抽水蓄能电站的冲沟处理方案研究

陈　凌

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

抽水蓄能电站的冲沟处理方案研究

陈凌

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

摘要：对水电水利工程而言，建筑物的选址是一个首要问题。近年来，随着国内电站的大规模兴建，时常会难以避免的选择在冲沟影响区。为了避免在雨季或洪水期山洪对建筑物的影响，必须对冲沟影响区进行处理，要求能够及时有效地排除洪水而又不能对天然河道产生大的破坏。结合安徽境内某抽水蓄能电站工程，针对冲沟处理的方式及选择，进行了详细的分析设计以及讨论。图4幅，表2个。

关键词：抽水蓄能电站；冲沟；隧洞；明挖；过流能力

1概述

某抽水蓄能电站位于安徽省境内，电站最大净水头为367.2 m，平均净水头为335.4 m，为日调节纯抽水蓄能电站，装机容量1 200 MW(4×300 MW)。枢纽工程主要建筑物由上水库、下水库、输水系统、地下厂房和地面开关站等组成。

下水库的库区岸坡植被发育，覆盖层及全风化层主要分布于近坝段库区，其次是库内小冲沟沟口两岸，分布高程多在正常蓄水位以下。

下库进/出水口上部正对着王湾沟冲沟，王湾沟为小河湾沟的支流，常年流水，雨季流量较大，历史上不曾发生过泥石流，但洪水期小河湾沟及两岸部分冲沟会有固体颗粒被带入库内。为保证电站的运行，需要对冲沟采取必要的处理措施，保证下库进/出水口的正常运行。

2洪水标准

本工程为Ⅰ等大(1)型工程，上、下水库挡水及泄洪建筑物、输水发电系统建筑物、地面开关站等主要建筑物为1级建筑物，次要建筑物为3级建筑物。

沟水处理建筑物的级别应该按照3级建筑物考虑，而洪水标准则根据规范设计为100～50年标准，校核为2 000～1 000年标准。考虑到沟水处理是保护下库的进/出水口安全运行，可将保护进水口功能建筑物的防洪标准提高到与进水口建筑物级别等同。进水口建筑物为主要建筑物，建筑物级别为1级，故洪水设计标准按规范为1 000～500年标准。根据规范，校核洪水标准：土石坝为可能最大洪水(PMF)或10 000～5 000年标准，混凝土坝、浆砌石坝为5 000～2 000年标准。因进水口为混凝土结构，洪水漫顶不致发生重大事故，可按照混凝土坝和浆砌石坝的洪水校核标准，定为5 000～2 000年标准。

考虑到沟水处理为3级建筑物，可取为1 000年洪水标准设计，2 000年洪水标准校核。由水文专业提供资料，按以下标准中的1 000年洪水标准设计、2 000年洪水标准校核(见表1)：

表1　下库引水进口T2断面设计洪水成果

设计洪水流量为51.3 m3/s，校核洪水流量为56.2 m3/s。

3泄洪方案

王湾沟沟水处理过水隧洞(或明渠)布置于王湾沟大转弯处，隧洞沿线覆盖层浅薄，一般<1 m。进洞口处王湾沟左岸稍厚，厚约1.0～2.0 m，主要为残坡积粘土质砂夹碎石，结构松散；全强风化不发育，在进口处王湾沟左岸及山脊分布，全风化一般厚约1.0～3.5 m，强风化一般厚约0.5～1.0 m。

采用引流方案，将冲沟处的水排至下游，可供选择的方案有：竖井+平洞方案，斜井+出口泄槽方案，明渠+变坡度泄槽方案。

3.1　竖井+平洞方案

采用圆形竖井+平洞的方案，排出冲沟内的水。其中竖井为圆形截面，内径为4 m，衬砌厚度0.5 m；平洞采用城门洞型，坡度1.5%，洞身首端15 m长度采用扩挖型式，衬后截面尺寸为3 m×7.1 m城门洞型，衬砌厚度0.5 m，后部渐变为衬后截面尺寸3 m×5 m城门洞型，衬砌厚度0.5 m。

