績溪抽水蓄能電站下庫導流泄放洞布置方案優化設計

趙瑞存

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122;2.浙江省抽水蓄能工程技術研究中心，杭州 311122)

1 概 述

安徽績溪抽水蓄能電站總裝機容量1 800 MW，安裝6臺單機容量為300 MW的可逆式水輪發電機組，單機額定流量為57.8 m3/s，額定水頭600 m。樞紐建筑物主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房及開關站等組成，地下廠房采用中部偏尾布置方案。電站建成后主要服務于華東電網(江蘇、上海和安徽)，在電網中承擔調峰、填谷、調頻、調相和事故備用等任務。

上水庫位于登源河的北支流源頭赤石坑溝林場一帶，屬于峽谷河道型水庫，水庫四周地形具有良好的封閉性，成庫條件十分優越。壩址以上控制流域面積1.8 km2，總庫容1 100萬m3，正常蓄水位961.00 m，正常蓄水位以下庫容1 021萬m3，其中調節庫容867萬m3。

上水庫按24 h暴雨形成的洪水量全部蓄于正常蓄水位961.00 m以上計算，200年一遇設計洪水位為962.99 m，2000年一遇校核洪水位為963.69 m，分別比正常蓄水位壅高1.99、2.69 m，上水庫在不設泄水建筑物的情況下，壩高增加較小。因此，上水庫不設泄水建筑物。

下水庫位于登源河的北支流、赤石坑溝口，壩址以上控制流域面積7.8 km2，總庫容1 250萬m3，正常蓄水位340.00 m，正常蓄水位以下庫容1 091萬m3，其中調節庫容903萬m3。

下水庫受地形條件限制，水庫調節庫容較小，無力承擔下游防洪任務。而電站發電流量較大，6臺機組滿發流量約347 m3/s，相當于下水庫千年一遇洪峰流量。需設置泄洪設施，避免洪水影響電站發電運行。下水庫泄洪設施采用導流泄放洞結合開敞式豎井溢洪道的布置方式。導流泄放洞設置在水庫較低高程處，主要用于及時排放入庫洪水，使洪水盡可能少侵占調節庫容，提高電站發電保證率。

2 下水庫洪水調度及水損備用庫容設置

下水庫成庫后主要防洪對象是位于赤石坑下游的安川村和位于赤石坑與逍遙河交匯口的魚龍川村。通過對洪水調查資料的分析，該河道的安全泄量較小，僅約40 m3/s，防洪能力很低，約2～3年一遇。

2.1 下水庫洪水調度

抽水蓄能電站發電調節水量是在上、下水庫中循環使用的[1]。發電工況，每一時段庫水位的變化隨電站在該時段發電量的大小而定，抽水工況，每一時段的庫水位的變化隨電站在該時段抽水量的大小而定，但上下水庫水位維持一個固定的關系。上、下水庫水位關系見圖1。當上下水庫水位關系點落在該曲線右上區域，說明有洪水入庫，需按洪水調度原則進行調洪；當上下水庫水位關系點落在該曲線左下區域，說明天然徑流不能彌補水庫蒸發滲漏損失，電站發電可能需使用水損備用庫容。

圖1 上、下水庫水位關系示意圖

各頻率洪水相應下庫調洪成果見表1。通過下水庫導流泄放洞預泄洪水，可以保證電站遭遇200年一遇洪水時仍正常發電。下水庫洪水調度原則為：

表1 下水庫調洪成果表

(1) 下庫導流泄放洞泄流能力對洪水期發電存在一定影響；

(2) 當水庫水位低于溢洪道堰頂高程340.00 m時，由導流泄放洞按前一時段(按1 h計)入庫流量、導流泄放洞泄流能力和下游安全泄量(40 m3/s)三者的小值泄流單獨泄洪；

(3) 當水庫水位升至下水庫溢洪道堰頂高程340.00 m時，關閉導流泄放洞，溢洪道自由溢流;

(4) 下水庫水位低于342.16 m(P=0.5%洪水位)時，電站正常發電；

(5) 下水庫水位升至342.16 m(P=0.5%洪水位)時，電站停機。

2.2 水損備用庫容設置

本電站集水面積較小，需要設置一定的水損備用庫容。通過對1972—2008年37 a水文系列進行補水量計算，考慮水庫蒸發、滲漏等損失后，大部分年份的枯水期會發生天然徑流不能補足水庫蒸發、滲漏損失水量的情況，保證率P=95%枯水段，連續缺水7個月，需要補水量約為88.3萬m3。

