印尼西索肯抽水蓄能电站下水库生态底孔的优化与设计

卞 全，吴 丽

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

文章编号：1006—2610(2015)04—0038—05

印尼西索肯抽水蓄能电站下水库生态底孔的优化与设计

卞 全，吴 丽

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

印尼西索肯抽水蓄能电站的下水库由碾压混凝土重力坝、溢流表孔和底孔组成；底孔的功能是在水库蓄水和正常运行时，为下游提供生态供水、灌溉流量和降低库水位。原底孔设计方案存在下闸封堵不落实等问题，故对其进行了替代方案的比较和论证；推荐采用加大进口竖井断面、增设闸门槽的设计方案。另外，为充分利用生态流量多发电，最终将底孔与小电站结合起来，经济效益明显。

印尼西索肯;抽水蓄能电站;下水库;生态底孔;闸门槽;优化;设计

1 工程概况

西索肯抽水蓄能电站是印度尼西亚的第一个抽水蓄能项目，位于雅加达市东南150 km的西索肯河流域上游，坝址距万隆市区约30 km。

工程项目由上、下水库2座RCC(碾压混凝土)重力坝及引水发电系统组成。上库坝的最大坝高75.5 m，坝顶长度为375 m；下库坝的最大坝高98 m，坝顶长度为294 m。引水发电系统包含2个进水口，2条长1.2 km的引水隧洞，2座调压井，2条钢衬压力隧道和4条尾水渠；地下厂房长156.6 m、高50.15 m、宽24 m，安装4台单机容量为260 MW的机组，总装机容量1 040 MW。

2 可研设计的建筑物布置及设计

2.1 基本资料

印度尼西亚地处热带，全年气候温暖湿润。坝址处平均气温23～25 ℃，湿度86%～88%，通常每年6—10月为旱季，雨季为11月—翌年5月。旱季月平均降雨10～100 mm；雨季月平均降雨50～350 mm。

上、下水库[1]库容各约1 000万m3，水泵的最大流量为89.1 m3/s，水轮机的最大流量为108 m3/s。抽水蓄能电站的运行方式：每天从下水库抽水至上水库，抽水约7.8 h，发电运行约6.5 h。

下水库坝址以上流域面积为374 km2, 天然径流量为4.5～25.3 m3/s。坝址处水面以下的河床宽约35 m，两岸岸坡坡度小于40°。坝址岩性为凝灰角砾岩，少量的安山岩、页岩和砂岩互层。根据水文成果，设计洪水采用1万年重现期，流量为1 100 m3/s；校核洪水采用最高洪水位，流量为1 350 m3/s。

原设计方案的坝顶高程503.00 m，防浪墙顶高程503.50 m，最高洪水位499.50 m，正常高水位499.50 m，最低运行水位495.00 m，50年泥沙淤积高程为484.00 m。坝顶宽8 m，RCC坝的下游坝坡坡度为1∶0.74。

2.2 总体布置与原底孔设计

(1) 下水库的总体布置

下水库采用RCC重力坝，泄水建筑物由溢流表孔和底孔构成。其中，溢流表孔位于坝段中央，由溢流堰、陡槽和挑流鼻坎组成。2孔闸控溢流表孔，每孔10 m宽，中墩为缝墩，总宽4 m，弧门高13.5 m。底孔紧邻溢流表孔的右侧布置，位于8号坝段。

(2) 底孔的设计目的和规模

底孔的功能：在初期蓄水期间和运行期间，为下游居民提供生态和灌溉流量的环保要求。另外，在紧急状况下，配合表孔泄洪，先将库水位降低至堰顶490.00 m；然后，底孔单独运行，将库水位从490.00 m降至泥沙淤积高程484.00 m。

经调查，水库下游灌溉取水口的引用流量为7 m3/s，底孔按照下泄生态流量设计，泄流能力大于7 m3/s。

(3) 原底孔方案(方案1)的布置

在水库蓄水期间，为下泄7 m3/s生态流量，底孔进口只能在较低高程；而在正常运行期间，底孔进口须在泥沙淤积高程以上、最低运行水位以下，以免泥沙堵住进口而无法泄流[2]。原底孔的纵剖面见图1。