平洞出口段设置18.9 m的泄槽，与原地形相接，自然跌落进入原冲沟，顺冲沟流入下游河道。

本方案的消能方式为竖井的跌落消能，竖井与平洞交叉口下部有12 m深的水垫消力井，可减少跌落水对井底的冲击(见图1)。

图1竖井+平洞方案示意

3.2　斜井+出口泄槽方案

在进口处设置1个漏斗状集水坑，并在集水坑靠下游河道侧设置进水口，为保证进口处的过流能力，在进水口采用扩挖型式，衬后截面尺寸为3 m×8.8 m城门洞型，衬砌厚度0.5 m，后部渐变为衬后截面尺寸3 m×5 m城门洞型，衬砌厚度0.5 m。为尽可能的消能，考虑采用台阶式斜面，台阶尺寸原则采用1 m高度台阶(参照大朝山工程宽尾墩台阶式溢流坝面消能方式)，宽度为2.34 m。在出口处则采用泄槽水平出流，跌落消能方式(见图2)。

图2斜井+出口泄槽方案示意

3.3　明渠+变坡度泄槽方案

在进口处设置1个漏斗状集水坑，并在集水坑靠下游河道侧设置进水口，后接明渠，明渠坡度采用10%，明渠尾部接泄槽，坡度自上而下分别为1∶10、1∶1.25、1∶3.3，泄槽尾部与冲沟自然衔接，水流沿冲沟流入下游河道。变坡处采用圆弧相接，圆弧半径25 m(见图3)。

图3明渠+变坡度泄槽方案示意

4过流能力计算及隧洞断面设计

4.1　方案1过流能力计算及隧洞断面设计

4.1.1竖井过流能力计算

方案1的竖井为自由跌落，且有平洞通气，所以竖井的泄流能力实际上可看成短管在大气中的自由出流，则可以由公式：

根据谢才公式和达西—魏斯巴哈公式结合，并参照曼宁公式和谢才系数，可以求出：

Q=291.5 m3/s

实际上，校核洪水流量为56.2 m3/s，远小于竖井的实际过流能力，故竖井的过流能力满足要求。

4.1.2平洞过流能力验算

针对隧洞的过流能力，分为长洞和短洞两种不同的情况。水力学中把洞长不影响过水能力的隧洞称为“短洞”，洞长影响过水能力的隧洞称为“长洞”。本工程隧洞为短洞。

由于短洞的泄流能力不受洞长影响，进口水流为宽顶堰流，故可按下式进行计算：

可以计算出上游水头(不包括行进流速)：H=4.476 m，故隧洞段的高度应不低于4.476 m高度。

4.1.3平洞断面设计

对于低流速无压隧洞，洞内水面线以上的空间不宜小于隧洞断面积的15%，其高度不应小于0.4 m。隧洞应避免出现明满流交替的不利现象。

根据计算，平洞首端的高度应不小于4.476 m，上游部分会产生一定的水面雍高，故本方案对上游部分洞段适当加高，选取3 m×7.1 m城门洞型。

收缩断面离开进口的距离，按照以下经验公式计算：

l进=32(0.385-m)H

并结合能量方程，由上游至收缩断面列出能量方程，可计算出收缩断面的水深，H水深处为断面l-l，hc处为断面c-c(见图4)，有如下能量方程：

图4平洞断面设计计算示意

可计算出hc值，由hc值再根据明渠非均匀渐变流的水面曲线计算式，计算得出短洞的水面曲线。

水面曲线是最终趋向于均匀流的，可取正常水深h0与hc值两者中的大值。由均匀流公式可算出均匀流的水深为h0=2.287 m，流速为v0=8.191 m/s。考虑需尽量使水面线在直墙范围内，故隧洞后段选用3 m×5 m城门洞型。

4.2　方案2过流能力计算及隧洞断面设计

4.2.1斜井过流能力验算

由地形线拟定斜井的坡度：从平面来看，要将冲沟流向下库进/出水口的水流从中截断，导排至下游冲沟处。故可拟定出冲沟的坡度为1∶2.34。

此坡度为陡坡隧洞，计算水面线可将首部水面深度确定为临界水深，再由明渠非均匀渐变流水面曲线的能量公式推求水面线。

按照明渠均匀流进行计算：

可算得：h0=0.67 m，此为末端接近均匀流的正常水深。故可以得出如下结论：首端的水面深为临界水深hk=3.295 m，末端接近于均匀流，为h0=0.67 m，流速为v0=27.96 m/s。

4.2.2斜井断面设计

为方便施工，隧洞断面不可过小，考虑到冲沟水流会夹有大量泥沙，防止淤堵影响断面过流，且要保证水面线上部通气顺畅，故要考虑一定的超高裕量。最终确定斜井断面为3 m×5 m城门洞型。