為彌補電站正常運行產生的蒸發、滲漏損失，電站共設置90萬m3水損備用庫容。根據上、下水庫庫容條件將水損備用庫容分置于上、下水庫，其中上水庫27萬m3、下水庫63萬m3。

2.3 電站建設對下游防洪的影響

由于下游河道防洪能力較低，需保證在遭遇20年一遇及以下洪水時，導流泄放洞和豎井溢洪道兩處泄流設施的最大下泄流量均在40 m3/s左右。電站建成后赤石坑溝該段河道的防洪能力由現狀的2～3年一遇提高到20年一遇。

3 原方案下庫導流泄放洞布置及泄流能力計算

3.1 地形地質條件

導流泄放洞沿右壩頭近SN向山梁布置，線路左、右側均有近SN向沖溝切割，致使沿線山梁較為單薄，上覆巖體厚度25～55 m。基巖巖性為粗粒花崗巖，局部有細晶花崗巖脈穿插其間，巖石風化深、厚度大，洞身段圍巖以強風化為主，全風化巖體僅在進、出口處分布，厚度一般為1.60～3.50 m，弱風化上段巖體僅在山脊洞深為75～170 m和洞深170～280 m等局部洞段分布。

全風化巖體洞段圍巖為Ⅴ類，強風化巖體洞段圍巖為Ⅳ類，弱風化上段巖體洞段圍巖為Ⅲ2類，整個隧洞圍巖以Ⅳ類為主，Ⅴ類和Ⅲ2類少量，圍巖強度及類別低，成洞條件差，開挖邊坡整體基本穩定，局部穩定性差。

3.2 導流泄放洞總體布置

導流泄放洞與豎井式溢洪道分開布置，單獨設置出口。根據施工期導流并考慮后期改建要求，導流泄放洞斷面為城門洞形，斷面為3.5 m×4.0 m(寬×高)，襯砌厚度為0.8 m，中部設一道事故閘門，閘門孔口為3.5 m×4.0 m。導流泄放洞總長361.0 m。為滿足運行期泄洪要求，事故閘門井下游洞段后期改建為鋼板襯砌，圓形斷面，內徑1.9 m。出口錐閥直徑為1.6 m，用以控制下泄流量。導流泄放洞原布置方案見圖2。

圖2 導流泄放洞原布置方案圖 單位：m

3.3 導流泄放洞泄流計算成果

泄放洞在泄洪過程中始終為有壓流，按孔口自由出流[2]計算，其流量公式為：

(1)

式中：ω為出口斷面積，m2；出口錐閥全開時ω=2.01 m2；H為出口以上水頭，m。

μ為流量系數，其計算公式為：

(2)

式中：ω為出口斷面積，m2；ζJ為局部水頭損失系數；ωj與ωi相應流速之斷面積，m2；Li、Ri、Ci分別為各均勻洞段之長度、水力半徑、謝才系數。單位分別為m、m、m1/2·s-1。

經計算泄放洞泄流量公式

(3)

若泄放洞末端錐閥全開，正常水位340.00 m時，最大流量可達40.07 m3/s，滿足下游河道的防洪要求。

4 下庫導流泄放洞布置優化

可行性研究階段豎井式溢洪道和導流泄放洞的出口均布置在全強風化粗粒花崗巖上(Ⅳ～Ⅴ類)，地質條件差，支護和襯砌工程量較大。招標設計階段，為降低開挖支護風險，研究對導流泄放洞布置進行優化。

考慮溢洪道出水渠及導流泄放洞出口相距僅30～40 m，同時，從運行功能條件分析[3-5]，兩者運行不沖突(即在正常蓄水位340.00 m以下由導流泄放洞單獨泄洪，在正常蓄水位340.00 m以上由溢洪道單獨泄洪)。招標設計階段將導流泄放洞出口布置在溢洪道出水渠中部，即導流泄放洞與豎井溢洪道共用出水渠，導流泄放洞泄流經出口消能池消能后沿出水渠順流至下游河道。

