席偉彥，周開濤，趙海鏡，戴 莉

(1.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761)

抽水蓄能電站下水庫的防洪設(shè)計，需考慮上水庫水體在發(fā)電下泄時產(chǎn)生的洪水。對于有綜合利用要求的抽水蓄能電站下水庫，需要根據(jù)電站建設(shè)后的運(yùn)行要求及洪水調(diào)節(jié)計算成果，在確保下游地區(qū)防洪安全和大壩安全以及抽水蓄能電站正常運(yùn)行的前提下，研究制定電站建成后下水庫的調(diào)度運(yùn)行方式并確定擋水建筑物高程。

目前，在抽水蓄能電站的具體運(yùn)行調(diào)度[1-4]、以增大綜合效益中的一項或幾項為目標(biāo)的調(diào)度運(yùn)行方式[5-8]、尋求水庫補(bǔ)水與排沙協(xié)調(diào)關(guān)系的抽水蓄能電站水沙優(yōu)化調(diào)度[9]等方面已有一定的研究進(jìn)展，而對有綜合利用要求的已建抽水蓄能電站下水庫防洪設(shè)計方法進(jìn)行系統(tǒng)探討的成果尚不多見。本文以某典型抽水蓄能電站為例，對有綜合利用要求的抽水蓄能電站下水庫防洪設(shè)計方法進(jìn)行探討。

1 工程概況

山東省某抽水蓄能電站裝機(jī)容量1 200 MW(4×300 MW)，滿發(fā)利用小時5 h，電站建成后在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)。上水庫正常蓄水位628.00 m，死水位598.00 m；下水庫正常蓄水位289.00 m，死水位266.00 m。為保證抽水蓄能電站正常發(fā)電，在下水庫內(nèi)設(shè)置抽水蓄能電站保證發(fā)電庫容，相應(yīng)保證發(fā)電水位為273.50 m。下水庫利用的已建水庫是一座以防洪、灌溉為主，兼有養(yǎng)殖、發(fā)電等綜合利用的中型水庫，控制流域面積154 km2，現(xiàn)狀正常蓄水位289.00 m，死水位266.00 m，汛期限制水位284.50 m，防洪高水位為290.46 m，屬多年調(diào)節(jié)水庫。

2 設(shè)計洪水

2.1 下水庫設(shè)計洪水

抽水蓄能電站所在河流上無水文站。根據(jù)《山東省小型水庫洪水核算辦法(試行)》和《山東省大、中型水庫防洪復(fù)核洪水計算辦法》的規(guī)定，采用瞬時單位線法、推理公式法計算電站下水庫設(shè)計洪水，采用推理公式法計算電站上水庫的設(shè)計洪水，計算得到的設(shè)計洪水成果和已建水庫除險加固階段設(shè)計洪水成果相差不大。經(jīng)過與鄰近流域及山東省其他水電站設(shè)計洪水成果進(jìn)行比較及合理性分析，本階段采用已建水庫除險加固階段設(shè)計洪水成果(見表1)。

表1 下水庫設(shè)計洪水成果

2.2 上水庫設(shè)計洪水

電站上水庫流域面積較小，建庫后上水庫集雨面積為0.34 km2。依據(jù)本地區(qū)設(shè)計點(diǎn)雨量，采用推理公式法計算天然設(shè)計洪峰流量、降雨徑流關(guān)系法推算天然設(shè)計洪量，成果見表2。

表2 上水庫設(shè)計洪水成果

3 洪水調(diào)節(jié)計算分析

3.1 洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

(1)工程等別。工程裝機(jī)容量為1 200 MW，根據(jù)GB50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》和DL5180—2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》，初步確定本工程為一等工程、大(1)型規(guī)模。

(2)建筑物等別。工程永久性主要建筑物(包括上水庫擋水建筑物、下水庫擋水及泄水建筑物、輸水系統(tǒng)主要建筑物、地下廠房等)為1級建筑物，永久性次要建筑物(進(jìn)廠交通洞、通風(fēng)兼安全洞等)為3級建筑物，臨時性建筑物為4級建筑物。永久性主要建筑物邊坡為A類樞紐工程區(qū)邊坡，邊坡級別為Ⅰ級；永久性次要建筑物邊坡為A類樞紐工程區(qū)邊坡，邊坡級別為Ⅱ級。

