陳　凌

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

抽水蓄能電站的沖溝處理方案研究

陳凌

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

摘要：對水電水利工程而言，建筑物的選址是一個(gè)首要問題。近年來，隨著國內(nèi)電站的大規(guī)模興建，時(shí)常會難以避免的選擇在沖溝影響區(qū)。為了避免在雨季或洪水期山洪對建筑物的影響，必須對沖溝影響區(qū)進(jìn)行處理，要求能夠及時(shí)有效地排除洪水而又不能對天然河道產(chǎn)生大的破壞。結(jié)合安徽境內(nèi)某抽水蓄能電站工程，針對沖溝處理的方式及選擇，進(jìn)行了詳細(xì)的分析設(shè)計(jì)以及討論。圖4幅，表2個(gè)。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站；沖溝；隧洞；明挖；過流能力

1概述

某抽水蓄能電站位于安徽省境內(nèi)，電站最大凈水頭為367.2 m，平均凈水頭為335.4 m，為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，裝機(jī)容量1 200 MW(4×300 MW)。樞紐工程主要建筑物由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房和地面開關(guān)站等組成。

下水庫的庫區(qū)岸坡植被發(fā)育，覆蓋層及全風(fēng)化層主要分布于近壩段庫區(qū)，其次是庫內(nèi)小沖溝溝口兩岸，分布高程多在正常蓄水位以下。

下庫進(jìn)/出水口上部正對著王灣溝沖溝，王灣溝為小河灣溝的支流，常年流水，雨季流量較大，歷史上不曾發(fā)生過泥石流，但洪水期小河灣溝及兩岸部分沖溝會有固體顆粒被帶入庫內(nèi)。為保證電站的運(yùn)行，需要對沖溝采取必要的處理措施，保證下庫進(jìn)/出水口的正常運(yùn)行。

2洪水標(biāo)準(zhǔn)

本工程為Ⅰ等大(1)型工程，上、下水庫擋水及泄洪建筑物、輸水發(fā)電系統(tǒng)建筑物、地面開關(guān)站等主要建筑物為1級建筑物，次要建筑物為3級建筑物。

溝水處理建筑物的級別應(yīng)該按照3級建筑物考慮，而洪水標(biāo)準(zhǔn)則根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)為100～50年標(biāo)準(zhǔn)，校核為2 000～1 000年標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到溝水處理是保護(hù)下庫的進(jìn)/出水口安全運(yùn)行，可將保護(hù)進(jìn)水口功能建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到與進(jìn)水口建筑物級別等同。進(jìn)水口建筑物為主要建筑物，建筑物級別為1級，故洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按規(guī)范為1 000～500年標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)規(guī)范，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)：土石壩為可能最大洪水(PMF)或10 000～5 000年標(biāo)準(zhǔn)，混凝土壩、漿砌石壩為5 000～2 000年標(biāo)準(zhǔn)。因進(jìn)水口為混凝土結(jié)構(gòu)，洪水漫頂不致發(fā)生重大事故，可按照混凝土壩和漿砌石壩的洪水校核標(biāo)準(zhǔn)，定為5 000～2 000年標(biāo)準(zhǔn)。

考慮到溝水處理為3級建筑物，可取為1 000年洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2 000年洪水標(biāo)準(zhǔn)校核。由水文專業(yè)提供資料，按以下標(biāo)準(zhǔn)中的1 000年洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、2 000年洪水標(biāo)準(zhǔn)校核(見表1)：

表1　下庫引水進(jìn)口T2斷面設(shè)計(jì)洪水成果

設(shè)計(jì)洪水流量為51.3 m3/s，校核洪水流量為56.2 m3/s。

3泄洪方案

王灣溝溝水處理過水隧洞(或明渠)布置于王灣溝大轉(zhuǎn)彎處，隧洞沿線覆蓋層淺薄，一般<1 m。進(jìn)洞口處王灣溝左岸稍厚，厚約1.0～2.0 m，主要為殘坡積粘土質(zhì)砂夾碎石，結(jié)構(gòu)松散；全強(qiáng)風(fēng)化不發(fā)育，在進(jìn)口處王灣溝左岸及山脊分布，全風(fēng)化一般厚約1.0～3.5 m，強(qiáng)風(fēng)化一般厚約0.5～1.0 m。

