超大洪量的山谷干式貯灰場排洪系統設計方法

謝大軍

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

我國西南的云、貴、川地區大多數電廠貯灰場都是山谷型干式貯灰場，其特點是流域面積大、山洪量大、高差大，其中貴州發耳電廠大荒地灰場和習水二郎電廠小溪溝灰場就是典型的代表，本文通過大荒地灰場設計實例，分析和總結了山谷干式貯灰場排洪系統設計方法，為今后超大洪量的山谷型干式貯灰場排洪系統設計提供思路和方法，以提高設計技術水平，提高設計效率，縮短設計工期，達到事半功倍的效果。

1 發耳電廠大荒地灰場排洪系統設計

1.1 大荒地灰場概況

發耳電廠位于貴州省六盤水市水城縣發耳鄉，貯灰場為大荒地灰場，電廠4×600 MW機組按設計煤種計算的年灰渣和石膏量約為215萬t。灰渣和石膏均采用汽車運輸至灰場碾壓貯放。灰渣堆放采用自下而上的堆灰方式，灰場規劃最終堆灰高程1 165 m，總庫容約為3 800萬m3。

1.2 灰場自然條件

大荒地灰場位于發耳鄉灣河南岸，距電廠直線距離約1.5 km。地貌為構造剝蝕中低山斜坡構成的山間斜坡谷地，谷地底部為巖腳寨小河。沿巖腳寨小河河谷兩側及斜坡地帶為第四系殘坡積層，下伏基巖為龍潭組砂、泥巖夾煤線及峨眉山玄武巖。場地區域地質穩定，成庫條件較好，適宜建庫。

灰場地表水系較發育，主要由三條沖溝匯入溝谷，經溝口排入灣河，灰場流域面積16.142 km2, 山洪成果見表1所列。

表1 大荒地灰場設計山洪成果表

1.3 灰場排洪系統設計方案

大荒地灰場山洪量大、高差大。作為超大洪量的山谷干式貯灰場，設計考慮的是要保證干灰場的基本運行條件，正常情況下，灰場內基本是無水狀態，即使有雨，也可通過庫內灰渣吸水，以及自然蒸發，保持場內處于相對的干式運行環境。而在洪(雨)季節，庫內也不能有大量洪(雨)水進入，應使場內保持處于相對的干式運行環境，否則，大量洪(雨)水進入灰場，將改變灰場運行環境，對灰渣堆放和灰渣子壩的加高造成影響，并有可能造成洪水翻越灰渣壩體，垮壩，產生泥石流的嚴重事故。因此，設計方案首先應考慮如何攔截和排泄洪水，以改善灰場運行條件，確保灰場安全運行。按照DL/T 5339—2018《火力發電廠水工設計規范》等規范，灰場排洪設計方案設想：因灰場庫尾匯水面積大，且庫尾來洪量占全灰場的86%以上，為攔截洪水，擬在灰場尾部修建攔洪壩，使灰場尾部來水不進入灰場內，而通過排洪臥管－消力池直接出灰場外。同時，在灰場最終堆灰標高以上，設置場外截洪溝；另外，鑒于灰場本身范圍內匯水量也較大，場內再設置另外一套排洪系統，以組成灰場的立體式攔排洪系統，保證灰場的干式運行環境。

1.3.1 灰場排洪系統設計標準

按照DL/T 5339—2018《火力發電廠水工設計規范》[1]的要求，干灰場的設計標準如表2所列。根據灰場規劃布置圖、灰場庫容曲線初步擬定灰場攔洪壩壩高，排洪臥管管徑，然后通過調洪演算來驗證擬定的排洪系統布置、排水形式、攔洪壩壩高及排洪臥管管徑的安全性和經濟性，如不合理則調整擬定的形式及尺寸，再進行調洪演算，直至達到滿足要求。