(3)洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。電站裝機(jī)容量1 200 MW，永久性壅水、泄水建筑物級別為1級，而上、下水庫庫容較小，工程失事后對下游危害不大，根據(jù)GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》及DL 5180—2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，壅水、泄水建筑物的洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)電站廠房的級別確定。因此確定上水庫和下水庫壅水建筑物、下水庫泄水建筑物、輸水系統(tǒng)和廠房系統(tǒng)涉及防洪的主要建筑物的設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000年一遇。下游消能防沖建筑物按100年一遇洪水設(shè)計。

3.2 調(diào)洪原則

(1)下水庫調(diào)洪計算采用壩址天然洪水，采用靜態(tài)庫容，不考慮預(yù)報預(yù)泄。

(2)考慮下水庫在水位283.50 m以下沒有泄洪設(shè)施，來水量只能蓄在下水庫；在水位283.50 m以上時才可以通過溢洪道下泄水量，起調(diào)水位宜高于283.50 m。2011年，考慮下游的防洪及其他要求，有關(guān)文件明確該已建水庫從2012年起調(diào)整汛期限制水位為284.50 m。目前，該水庫在汛期均按照這一水位運(yùn)行。近年來，水庫下游發(fā)生了較大變化，該水位的設(shè)置主要是考慮下游防洪要求，且對抽水蓄能電站的專用庫容沒有影響。抽水蓄能電站建成后不改變水庫原汛期限制水位，洪水調(diào)節(jié)的最低起調(diào)水位采用284.50 m。當(dāng)發(fā)電運(yùn)行水量800萬m3全部在下水庫。即，上水庫水位為死水位598.00 m時，由下水庫水位～庫容曲線可得下水庫水位為287.50 m。因此下水庫洪水調(diào)節(jié)的起調(diào)水位為284.50～287.50 m的任何可能水位。

(3)根據(jù)已建水庫除險加固工程初步設(shè)計報告，為保障水庫下游村民2 400余人的生命財產(chǎn)安全，當(dāng)遭遇20年一遇以下洪水時，水庫泄量不超過500 m3/s。據(jù)此確定該已建水庫的防洪高水位為290.46 m，當(dāng)水庫水位超過防洪水位290.46 m時水庫敞泄。

(4)考慮系統(tǒng)調(diào)峰運(yùn)行的要求，該抽水蓄能電站下水庫洪水調(diào)節(jié)時考慮機(jī)組發(fā)電流量在不同時段與洪水疊加的工況；隨著天然洪水進(jìn)入下水庫，應(yīng)及時開閘泄洪，泄放入庫洪水，嚴(yán)格控制下水庫水位，保證抽水蓄能電站正常發(fā)電，也可避免發(fā)電水量超泄及人造洪峰現(xiàn)象。

(5)為避免對下游造成人造洪水，洪水調(diào)節(jié)過程中，在洪峰到來之前，下泄流量不大于入庫洪水流量；洪峰之后，下泄流量不大于洪峰流量。

3.3 下水庫洪水調(diào)節(jié)計算成果

該抽水蓄能電站下水庫洪水位通過電站發(fā)電與洪水過程疊加分析確定，即考慮天然洪水與發(fā)電流量遭遇的情況，其中發(fā)電流量考慮5 h發(fā)電過程。

經(jīng)洪水調(diào)節(jié)計算，20年一遇、設(shè)計和校核標(biāo)準(zhǔn)下選取不同洪水與發(fā)電過程組合后發(fā)生的最高庫水位分別為290.00、291.30 m和292.20 m(見表3)。

表3 下水庫洪水調(diào)節(jié)成果

3.4 對庫區(qū)淹沒范圍的影響分析

調(diào)洪計算結(jié)果顯示，原已建水庫100年一遇設(shè)計洪水位為290.62 m，抽水蓄能電站建成后下水庫設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提高到200年一遇，設(shè)計洪水位為291.30 m；原已建水庫1 000年一遇校核水位為292.10 m，本次計算由于發(fā)電下泄流量疊加，水位為292.20 m。發(fā)生20年一遇洪水時，按現(xiàn)狀的調(diào)度方式計算的20年一遇洪水位為290.00 m，低于除險加固報告中的20年一遇洪水位290.46 m。

下水庫庫區(qū)電纜采用30年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，水庫移民采用20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，耕地采用5年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)調(diào)洪計算得到的壩前水位，對頻率為3.33%、5%、20%的洪水進(jìn)行回水計算，結(jié)果表明，抽水蓄能電站按以上調(diào)洪原則進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)，未增大原已建水庫庫區(qū)淹沒范圍。