底孔为坝体内的埋管型式，设置上部进水口和下部进水口；下部临时进口的中心高程为423.50 m，上部永久进口的底高程为484.00 m。下部进水口的前端设1道固定拦污栅、封堵门槽及门槽顶部封板，孔口尺寸为4 m(宽)×3.2 m(高)。而上部进水口的前端设有1道固定拦污栅，后接竖井，2个竖井的内尺寸均为1.8 m(宽)×2 m(高)，混凝土壁厚0.5 m。

图1 下水库原底孔的纵剖面图 单位：m

临时与永久共用的坝内埋管内径为1.8 m，长约55 m。在坝内埋管后部设置了分岔，岔管后为2个支管，每个支管均设1套检修蝶阀(Ø1 800 mm)和1套固定锥阀(Ø700 mm)。每个支管能单独承担下泄生态流量的要求，另一个支管作为备用。锥阀的阀门室位于坝外平台上，右岸有对外路直通坝址，方便阀门操作和检修底孔阀门。

(4) 原底孔的运行及闸门封堵方式

在蓄水前，下部的进口拦污栅及封堵门槽的顶部封板安装就位[2]。在水库蓄水期间，开启底孔的下游固定锥阀，以下泄生态流量。当库水位蓄水至484.00 m高程时，底孔的下部进水口应永久封堵，由上部进水口过流以下泄生态流量。

底孔的下部进口前端设有拦污栅，用于阻挡水库蓄水期间的树根、树枝等杂物进入底孔内；拦污栅后，设置了1道封堵门槽及门槽顶部封板(钢板)，封板厚8 mm。当水库蓄水至484.00 m时，由潜水员潜入至下部进口426.30 m附近，撬掉门槽顶封板的螺栓，打开并移走门槽顶部的封板；然后从坝顶由起重机将封堵闸门吊入水下的门槽中，因门槽及导轨仅3.5 m高，须由潜水员协助完成闸门就位、完成封堵作业。

3 原方案存在的问题

在下水库下闸蓄水时，底孔的作用水头约60 m；此时，潜水员须下潜到60 m深的动水中完成底孔闸门的封堵作业；而且要求下闸封堵必须一次成功，不能出现门槽顶钢板打不开、闸门卡在门槽中、严重漏水等问题，否则将造成无法顺利蓄水的严重后果[2]。

(1) 潜水员的操作问题

根据目前掌握的资料[3]，潜水员的下潜工作深度一般不超过50 m；当潜入深度超过50 m时，需要非常优秀的潜水员和完善的安全保证设备，同时潜水员从入水到出水的时间不超过1 h。而对于超过60 m潜入深度的工作，潜水员还需呼吸氦氧才能潜水、作业，氦氧是按呼吸次数来计费的，费用非常昂贵。

(2) 动水中无导向的落门问题

底孔下部进水口的封堵门是通过在坝面上的移动式起重机吊放的，而原方案的封堵门并无导向轨道。下水库的底孔紧靠溢流表孔右侧，蓄水过程中水库的表层是流动的，落门时封堵门体会发生位移和摆动；而在门体下放过程中，闸门一直在动水中，坝顶人员无法观察到门体，下闸过程全靠潜水员的辅助。因此，落门过程无法完全控制,过程存在较大的不确定性。

总之，深达60 m的水下作业条件，不但潜水员的水下作业费用过高，而且能否顺利完成动水中无导向地下闸门入槽，存在很大的不确定性和风险。

4 替代方案的比较研究

在工程咨询过程中，由于地震加速度参数调整，下坝的坝体断面发生了较大修改，下坝生态底孔的方案比较也须按修改的坝体断面进行研究和比选[2]。底孔方案比选的前提和基本原则为：① 下坝底孔的替代方案应满足原设计的功能和规模。② 应尽可能少地增加工程量和投资。

