石護面，作為過水通道。

2 現(xiàn)狀存在的主要問題

根據(jù)磨石坑棄渣場現(xiàn)狀情況對堆渣體邊坡及擋渣墻穩(wěn)定性進行的復(fù)核計算分析表明，兩級堆渣區(qū)擋渣墻均是穩(wěn)定的，但上一級堆渣區(qū)擋渣墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)接近規(guī)范規(guī)定的下限值，在墻身排水不暢、墻后水位較高時仍有失穩(wěn)的可能；上一級堆渣區(qū)邊坡整體穩(wěn)定性較好，僅有發(fā)生局部失穩(wěn)的可能，但渣場中間溝道處及下部區(qū)域受山洪沖刷，存在掏挖坡腳和引起上部邊坡滑塌的可能，對堆渣體整體穩(wěn)定極為不利；下一級堆渣區(qū)邊坡天然狀態(tài)下整體穩(wěn)定性較好，但在暴雨時堆渣邊坡干砌塊石護面受山洪沖刷，極有可能發(fā)生破壞，進而引起堆渣邊坡整體失穩(wěn)。通過以上分析，影響棄渣場堆渣體邊坡及擋渣墻穩(wěn)定的關(guān)鍵因素為棄渣場所處溝道的水能否得以有效導(dǎo)排，因此該棄渣場整治的關(guān)鍵工程為排洪設(shè)施。

經(jīng)現(xiàn)場查勘，現(xiàn)狀棄渣場的排水路徑為：公路上游溝道→公路排水涵洞→上一級堆渣區(qū)中部溝道→上一級擋渣墻墻身涵洞→擋渣墻墻面排水槽→公路排水涵洞進口集水池、洞身及出口→下一級堆渣區(qū)干砌塊石護面→下一級擋渣墻墻身涵洞→排水明渠→公路排水涵洞→公路下游溝道。經(jīng)水力學復(fù)核計算，公路現(xiàn)狀排水設(shè)施可以滿足排洪要求，但由于常年運行且失修，已存在不同程度的局部損壞，經(jīng)修復(fù)加固后可直接利用。因此，棄渣場現(xiàn)狀排水設(shè)施之間的聯(lián)通問題急需解決，包括兩段路徑：上游公路排水涵洞出口至上一級擋渣墻墻身涵洞、兩級堆渣區(qū)之間公路排水涵洞出口至下一級擋渣墻墻身涵洞。

3 排洪設(shè)施設(shè)計

3.1 防洪標準

棄渣場防洪標準根據(jù)規(guī)模、位置、失事環(huán)境風險程度和失事對主體工程風險程度綜合確定[1]。磨石坑棄渣場位于沖溝溝道，堆渣總量為10萬m3，堆渣體最大高度為84 m，失事主要影響電站上下庫連接公路的通行，對電站主體工程運行影響較小。

根據(jù)《水電建設(shè)項目水土保持方案技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5419—2009)，磨石坑棄渣場屬大型棄渣場，防洪設(shè)計標準為20～50年一遇。經(jīng)查閱上下庫連接公路相關(guān)資料，公路排水涵洞防洪設(shè)計標準為25年一遇。綜合考慮現(xiàn)有排水設(shè)施的防洪設(shè)計標準與規(guī)范的匹配，以及最大限度地利用現(xiàn)有排水設(shè)施、降低工程造價等因素，確定磨石坑棄渣場防洪設(shè)計標準與公路現(xiàn)有排水設(shè)施保持一致，采用25年一遇，經(jīng)水文計算，棄渣場所處溝道25年一遇洪峰流量為14.6 m3/s。

3.2 總體布置

上游公路排水涵洞出口至上一級擋渣墻墻身涵洞段、兩級堆渣區(qū)之間公路排水涵洞出口至下一級擋渣墻墻身涵洞段均采取新建明渠排水。對排水路徑上的上游公路排水涵洞、上一級擋渣墻墻身涵洞和墻面排水槽、兩級堆渣區(qū)之間公路排水涵洞進口集水池和洞身、下一級擋渣墻墻身涵洞、排水明渠和下游公路排水涵洞等進行局部損壞處修復(fù)加固，直接加以利用，作為棄渣場排洪設(shè)施的組成部分。

上游公路排水涵洞出口至上一級擋渣墻墻身涵洞段排水明渠由1#陡槽、1#消力池、2#陡槽、2#消力池、3#陡槽和3#消力池組成。兩級堆渣區(qū)之間公路排水涵洞出口至下一級擋渣墻墻身涵洞段排水明渠由4#消力池、4#陡槽、5#消力池和5#陡槽組成。排洪設(shè)施平面布置見圖1。