優化后的導流泄放洞長224.4 m，由進水口、洞身段、事故閘門井及出口消能工等建筑物組成，泄流能力保持不變。隧洞中部設一道事故閘門，出口設一個錐閥。平面上呈直線布置，方位角為N43.8°E，出口錐閥下游消能池與溢洪道出水渠邊墻結合布置，泄流經消能池消能后通過共用的出水渠接入下游河道。導流泄放洞隧洞長度縮短136.6 m，降低了隧洞開挖風險，工程量及投資節約38%。

由于豎井式溢洪道與導流泄放洞均為單獨泄洪，故泄流流態互不影響。泄放洞出口消能池結構與溢洪道出水渠邊墻順接結合布置，結構縫部位設置銅止水，結構穩定、安全。下庫導流泄放洞出口與溢洪道出水渠結合布置詳見圖3。

5 影響分析及閥門選型優化設計

下庫導流泄放洞泄流能力對洪水期發電存在一定影響。施工期考慮錐閥通徑較大，閥體制造質量存在不可控性，在進行泄流能力對洪水期發電影響分析時，同步開展了閥門選型優化設計。

5.1 泄流能力對洪水期發電影響分析

根據下游河道防洪要求，結合閥門的制造水平，通過調整下水庫洪水調度方式，研究縮小泄放洞出口閥門尺寸的可行性。在溢洪道及導流泄放洞布置均不變的情況下，通過改變泄放洞出口錐閥通徑擬定3個方案，如表2。

圖3下庫導流泄放洞出口與溢洪道出水渠結合布置圖 單位：m

表2 比選方案統計表

各組合方案聯合調洪成果見表3～5。

表3 方案1聯合調洪成果表

表4 方案2聯合調洪成果表

表5 方案3聯合調洪成果表

根據計算成果，可知：方案1電站遭遇30年一遇洪水即需停機，日停機時間約0.03 h，減少日電量6.1萬kWh，占日蓄能量的0.6%，停機標準較低。方案2導流泄放洞最大下泄流量為20 m3/s，常遇洪水對電站發電的影響較小，電站遭遇100年一遇洪水停機時間約0.08 h，減少電量15.02萬kWh，占日蓄能量的1.4%。方案3最大下泄流量為23 m3/s，基本可以避免常遇洪水對電站發電的影響，電站遭遇100年一遇洪水停機時間僅約0.02 h，減少電量4.43萬kWh，占日蓄能量的0.4%。

綜合上述分析，為盡量減少洪水對電站發電運行的影響，并考慮閥體規模，推薦泄量為20 m3/s的方案。

5.2 泄放洞出口閥門選型優化設計

用于管道末端的調流消能閥，有套筒閥[6]、錐形閥[7-8]、活塞閥等，適合電站泄洪建筑物布置的有套筒閥和錐形閥。

(1) 閥徑比較：套筒閥出流能力小，而錐形閥出流能力大，具有較其它種類閥門更高的排放系數。同等流量下，套筒閥通徑比錐形閥大。泄量為20 m3/s時，選用錐形閥，直徑需1 300 mm；若選用套筒閥，直徑需1 700 mm。

(2) 布置比較：套筒閥直立布置，淹沒式出流；錐形閥向下45°布置，自由式出流。2種布置型式均可滿足電站工程布置及工況要求。

(3) 消能比較：套筒閥直立布置，淹沒出流，水中消能充分，水流溢出水池，流態較好；錐形閥向下45°布置，自由出流，空中擴散摻氣，出流壓向水墊，消能效果較套筒閥相對弱一些。

綜合考慮2種閥體方案，套筒閥采用淹沒式出流，消能效果好，且制造質量穩定，推薦選用套筒閥方案。

6 結 論

(1) 由于導流泄放洞和豎井式溢洪道獨立參與調洪，兩者運行不沖突，根據地形地質條件，將導流泄放洞出口置于溢洪道出水渠中部，縮短了導流泄放洞長度，降低了隧洞開挖風險，節省工程投資。

(2) 根據下庫導流泄放洞泄流能力對洪水期發電影響分析成果，為盡量減少洪水對電站發電運行的影響，下水庫設置導流泄放洞參與泄洪是必要的。

(3) 導流泄放洞泄量為20 m3/s或23.01 m3/s方案，對電站發電運行影響較小，具備可行性。綜合考慮，選擇導流泄放洞最大泄量為20 m3/s。

(4) 設計流量減小至20 m3/s后，可選用套筒閥或錐形閥方案。采用套筒閥直立布置方案，淹沒式出流，消能效果較好。