4.1 加大竖井采用闸门槽下闸(方案2)

(1) 布置思路

与原设计方案(方案1)相比，方案2的进口结构及布置基本不变，仅加大永久进口竖井的断面尺寸，将闸门槽和导轨设于竖井内，以便闸门有导向地落闸；取消潜水员深水下潜，无需人工水下辅助安装闸门。此方案虽进口竖井体型相对复杂，但技术上是可解决的，属常规施工和封堵方法。

(2) 方案布置

封堵闸门槽位于底孔竖井的前部，自竖井顶488.00 m到临时进口422.50 m。闸门槽孔口跨度5.3 m，顺水流长1.4 m。在闸门槽的前端，设置有临时拦污栅。加大竖井采用闸门槽下闸方案见图2。

图2 加大竖井采用闸门槽下闸方案的底孔纵剖面图 单位：m

(3) 临时底孔的后期封堵

当水库蓄水到488.00 m、溢流表孔能够泄洪时，将封堵闸门从坝顶沿竖井内的闸门槽下闸至底部422.50 m，完成临时进口的封堵。

4.2 永久与施工期供水分置的坝内斜埋管(方案3)

永久供水采用坝内埋管方式(内径1.8 m)，施工期供水也采用坝内埋管(内径0.8 m)，布置于另一个坝段内，在坝体上游侧设置临时阀门室。临时放水功能结束后，关闭临时阀门并将坝体上游的短廊道连同阀门室采用混凝土回填封堵。

这种布置方式的优点是：施工简单方便，不影响坝体混凝土分区设计，对RCC坝体混凝土施工影响小；底孔封堵方式简单可行、技术风险较小。而缺点是：2个埋管的出口流速接近10 m/s，需考虑下游消能及防护；另外，利用阀门直接关闭和封堵高水头水流，对阀门要求较高，阀门价格较贵。

4.3 永久与施工期供水结合的坝内埋管(方案4)

为解决临时供水管的下游消能问题，以便有效地封堵闸门和节省钢管，采取坝内永久和临时埋管结合的布置方案。永久埋管为倾斜式，内径1.8 m，位于坝体下游侧，对RCC坝的施工干扰小。

施工期供水：在坝体上游段增加短廊道，内设蝶阀，高水头水流经过出口锥阀的消能后再进入下游。

施工期埋管(内径0.8 m)与永久埋管(内径1.8 m)采用岔管连接。

4.4 方案比较及结论

原方案1的布置，因底孔存在下闸封堵的技术问题、实施风险大，故不能采用。

方案3布置的方式较为常规，虽减少了土建工程量，但增加了坝内钢管量。虽技术可行，但经常运行的底孔出流对大坝下游有较大的冲击；同时利用阀门直接关闭和封堵高水头水流，有一定风险，且对阀门要求较高、阀门价格较贵。

方案4的钢管斜埋于坝体碾压区后部，对RCC的快速施工有一定影响。同时因岔管前的临时供水管道无法封堵，后期可能存在渗流问题；而且蝶阀价格较贵。

方案2从技术上根本解决了水库蓄水期底孔的下闸封堵问题；虽增大了进水竖井的结构,增加了投资,但不存在技术问题,施工简单,运行可靠,技术风险小,且对原设计改动小,利于尽快招标，加快建设速度。而且，适应小电站的进口布置和甩负荷运行。

总体而言，方案2的下闸方式是常规方法，在施工技术和工艺上有保证；故最终推荐加大竖井,采用闸门槽下闸的布置方案。

5 底孔最终方案的布置

下水库所处河道的多年平均流量为14.7 m3/s；而在抽水蓄能电站的运行中，水流在上、下水库之间是循环流动的，不需要调用径流；因此，下水库要经常宣泄多余的天然径流。考虑到下水库所在的河道流量稳定，应充分利用下水库多余的流量，并满足下游灌溉需求。因直接利用水头和流量布置小电站，经济效益良好。