圖1 排洪設(shè)施平面布置示意

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.3.1 陡 槽

新建明渠共分段設(shè)置5段陡槽，編號為1#～5#，均采用矩形過水斷面，底板設(shè)置外凸型階梯式消能工，并根據(jù)地形條件設(shè)置抗滑結(jié)構(gòu)，1#～5#陡槽特性見表1。下面以上一級堆渣區(qū)1#陡槽和下一級堆渣區(qū)4#陡槽為例說明，其他陡槽結(jié)構(gòu)形式與1#或4#陡槽類似。

上一級堆渣區(qū)1#陡槽采用矩形過水斷面，凈寬e=4 m，凈深f=1.8 m；底板采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度0.4 m；兩側(cè)邊墻采用重力式，M10漿砌塊石結(jié)構(gòu)，頂寬0.5 m，背水側(cè)墻面坡比1∶0.3，臨水側(cè)墻面直立。整個陡槽布置在堆渣體上，縱向坡比i=1∶2.02。底板設(shè)置外凸型階梯式消能工，階梯頂面水平，高度a=0.6 m，寬度b=1.21 m，間距s=2.64 m。為了提高陡槽的抗滑穩(wěn)定性，在底板下方分段設(shè)置阻滑臺階，臺階底面水平，寬度d=3.5 m，高度h=2.03 m。外凸型階梯式消能工及阻滑臺階體型見圖2。

下一級堆渣區(qū)4#陡槽采用矩形過水斷面，凈寬e=5 m，凈深f=1.5 m；底板和邊墻均采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板厚度0.4 m，兩側(cè)邊墻與底板整體澆筑，頂寬0.3 m，背水側(cè)墻面坡比1∶0.2，臨水側(cè)墻面直立。整個陡槽布置在堆渣體上，縱向坡比i=1∶1.9。底板設(shè)置外凸型階梯式消能工，階梯頂面水平，高度a=0.6 m，寬度b=1.14 m，間距s=2.37 m。為了提高陡槽的抗滑穩(wěn)定性，在底板下方分段設(shè)置C30鋼筋混凝土錨固板，體型見圖3，呈水平布置，板間回填漿砌石，錨固板長度d=3.8 m，厚度h=0.4 m，同時在陡槽尾段約10 m長度范圍內(nèi)，在清除基礎(chǔ)棄渣后將底板混凝土直接澆筑至完整基巖面，并設(shè)置錨桿加固，以進一步增加陡槽的抗滑力。

表1 1#～5#陡槽特性 m

圖2 消能工及阻滑臺階體型

圖3 錨固板體型

3.3.2 消力池

1#～4#陡槽末端及兩級堆渣區(qū)之間公路排水涵洞出口處均布設(shè)消力池進行消能，共設(shè)置5座，編號為1#～5#，過水斷面均為矩形，并與上接陡槽等寬，其中1#、3#和5#消力池采用底流消能，2#和4#消力池采用單級跌水消能。1#～5#消力池特性見表2。

表2 1#～5#消力池特性

由于消力池均布置在堆渣邊坡上，池長設(shè)置受限，因此在消力池尾坎前設(shè)置T形消力墩作為輔助消能工，縮短水躍長度，進而縮短池長，T形消力墩尺寸比例為前墩厚∶前墩高∶前墩寬∶尾坎高∶支腿長=2∶3∶4∶5∶6[2]。T形消力墩體型見圖4。

圖4 T型消力墩體型

4 結(jié) 語

天荒坪抽水蓄能電站磨石坑棄渣場排洪設(shè)施主要由現(xiàn)狀排水設(shè)施和新建明渠組成，其中新建明渠主要包括陡槽和消力池，由于地形陡、落差大，結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮了抗滑、消能等措施。設(shè)計的排洪設(shè)施，歷經(jīng)多年的運行，未發(fā)現(xiàn)損毀現(xiàn)象，陡槽外凸型階梯式消能工、消力池T形消力墩等獲得了良好的消能效果。但T形消力墩被淹沒在水下運行，墩后補氣條件差，容易在前墩頂部、后側(cè)和支腿兩側(cè)及尾坎等部位產(chǎn)生空蝕，設(shè)計時應(yīng)注意[2]。

[參考文獻]

[1] 中華人民共和國國家能源局.水電建設(shè)項目水土保持方案技術(shù)規(guī)范：DL/T 5419—2009[S].北京：中國電力出版社，2009：1-10.

[2] 田嘉寧，李郁俠.T形墩消力池的體型與水力設(shè)計[J].西安理工大學學報，1998(4):368-372.