下水庫導流泄放洞運行與檢修技術研究

陳 斌，趙賢學，張士平，楊 燚，吳凱強

（華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江 天臺317200）

1 引言

桐柏抽水蓄能電站（下稱桐柏電站）下水庫大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩高68.25 m，壩頂長度434 m，壩址流域面積為21.4 km2，死水位110 m，死庫容213.9萬m3，正常蓄水位141.17 m，總庫容1 283.6萬m3；溢洪道為壩身開敞式自由溢流，位于壩體河床部位；設計洪水標準為200年一遇洪水，設計洪水位145.6 m，總下泄流量361 m3/s；校核洪水標準為千年一遇洪水，校核洪水位146.60 m，總下泄流量496 m3/s。

導流泄放洞布置在下水庫右岸由進口引水渠、進水口、事故檢修門井、有壓洞及出口消力池組成；建筑物全長742.24 m，最大工作水頭63.0 m，設計泄量176.1 m3/s。見下頁圖1。

2 導流泄放洞設計及施工

2.1 設計布置

導流泄放洞全長742.24 m，其中進口引水渠長約80 m，底寬7.8～21.5 m，擴散角10°，為滿足下水庫施工期導流及檢修期放空水庫，渠底高程為90.5 m；為防止泄洪時大量推移質進入導流泄放洞，利用進口前的疊梁門作攔渣坎，坎頂高程98.30 m，并在疊梁門前25 m處設一集渣坑。有壓洞長525.01 m，隧洞中部靠近右壩頭附近設一道事故檢修門，閘門井高65.5 m；隧洞進水口為6.4 m×6.4 m（寬×高）矩形漸變為直徑4.8 m的圓形，原設計靠近出口110 m段采用鋼板襯砌，內徑D=4.8 m，壁厚14 mm；經優化設計內徑D=3.6 m，鋼管段長度60 m；隧洞出口后有一10 m長的平坡段，以便布置工作弧門及其啟閉機，弧門孔口尺寸為2 m×3 m，底板高程82.6 m。消力池為深挖護坦與消力檻相結合形式，池底高程71.5 m，邊墻高程85.5 m，消力檻高1.0 m，其頂高程78.5 m，池深 7 m，池寬 7.9～16.3 m，池長 63 m，消力池出口下游布置長度55 m的海漫段，避免出消力池后水流的剩余能量沖刷河床。

2.2 泄流能力計算[1]

按P=2%洪水時保證機組發電不受影響為原則，通過導流泄放洞和溢洪道的聯合調洪，確定導流泄放洞出流孔口尺寸為2 m×3 m。根據隧洞有壓流公式；式中：Z—上游水位與出口中心線高程差，ωc—出口斷面面積，μc—流量系數，其計算公式略。經計算流量系數μc=0.856，水庫各水位下的泄流量見表1：導流泄放洞水位-流量關系表。

圖1 下水庫導流泄放洞平面布置及縱剖面圖

表1 導流泄放洞水位-流量關系表

由表1可知，設計洪水位出口弧門全開時，導流泄放洞最大下泄流量為176.1 m3/s。經計算，鋼筋混凝土襯砌段平均流速為9.73 m/s，出口鋼襯段流速為17.30 m/s。

2.3 施工情況

進口明渠段開挖采用預裂梯段爆破；洞身段采用手風鉆鉆孔，平行直眼掏槽，周邊光爆成型；閘門井豎井采用正導井開挖方式；導流泄放洞洞身段及檢修閘門井均采用鋼筋混凝土襯砌，其中閘門井洞身段EL82.0～EL86.0 m高程采用C30混凝土，閘門井及井后洞身EL86.0～EL93.0 m高程采用C25混凝土，消力池段側墻及底板表層50 cm采用抗沖磨、抗空蝕性能較好的C40鋼纖維混凝土；海漫段采用消力墩與灌砌混凝土結合的結構形式；導流泄放洞灌漿工程包括出口消能工底板基礎固結灌漿，平洞回填灌漿和固結灌漿，事故閘門井固結灌漿；鋼板襯砌于泄0+465.008 m至泄0+526.933 m，全長61.925 m，鋼板厚14 mm，材質為16 MnR；閘門及啟閉機安裝包括導流泄放洞事故門及門槽、事故門啟閉機、事故門啟閉機室檢修設備及軌道、弧形工作門及其門槽、弧形工作門啟閉機、弧形工作門啟閉機室檢修設備及其軌道。自2001年4月開工，2005年5月12日下閘蓄水，至2006年1月檢修閘門下游段改造完畢。

3 導流泄放洞運行實踐

3.1 導流泄放洞洪水泄放原則

抽水蓄能電站和常規水電站最大區別是必須有2個水庫即上水庫和下水庫，而且2庫僅需儲有一庫的有效庫容水量即可滿足抽水蓄能電站的各項功能；洪水調節計算采用上下水庫聯動機組參于運行即動態調洪方式，洪水泄放原則：（1）上水庫水位達正常蓄水位396.21 m，電站停止抽水；（2）下水庫水位低于142 m時，電站正常發電；入庫洪水通過導流泄放洞排放，排放流量為前一時段入庫洪水流量；（3）下水庫水位高于142 m，低于145.6 m（P=0.5%洪水位），水泵水輪機、導流泄放洞、溢洪道共同參與調洪；（4）下水庫水位高于145.6 m，電站停止發電，關閉導流泄放洞，洪水通過溢洪道排放；（5）水庫下泄流量不大于同頻率天然洪峰流量。桐柏水庫設定為當上下水庫有效庫容之和比上水庫有效庫容多20萬m3時下水庫放水。