4.3　方案3过流能力计算及隧洞断面设计

4.3.1明渠过流能力验算

先判断坡度为陡坡还是缓坡。可参照4.1.2节内容，不同的是此断面为梯形断面，左右侧边坡坡度为1∶0.5。可计算出临界水深hc=2.799 m，临界坡度ic=0.002 8，故本坡度为陡坡。

将首部水面深度确定为临界水深，再由明渠非均匀渐变流水面曲线的能量公式推求水面线。参照4.2.1节内容，可以推算出首端的水面深为临界水深hk=2.799 m，末端接近于均匀流，为h0=0.956 m，流速为v0=16.90 m/s。

4.3.2明渠设计

为保证水流有一定的超泄能力，且根据水面线计算结果，以及边坡稳定，将明渠断面形式设置为：左右岸边坡(10 m高度内)坡度为1∶0.5，其中3.5 m高为混凝土衬护，以上为喷混凝土衬护，10 m边坡以上采用1∶0.75和1∶1坡度，每10 m和20 m设置一级马道，马道宽2 m。

下游侧则采用了顺实际地形坡度放坡的形式，仅作混凝土底板与边墙的衬护，底板宽3 m，左右边墙高度3.5 m，边墙坡度为1∶0.5。自上至下根据现有地形线，采用1∶2.5、1∶3.3的坡度，变坡处以圆弧相接。

5各方案比选及结论

5.1　各方案优缺点

方案一：采用竖井+平洞方案。可以将泥沙沉积于井底，而不影响过流，且冲刷仅针对竖井段，平洞段的流速相对较低，不至于大范围冲刷平洞段以及下游出口段。但随着常年水流的作用，竖井底部会导致大量淤积，需定期安排清理。

方案二：斜井+出口泄槽方案。斜井段采用坡度较大的斜洞，流速较大，校核流量时在隧洞出口处，将达到28 m/s的高流速，即使做了跌坎消能，也并不能起到明显作用。此时会带来在洞内的一系列高速水流的问题：冲刷和气蚀，后期会带来检修等问题。出口处因为水流流速较高，会产生挑流，对水流跌落点产生一定的冲刷作用，产生较大的水雾，两种作用均会带来边坡的稳定问题；且在泄洪的过程中，有可能会有大的石块卡住洞身段，影响泄流。

方案三：明渠+变坡度泄槽方案。此方案开挖量较大，投资均在方案一和方案二之上，但此方案超泄能力较强，不易受到淤堵而影响泄流。上段的坡度较缓，末端的水流流速达到16.9 m/s，并不会产生明显的高流速冲刷和气蚀问题。水流随泄流明渠流向下游泄槽，由下游泄槽引导水流至下部冲沟处，因泄槽坡度较陡，不会产生明显的淤积。存在的问题是，上部的明渠段坡度较缓，可能产生一定的淤积，虽然明渠高度较高，不至影响泄流，但会产生上游段的水面雍高，由于此段明渠段仍界定为陡坡，故雍高不会过于明显，影响范围有限。

5.2　各方案可比投资

各方案综合比较如下所示(见表2)。

表2　各方案综合比较成果

注：因本工程比较方案中隧洞的埋深较浅，故隧洞支护量比重较大，导致明渠方案的投资较省；在较大埋深情况下，明渠方案开挖明显增加，而隧洞支护量并未有较大改变，则可能导致明渠方案投资更高。

6结语

随着电站项目的日益增多，选址问题有时会难以避免冲沟的影响。为保证建筑物的稳定运行，选择合适的冲沟处理方案也成为设计者应该考虑的重要问题。

对于资金有限且地形受限的工程，冲沟宜选择与洪水标准相适应的排水洞方式，保证洪水期的洪水能够安全排出，且不至会有较多的检修情况。

对于工程区范围泥沙较少的情况，可采用竖井+平洞方案，可以保证泄流以及减少高流速等问题。

对于浅埋且分部工程占总投资较小的情况，宜选用明渠+泄槽方案，可明显减少检修次数，从而保证临近建筑物的安全。

参考文献：

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[5]DL/T 5195—2004，水工隧洞设计规范[S].

[6]DL/T 5166—2002，溢洪道设计规范[S].

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责任编辑吴昊

作者简介：陈凌(1982-)，男，工程师，主要从事水工结构工程方面的研究工作。

收稿日期：2015-10-21

E_mail：chen_l25@ecidi.com