采用引流方案，將沖溝處的水排至下游，可供選擇的方案有：豎井+平洞方案，斜井+出口泄槽方案，明渠+變坡度泄槽方案。

3.1　豎井+平洞方案

采用圓形豎井+平洞的方案，排出沖溝內(nèi)的水。其中豎井為圓形截面，內(nèi)徑為4 m，襯砌厚度0.5 m；平洞采用城門洞型，坡度1.5%，洞身首端15 m長度采用擴(kuò)挖型式，襯后截面尺寸為3 m×7.1 m城門洞型，襯砌厚度0.5 m，后部漸變?yōu)橐r后截面尺寸3 m×5 m城門洞型，襯砌厚度0.5 m。

平洞出口段設(shè)置18.9 m的泄槽，與原地形相接，自然跌落進(jìn)入原沖溝，順沖溝流入下游河道。

本方案的消能方式為豎井的跌落消能，豎井與平洞交叉口下部有12 m深的水墊消力井，可減少跌落水對井底的沖擊(見圖1)。

圖1豎井+平洞方案示意

3.2　斜井+出口泄槽方案

在進(jìn)口處設(shè)置1個(gè)漏斗狀集水坑，并在集水坑靠下游河道側(cè)設(shè)置進(jìn)水口，為保證進(jìn)口處的過流能力，在進(jìn)水口采用擴(kuò)挖型式，襯后截面尺寸為3 m×8.8 m城門洞型，襯砌厚度0.5 m，后部漸變?yōu)橐r后截面尺寸3 m×5 m城門洞型，襯砌厚度0.5 m。為盡可能的消能，考慮采用臺階式斜面，臺階尺寸原則采用1 m高度臺階(參照大朝山工程寬尾墩臺階式溢流壩面消能方式)，寬度為2.34 m。在出口處則采用泄槽水平出流，跌落消能方式(見圖2)。

圖2斜井+出口泄槽方案示意

3.3　明渠+變坡度泄槽方案

在進(jìn)口處設(shè)置1個(gè)漏斗狀集水坑，并在集水坑靠下游河道側(cè)設(shè)置進(jìn)水口，后接明渠，明渠坡度采用10%，明渠尾部接泄槽，坡度自上而下分別為1∶10、1∶1.25、1∶3.3，泄槽尾部與沖溝自然銜接，水流沿沖溝流入下游河道。變坡處采用圓弧相接，圓弧半徑25 m(見圖3)。

圖3明渠+變坡度泄槽方案示意

4過流能力計(jì)算及隧洞斷面設(shè)計(jì)

4.1　方案1過流能力計(jì)算及隧洞斷面設(shè)計(jì)

4.1.1豎井過流能力計(jì)算

方案1的豎井為自由跌落，且有平洞通氣，所以豎井的泄流能力實(shí)際上可看成短管在大氣中的自由出流，則可以由公式：

根據(jù)謝才公式和達(dá)西—魏斯巴哈公式結(jié)合，并參照曼寧公式和謝才系數(shù)，可以求出：

Q=291.5 m3/s

實(shí)際上，校核洪水流量為56.2 m3/s，遠(yuǎn)小于豎井的實(shí)際過流能力，故豎井的過流能力滿足要求。

4.1.2平洞過流能力驗(yàn)算

針對隧洞的過流能力，分為長洞和短洞兩種不同的情況。水力學(xué)中把洞長不影響過水能力的隧洞稱為“短洞”，洞長影響過水能力的隧洞稱為“長洞”。本工程隧洞為短洞。

由于短洞的泄流能力不受洞長影響，進(jìn)口水流為寬頂堰流，故可按下式進(jìn)行計(jì)算：

可以計(jì)算出上游水頭(不包括行進(jìn)流速)：H=4.476 m，故隧洞段的高度應(yīng)不低于4.476 m高度。

4.1.3平洞斷面設(shè)計(jì)