3.2 運行實踐

自2005年5月蓄水至2019年3月底累計放水252次，共泄放水量31 498.8萬m3，見表2；歷時最長一次泄放洪水是2012年6月8日11：00至6月25日9：00，共泄洪歷時406 h，泄放水量572.1萬m3；泄洪量最大一次放水是2012年8月2日17：00至8月11日20：00共泄洪歷時219 h，泄放水量1 180.2萬m3；年泄洪量最多的是2012年為4 009.3萬m3；例舉開度最大一次放水是2009年第8號臺風“莫拉克”導流泄放洞泄洪情況，8月9日桐柏電站流域24 h降雨量為178.5 mm，最大入庫流量是127.3 m3/s（9日21：00），經華東電網調度中心同意9日和10日分別減少抽水點數8個點（1個點為15 min）和23個點，分別給上水庫騰出庫容72萬m3和207萬m3；導流泄放洞8日10：00開啟工作閘門泄放洪水，最大開度1.6 m，最大出庫流量為86.7 m3/s，至12日21：30關閉，歷時107.5 h，共泄水562.1萬m3；本次洪水按洪峰流量計接近5年一遇標準，未影響發電；水庫大壩及下游河道運行安全[2]。

桐柏電站上下水庫運行14年來基本采用下水庫導流泄放洞開閘放水，上水庫設置有閘控制溢洪道自2005年5月水庫運行以來上水庫溢洪道放水僅2次，首次是2005年因臺風降雨水庫蓄滿后自由溢流，第二次為2015年11月11日至16日放水，原因是下水庫導流泄放洞消力池檢修無法放水，而且上庫溢洪道堰頂高程為EL394 m，因發電上水庫水位迅速下降低于堰頂高程只能間歇式放水；況且水體交換到上水庫即為儲存能量，一般不會輕易泄放，通過發電即可增加電站效益；而設置在下水庫導流泄放洞使用起來非常方便，開度自0.1 m至3 m啟閉靈活，加之每次放水均多次變換開度，14年來啟閉操作約500次，液壓設備采購質量好，精心運行維護使得閘門啟閉非常可靠；只是泄洪時閘門開度90%為小開度0.1 m，當水頭為54 m時閘門出口流速為28 m/s，而且出流形態為挑流，對設計為底流消能的消力池沖刷嚴重，粗骨料出露，局部鋼筋露出見圖2；影響導流泄放洞安全，為此必須進行檢修。

表2 導流泄放洞投運以來泄洪量統計表

圖2 溢流面處理前狀況

4 檢修技術研究

4.1 技術研究

消力池段底板表層50 cm原設計采用抗沖磨、抗空蝕性能較好的C40鋼纖維混凝土，從目前消力池缺陷情況看，對工作閘門小開度運行而變成挑流消能是不適用的；查閱其他電站溢洪道溢流面處理技術，參照其他水電站溢洪道采用SK抗沖磨刮涂聚脲（也稱單組分手刮聚脲）和SK高韌性環氧涂膜對比試驗，單組分手刮聚脲性能更優越，其具有拉伸強度大、硬度高、柔性好、耐老化、耐低溫等特點，適用于混凝土溢流面、導流泄放洞等具有抗沖磨要求的泄水建筑物正表面的防護及裂縫表面封閉[3]；研究后采用單組分手刮聚脲進行涂刷保護溢流面混凝土的方案是合適的。其物理力學性能見表3。

表3 單組分手刮聚脲物理力學性能

4.2 施工工藝

（1）表面處理

要求混凝土表面平整、堅固、無孔洞；對混凝土溢流面打磨干凈并且干燥，局部孔洞用高強膩子填補找平固化后打磨；對混凝土面上大于0.2 mm裂縫，采用增加胎基布，對滲水裂縫，進行了化學灌漿處理。

（2）界面劑涂刷

聚脲層涂刷前，在混凝土表面涂刷界面劑；涂刷厚度要求薄而均勻，保證聚脲與混凝土表面之間的粘結強度應大于2.5 MPa。

（3）涂刷手刮聚脲

界面劑干燥后，開始刮涂抗沖磨型聚脲涂層；聚脲大面積涂層厚度2 mm，共涂刷3遍，第1遍涂刷0.5 mm厚，第1層干燥后，刮涂第2遍厚1.0 mm，第3遍涂刷厚0.5 mm。

（4）周邊處理

在聚脲涂刷范圍的周邊，為了保證聚脲涂層與周圍混凝土的搭接牢固可靠，避免在高速水流沖刷下開口掀起，收邊處混凝土打磨成倒三角，邊緣聚脲厚度大于4 mm，并保證聚脲與周圍混凝土搭接邊處采用平滑過渡。

（5）聚脲層養護

單組分手刮聚脲施工過程中，恰遇大風和下雨，采用防雨布搭設對聚脲層進行遮蓋保護，待風停雨止后，擦干凈單組分手刮聚脲涂層上的附著物，吹干后繼續施工。聚脲涂刷完工后，24 h內不要有水浸泡，常溫養護。

4.3 處理效果

經處理后溢流面光滑平順，處理后見圖3；經近3年放水泄洪考驗后，經常為小開度挑流沖刷的部位目前未見損壞，運行正常。

圖3 溢流面處理后狀況

5 結語

桐柏電站下水庫設置的導流泄放洞經過14年來運行證明設計合理，設備制造及安裝可靠，加之精心運行維護，導流泄放洞運行正常，啟閉使用靈活。根據設計要求，導流泄放洞盡量避免小開度泄洪，根據桐柏電站水庫調度運行經驗，建議增加小流量的放水錐閥，泄量大時才采用導流泄放洞開啟閘門放水，避免因小開度長時間泄洪產生的挑流對溢流面沖刷損壞。