表2 山谷灰場灰壩設計標準

按照上述標準，大荒地排洪系統設計標準確定為：按洪水重現期100 a設計，洪水重現期500 a校核。根據規范，場外截洪溝設計標準為：按洪水重現期10 a設計。

1.3.2 攔洪壩壩高與排洪臥管直徑優化研究

大荒地灰場庫尾攔洪壩后的匯水面積占整個灰場匯水面積的86%以上，因此，場外排洪系統(攔洪壩－排洪臥管－消力池)的設計是關鍵，為降低工程初期投資，需要對攔洪壩壩高和排洪臥管管徑進行優化設計。為了優化壩高與臥管管徑，需進行調洪計算，以排洪臥管管徑為參照，計算不同排洪臥管直徑相應的水庫最高洪水位和相應的攔洪壩壩高。

1.3.2.1 調洪計算原理及方法

排洪臥管水流流態呈現三種類型，即明流、半壓力流、壓力流，流態不同排洪臥管泄洪流量的計算則不同。

1)排洪臥管泄流流量Q計算公式

明流狀態：即H/D＜1.2，按寬頂堰算：

式中：H為堰上水頭，m；D為臥管管徑，m；g為重力加速度；m為流量系數；σs為淹沒系數；b為臥管進口寬度，m。

半壓力流狀態：即當 1.5≥H/D≥1.2，按明滿流水流計算：

式中：a為折減系數，取0.73；μ為流量系數，取0.59；W為臥管面積，m2。

壓力流狀態：即當H/D＞1.5，按壓力流計算：

式中：Z為庫水位與臥管出口高程差，m；h=D/2，m。

2) 調洪計算水量平衡方程計算：

式中：QF為時段初的洪水流量，m3/s；QFP為時段末的洪水流量，m3/s；Q為臥管時段初的泄洪流量，m3/s；QP為臥管時段末的泄洪流量，m3/s；VR為時段初水庫蓄水量，m3；VRP為時段末水庫蓄水量，m3；Δt為時間間隔，s。

上述水量平衡方程式中僅時段末的臥管泄流量QP和水庫蓄水量VRP為未知量，然而這兩個未知量都是時段末水庫水位ZRP的函數，采用迭代方法可同時計算出未知量ZRP、QP和VRP。

1.3.2.2 調洪計算成果

根據以上調洪計算公式計算可知，當采用明流方式泄洪時，至少需要2根D=6.0 m的排洪臥管，顯然極不經濟，應采用有壓流泄洪方式；經試算，當采用有壓流泄洪方式時，壩高與臥管管徑的匹配關系如下：

方案A：攔洪壩壩高H=12 m，匹配排洪臥管(1根)管徑D=5.0 m。

方案B：攔洪壩壩高H=20 m，匹配排洪臥管(1根)管徑D=4.5 m。

方案C：攔洪壩壩高H=30 m，匹配排洪臥管(1根)管徑D=4.0 m。

方案D：攔洪壩壩高H=35 m，匹配排洪臥管(1根)管徑D=3.5 m。

1.3.2.3 攔洪壩壩高與排洪臥管直徑優化結果

場外排洪系統經調洪演算和技術經濟比較后，其優化計算結果見表3所列。

表3 大荒地灰場場外排洪系統設計方案技術經濟表

綜合以上計算結果，方案B最為有利。優化后，攔洪壩壩頂標高初步確定為1 120 m，最大壩高約20 m，壩長約55 m，攔洪壩采用塊石混凝土重力壩；排洪臥管采用現澆鋼筋混凝土圓管，管徑D=4.5 m。

1.3.3 灰場排洪系統水工模型試驗研究

大荒地灰場屬于典型的山區河流溝谷，洪峰流量和洪水總量都巨大(當洪水重現期為100 a一 遇 時，Q=244 m3/s，W= 84.7×104m3)。高差大(H=80 m)，洪水的排泄對灰場影響很大，為保證發耳電廠貯灰場排洪設施安全運行，必須了解清楚排洪臥管的水力流態、內壓、沖刷、消能情況，優化管徑和攔洪壩壩高，以便準確地進行設計，因此，進行貯灰場排洪系統水工模型試驗研究是十分必要的。