對于低流速無壓隧洞，洞內(nèi)水面線以上的空間不宜小于隧洞斷面積的15%，其高度不應(yīng)小于0.4 m。隧洞應(yīng)避免出現(xiàn)明滿流交替的不利現(xiàn)象。

根據(jù)計(jì)算，平洞首端的高度應(yīng)不小于4.476 m，上游部分會產(chǎn)生一定的水面雍高，故本方案對上游部分洞段適當(dāng)加高，選取3 m×7.1 m城門洞型。

收縮斷面離開進(jìn)口的距離，按照以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

l進(jìn)=32(0.385-m)H

并結(jié)合能量方程，由上游至收縮斷面列出能量方程，可計(jì)算出收縮斷面的水深，H水深處為斷面l-l，hc處為斷面c-c(見圖4)，有如下能量方程：

圖4平洞斷面設(shè)計(jì)計(jì)算示意

可計(jì)算出hc值，由hc值再根據(jù)明渠非均勻漸變流的水面曲線計(jì)算式，計(jì)算得出短洞的水面曲線。

水面曲線是最終趨向于均勻流的，可取正常水深h0與hc值兩者中的大值。由均勻流公式可算出均勻流的水深為h0=2.287 m，流速為v0=8.191 m/s。考慮需盡量使水面線在直墻范圍內(nèi)，故隧洞后段選用3 m×5 m城門洞型。

4.2　方案2過流能力計(jì)算及隧洞斷面設(shè)計(jì)

4.2.1斜井過流能力驗(yàn)算

由地形線擬定斜井的坡度：從平面來看，要將沖溝流向下庫進(jìn)/出水口的水流從中截?cái)?，?dǎo)排至下游沖溝處。故可擬定出沖溝的坡度為1∶2.34。

此坡度為陡坡隧洞，計(jì)算水面線可將首部水面深度確定為臨界水深，再由明渠非均勻漸變流水面曲線的能量公式推求水面線。

按照明渠均勻流進(jìn)行計(jì)算：

可算得：h0=0.67 m，此為末端接近均勻流的正常水深。故可以得出如下結(jié)論：首端的水面深為臨界水深hk=3.295 m，末端接近于均勻流，為h0=0.67 m，流速為v0=27.96 m/s。

4.2.2斜井?dāng)嗝嬖O(shè)計(jì)

為方便施工，隧洞斷面不可過小，考慮到?jīng)_溝水流會夾有大量泥沙，防止淤堵影響斷面過流，且要保證水面線上部通氣順暢，故要考慮一定的超高裕量。最終確定斜井?dāng)嗝鏋? m×5 m城門洞型。

4.3　方案3過流能力計(jì)算及隧洞斷面設(shè)計(jì)

4.3.1明渠過流能力驗(yàn)算

先判斷坡度為陡坡還是緩坡?？蓞⒄?.1.2節(jié)內(nèi)容，不同的是此斷面為梯形斷面，左右側(cè)邊坡坡度為1∶0.5?？捎?jì)算出臨界水深hc=2.799 m，臨界坡度ic=0.002 8，故本坡度為陡坡。

將首部水面深度確定為臨界水深，再由明渠非均勻漸變流水面曲線的能量公式推求水面線。參照4.2.1節(jié)內(nèi)容，可以推算出首端的水面深為臨界水深hk=2.799 m，末端接近于均勻流，為h0=0.956 m，流速為v0=16.90 m/s。

4.3.2明渠設(shè)計(jì)

為保證水流有一定的超泄能力，且根據(jù)水面線計(jì)算結(jié)果，以及邊坡穩(wěn)定，將明渠斷面形式設(shè)置為：左右岸邊坡(10 m高度內(nèi))坡度為1∶0.5，其中3.5 m高為混凝土襯護(hù)，以上為噴混凝土襯護(hù)，10 m邊坡以上采用1∶0.75和1∶1坡度，每10 m和20 m設(shè)置一級馬道，馬道寬2 m。

下游側(cè)則采用了順實(shí)際地形坡度放坡的形式，僅作混凝土底板與邊墻的襯護(hù)，底板寬3 m，左右邊墻高度3.5 m，邊墻坡度為1∶0.5。自上至下根據(jù)現(xiàn)有地形線，采用1∶2.5、1∶3.3的坡度，變坡處以圓弧相接。