5.1 底孔结合小电站的最终布置

下坝底孔管路位于9号坝段，在溢流表孔坝段的右侧；采用坝内埋管方式，小电站的设计引用流量为18 m3/s，底孔的主管管径为2 300 mm。而底孔的岔管位于坝体下游，与主管和小电站的管路夹角为60°。底孔结合小电站的布置见图3。

底孔的临时进口和出口中心高程为423.75 m。坝体内设置4.5 m(宽)×3.2 m(高)的进口拦污栅，后设4.5 m×3.2 m的封堵闸门及门槽。

图3 底孔结合小电站设计的平面及纵剖面图 单位：m

底孔的永久进口为竖井结构，进口中心高程为487.00 m，布置有小电站的进口拦污栅、封堵闸门槽、检修闸门和进水竖井；因封堵闸门运用早于检修闸门，故小电站的检修闸门与封堵闸门槽共用。

在坝体下游，底孔的主管分设2个岔管，支管的管径为1.8 m，间距为3.2 m。每个支管依次安装有Ø1 800 mm的检修蝶阀和Ø700 mm的工作筒阀。经过控制阀门的消能后，进入下游河道。

岔管下游，布置了小电站的压力钢管及厂房。小电站的水轮机安装高程为420.80 m，发电机高程为428.80 m，厂房尺寸为22.5 m(长)×17 m(宽)×23 m(高)，施工工期为26个月，与抽水蓄能电站一起投产。小电站的设计水头71 m，满发引用流量18 m3/s，装机容量5.43×2 MW，单机最小引用流量为5.4 m3/s，多年平均发电量0.453亿kWh，预计每年发电收益达296万美金。

5.2 运行方式

当天然径流小于5.4 m3/s时，小电站不运行，由底孔的筒阀控制泄流，下泄生态流量7 m3/s；当天然径流为5.4～18 m3/s时，底孔关闭，小电站运行，由机组向下游泄放生态流量。当天然径流大于18 m3/s时，底孔关闭，小电站满负荷运行，多余流量由表孔泄放。

6 结 语

印尼西索肯抽水蓄能电站下水库采用RCC重力坝，底孔的功能是在水库蓄水期间和投入商业运行后，为下游提供生态、灌溉流量和降低库水位。经过比较和论证, 设计采用加大进口竖井断面、增设闸门槽的方案。为充分利用生态流量多发电，将底孔与小电站结合起来，经济效益明显。

[1] 卞全,吴丽.印尼西索肯抽水蓄能电站上水库溢洪道的优化与设计[J].西北水电,2015,(3):27-32.

[2] 卞全,董翌为,安盛勋.印尼西索肯抽水蓄能电站生态底孔更新报告[R].西安:西北勘测设计研究院,2013,12.

[3] 龚锦涵.重视饱和潜水技术的发展为海洋开发事业服务[J].中华航海医学与高气压医学杂志,2003,(10):3-5.

Optimization and Design of Ecological Bottom Outlet of Lower Reservoir,Cisokon Pumped Storage Power Plant

BIAN Quan, WU Li

(Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

The lower reservoir of Cisokon Pumped Storage Power Plant consists of RCC gravity dam, overflow surface outlet and bottom outlet. The bottom outlet is to release water downstream for ecology, irrigation and reservoir water reduction when the reservoir impounds and operates normally. In the original design of the bottom outlet, the potential risks of gate plugging not closed tightly may exist. Therefore, the alternative scheme is compared and argued. The design scheme of enlarging the shaft section at inlet and providing gate slot is proposed. Additionally, the bottom outlet and the lower installed capacity station are integrated to fully utilize the ecological flow for more power generation. This optimization results in outstanding economic benefit.Key words: Cisokon; pumped-storage power plant; lower reservoir; ecological bottom outlet; gate slot; optimization; design

2015-02-17

卞全(1972- )，男，河南省桐柏县人，教授级高工，印尼西索肯抽蓄电站的土建咨询工程师，主要从事水电站工程水工建筑物的设计、研究及项目管理工作.

TV652.11

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10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.010