灰場排洪系統水工模型試驗需要解決的具體關鍵技術問題和內容如下：

1)優化并確認攔洪壩壩高和排洪臥管的關系；

2)研究并提供在不同洪水水位時排洪臥管內的水力流態、內水壓、泄流能力、沖刷、空蝕等情況，提出工程處理措施；

3)提出排洪臥管進口段保證泄洪平順的工程措施；

4)研究并提出場內、場外排洪臥管合并的可行性，并保證排洪臥管的洪水不得經由豎井最低進水窗口溢出至灰場內；

5)優化并確認排洪臥管出口段消能措施，提供消力池幾何尺寸及優化方案，檢驗消力池消能效果；

6)提供高速水流對結構的要求。

試驗先后完成了數模計算和物模試驗，并針對試驗中發現的問題進行了修改－優化－試驗，其試驗研究最終結果為：排洪系統選擇D=4.5 m管徑的有壓臥管的泄流能力能滿足設計要求，是合適的。

1.3.4 灰場排洪系統設計工程措施

根據灰場排洪系統水工模型試驗研究成果，為了改善排洪臥管的水力流態，消除臥管內負壓、渦漩等不良現象，滿足消能要求，施工圖設計采取工程措施：1)根據排洪臥管全段水壓分布值，場內排洪豎井不宜與該臥管組成統一的排洪系統，否則，洪水可能通過該豎井排水窗口進入灰場內，所以，灰場排洪系統設計分為場外和場內兩套系統布置，場外排洪系統采用攔洪壩－有壓排洪臥管－消力池系統和場外截洪溝系統攔洪；場內排洪系統采用豎井－無壓排洪臥管－連接井和庫底排水盲溝系統；2)根據試驗修改方案，臥管縱向各轉折點的夾角控制在8°以內，以消除管底的負壓，改善臥管流態；3)在攔洪壩進水口前頂部增設了消渦結構，以減小進口立軸吸氣漩渦對排洪臥管流態的不利影響，消渦結構的尺寸按試驗成果確定；4)按試驗研究成果，減小了消力池平面尺寸，臥管出口段布置一段拋物線過渡段，避免在出口處形成淹沒出流，影響泄洪能力；消力池后水流速度較小，布置海漫過渡。

2 發耳電廠大荒地灰場排洪系統設計成果及應用

大荒地灰場排洪系統于2006年春季開工建設，至2008年春季完成，經歷了2個施工雨季考驗，施工基本順利，未發生任何大的事故。2009年雨季，發耳地區持續不間斷下雨48 h出現洪水重現期50 a的洪峰，灰場排洪系統發揮了巨大作用，大量洪水經攔洪壩攔截后，通過排洪臥管排至灰場外，場外最高洪水位距攔洪壩頂約10 m左右；洪水期間，灰場內安全運行環境良好，灰場內未發生洪水位超高和長期滯留情況。

本次洪峰后，受到灰場上游水土流失嚴重的影響，大量具有推移質的砂石在臥管底部表面以滾動、滑動、跳躍或層移方式運動，且顆粒較大，對臥管底部磨損破壞嚴重，臥管底部寬1.5 m左右范圍，混凝土被沖磨破壞厚度約0～200 mm，后采用C45以上高性能抗磨蝕混凝土材料進行了修補完善，對防撞系統進行了改造，增加攔渣低壩和攔渣網 。

現在大荒地灰場已安全運行多年，灰渣子壩已加高至第8級，最大堆灰標高已至1 136.00 m左右，最大高度約96 m。每年雨季，設計都要求電廠及時加強對排洪系統檢查和維護，清除淤堵物，發現異常情況，應及時記錄，提出檢測報告，并及時請相關單位評估，提出處理意見，及時修補破壞的排洪系統。目前，據電廠反饋情況，灰場排洪系統運行良好。