5各方案比選及結(jié)論

5.1　各方案優(yōu)缺點(diǎn)

方案一：采用豎井+平洞方案。可以將泥沙沉積于井底，而不影響過流，且沖刷僅針對豎井段，平洞段的流速相對較低，不至于大范圍沖刷平洞段以及下游出口段。但隨著常年水流的作用，豎井底部會導(dǎo)致大量淤積，需定期安排清理。

方案二：斜井+出口泄槽方案。斜井段采用坡度較大的斜洞，流速較大，校核流量時(shí)在隧洞出口處，將達(dá)到28 m/s的高流速，即使做了跌坎消能，也并不能起到明顯作用。此時(shí)會帶來在洞內(nèi)的一系列高速水流的問題：沖刷和氣蝕，后期會帶來檢修等問題。出口處因?yàn)樗髁魉佥^高，會產(chǎn)生挑流，對水流跌落點(diǎn)產(chǎn)生一定的沖刷作用，產(chǎn)生較大的水霧，兩種作用均會帶來邊坡的穩(wěn)定問題；且在泄洪的過程中，有可能會有大的石塊卡住洞身段，影響泄流。

方案三：明渠+變坡度泄槽方案。此方案開挖量較大，投資均在方案一和方案二之上，但此方案超泄能力較強(qiáng)，不易受到淤堵而影響泄流。上段的坡度較緩，末端的水流流速達(dá)到16.9 m/s，并不會產(chǎn)生明顯的高流速?zèng)_刷和氣蝕問題。水流隨泄流明渠流向下游泄槽，由下游泄槽引導(dǎo)水流至下部沖溝處，因泄槽坡度較陡，不會產(chǎn)生明顯的淤積。存在的問題是，上部的明渠段坡度較緩，可能產(chǎn)生一定的淤積，雖然明渠高度較高，不至影響泄流，但會產(chǎn)生上游段的水面雍高，由于此段明渠段仍界定為陡坡，故雍高不會過于明顯，影響范圍有限。

5.2　各方案可比投資

各方案綜合比較如下所示(見表2)。

表2　各方案綜合比較成果

注：因本工程比較方案中隧洞的埋深較淺，故隧洞支護(hù)量比重較大，導(dǎo)致明渠方案的投資較??；在較大埋深情況下，明渠方案開挖明顯增加，而隧洞支護(hù)量并未有較大改變，則可能導(dǎo)致明渠方案投資更高。

6結(jié)語

隨著電站項(xiàng)目的日益增多，選址問題有時(shí)會難以避免沖溝的影響。為保證建筑物的穩(wěn)定運(yùn)行，選擇合適的沖溝處理方案也成為設(shè)計(jì)者應(yīng)該考慮的重要問題。

對于資金有限且地形受限的工程，沖溝宜選擇與洪水標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)的排水洞方式，保證洪水期的洪水能夠安全排出，且不至?xí)休^多的檢修情況。

對于工程區(qū)范圍泥沙較少的情況，可采用豎井+平洞方案，可以保證泄流以及減少高流速等問題。

對于淺埋且分部工程占總投資較小的情況，宜選用明渠+泄槽方案，可明顯減少檢修次數(shù)，從而保證臨近建筑物的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]DL 5180—2003，水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]林繼鏞.水工建筑物:第5版[M].北京：水利水電出版社，2009.

[3]全國勘察設(shè)計(jì)注冊工程師水利水電工程專業(yè)管理委員會，中國水利水電勘測設(shè)計(jì)協(xié)會.水利水電工程專業(yè)基礎(chǔ)知識[M].鄭州：黃河水利出版社，2007.

[4]李煒.水力計(jì)算手冊:第二版[M]. 北京：水利水電出版社，2006.

[5]DL/T 5195—2004，水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]DL/T 5166—2002，溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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責(zé)任編輯吳昊

作者簡介：陳凌(1982-)，男，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程方面的研究工作。

收稿日期：2015-10-21

E_mail：chen_l25@ecidi.com