3.5 擋水建筑物高程確定

已建水庫原設(shè)計水位為289.00 m，設(shè)計洪水位為290.62 m，校核洪水位為292.10 m。作為抽水蓄能電站下水庫后，根據(jù)下水庫調(diào)洪演算結(jié)果，下水庫正常蓄水位為289.00 m，設(shè)計洪水位為291.30 m，校核洪水位為292.20 m。由于設(shè)計洪水位與校核洪水位相比原嵩山水庫均略有提高，且建筑物級別提高，需對大壩壩頂高程進(jìn)行復(fù)核計算。經(jīng)計算確定下水庫大壩高程在原有292.50 m高程的基礎(chǔ)上加高1.00 m，為293.50 m。

4 水庫防洪調(diào)度運(yùn)行方式

4.1 已建水庫原防洪調(diào)度運(yùn)行方式

已建水庫汛期限制水位最高不應(yīng)超過284.50 m。當(dāng)水庫水位低于或等于20年一遇洪水位(290.46 m)時，控制泄量不大于500 m3/s；當(dāng)水庫水位高于20年一遇原洪水位(290.46 m)時，敞開閘門泄洪。在泄洪過程中，應(yīng)確保不對下游造成人造洪水。即，下泄流量不大于洪峰流量。

4.2 抽水蓄能電站建成后的水庫調(diào)度運(yùn)行方式

根據(jù)嵩山水庫原防洪調(diào)度方式，結(jié)合抽水蓄能電站建設(shè)后的運(yùn)行要求及洪水調(diào)節(jié)計算成果，在確保地區(qū)防洪安全、大壩安全、抽水蓄能電站正常運(yùn)行，盡可能不增大庫區(qū)淹沒范圍的前提下，制定以下防洪調(diào)度運(yùn)行方式。

4.2.1汛期

(1)上水庫水位為死水位598.00 m時，即抽水蓄能電站的發(fā)電水量全部在下水庫時，下水庫的最高蓄水位不能超過287.50 m。

(2)當(dāng)上水庫水位為正常蓄水位628.00 m時，即抽水蓄能電站發(fā)電水量全在上水庫時，下水庫水位不能超過284.50 m，下水庫水位超過284.50 m時需局部開啟溢洪道閘門泄放多余的水量，且泄放流量不能大于下游河道的安全行洪標(biāo)準(zhǔn)。

(3)當(dāng)下水庫水位低于或等于20年一遇防洪高水位(290.46 m)時，控制泄量不大于500 m3/s；當(dāng)水庫水位高于20年一遇防洪高水位(290.46 m)時，敞開閘門泄洪；以確保不對下游造成人造洪水，即下泄流量不大于洪峰流量。

(4)當(dāng)下水庫水位超過設(shè)計洪水位291.30 m時，電站應(yīng)立即停止發(fā)電。

4.2.2非汛期

當(dāng)上水庫水位為正常蓄水位628.00 m時，下水庫正常蓄水最低蓄水位不能低于266.00 m；當(dāng)上水庫水位為死水位598.00 m時，下水庫正常蓄水最低蓄水位不能低于273.50 m，以保證蓄水量能滿足抽水蓄能電站5 h的發(fā)電水量。

當(dāng)上水庫水位為正常蓄水位628.00 m時，下水庫正常蓄水最高蓄水位不能高于286.20 m；當(dāng)上水庫水位為死水位598.00 m時，下水庫正常蓄水最高蓄水位不能高于289.00 m，以保證下水庫的工程安全和抽水蓄能電站的發(fā)電庫容要求。

5 結(jié) 語

本文以某典型抽水蓄能電站為例，對有綜合利用要求的抽水蓄能電站下水庫防洪設(shè)計方法進(jìn)行了探討，總結(jié)出如下幾點(diǎn)體會，供同類工程參考。

(1)考慮上水庫發(fā)電下泄洪水，制定合理的防洪調(diào)度運(yùn)行方式。原則是既要保證下水庫本身的防洪安全，又要兼顧下水庫興利利用；還要保證大壩下游防護(hù)對象在發(fā)生防洪標(biāo)準(zhǔn)以下洪水時的安全。

(2)對于下水庫為已建水庫的情況，為不增大水庫移民投資，在制定調(diào)度原則進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)計算時，還要考慮后續(xù)的回水計算結(jié)果，盡可能不增大庫區(qū)淹沒范圍。

(3)根據(jù)調(diào)洪計算結(jié)果確定擋水建筑物高程，以確定是否需要對已建下水庫大壩進(jìn)行加高改建。