習水二郎電廠小溪溝灰場自然條件類似大荒地灰場，2013年開展施工圖設計時，灰場排洪系統設計參考和借鑒發耳電廠大荒地灰場排洪系統設計思路，并結合四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室所做的小溪溝灰場排洪系統水工模型試驗研究報告，灰場排洪系統仍然設置場外和場內兩套系統，場外排洪系統采用攔洪壩－排洪臥管－消力池系統和場外截洪溝系統攔洪，設計標準為：按洪水重現期100 a設計，500 a校核。攔洪壩采用C20塊石混凝土重力壩，排洪臥管采用C40以上高性能抗沖磨現澆鋼筋混凝土圓管，管徑D=3.0 m；消力池也采用現澆鋼筋混凝土結構，消力池按模型試驗成果，寬10 m，長35 m，深5.0 m設計。場外截洪溝仍按洪水重現期10 a的標準設計。

場內排洪系統采用排洪(水)豎井－排洪臥管－集水池(兼作消力池)－排水明溝系統設計。設計標準：按洪水重現期100 a設計，500 a校核。

習水二郎電廠小溪溝灰場于2016年投入使用，灰場排洪系統運行正常，穩定、安全，業主滿意。

3 超大洪量的山谷干貯灰場排洪系統設計思路和方法

發耳電廠大荒地灰場和習水二郎電廠小溪溝灰場均屬于超大洪量的山谷干式貯灰場，自然條件都是溝谷型地形，來洪量大，高差大。通過具體工程設計，總結、分析出超大洪量、高落差的山谷型干式貯灰場排洪系統一般性的設計思路和方法，并提出需要解決的問題和以后設計需要提高的內容。

超大洪量、高落差的山谷型干式貯灰場排洪系統設計思路和方法為：

1)灰場排洪系統宜設置場外和場內兩套排洪設施；

2)場外排洪系統宜設置攔洪壩—排洪臥管—消力池和截洪溝；

3)場內排洪系統宜設置排洪(水)豎井—排洪臥管—消力池；

4)山谷貯灰場選擇時，超大洪量基本可以不作為否定條件;

5)初步設計時，攔洪壩壩高和臥管管徑應通過調洪演算，進行技術經濟比較后確定;

6)施工圖開展前，宜先進行水工模型試驗研究，驗證確認攔洪壩壩高和排洪臥管管徑；研究臥管內的水力流態、內水壓、泄流能力、沖刷、空蝕、消能等情況，為施工圖設計提供依據和特殊工程措施；

7)由于排洪臥管直徑大，堆灰高度高，而且現階段無壓實灰渣和石膏拱效應理論研究和設計實例，因而設計的臥管壁厚較大，投資較高，建議以后應加大壓實灰渣和石膏拱效應理論研究和實踐，有效降低排洪臥管的工程投資；

8)對于水土流失嚴重的山區形河流貯灰場，當采用庫尾攔洪壩－排洪臥管的排洪方案時，在攔洪壩前，應設置防撞、防沖、攔渣設施，以減少塊石、砂礫對攔洪壩和排洪臥管的沖撞；

9)對于超大洪量、高落差，地形、地質條件復雜的山區形河流貯灰場，施工前應做好相應的施工措施和方案，并有相應的防洪、渡汛、塌方等意外的處理預案，保證施工順利進行。

4 結語

通過發耳電廠大荒地灰場和習水二郎電廠小溪溝灰場設計實例，結合灰場實際運行情況，分析和總結了超大洪量的山谷干式貯灰場排洪系統設計特點，解決了超大洪量的山谷型干式貯灰場排洪系統設計的技術難題，并提出了超大洪量的山谷型干式貯灰場排洪系統一般性的設計規律和方法，為今后超大洪量的山谷型干式貯灰場排洪系統設計提供思路，以達到提高設計技術水平和設計效率，縮短設計工期，達到事半功倍的效果。