天荒坪抽水蓄能电站下水库溢洪道设计特点及技术发展

姜忠见 ，王樱畯

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江省杭州市 311122；2.国家能源水电工程技术研发中心抽水蓄能工程技术研发分中心，浙江省杭州市 311122）

0 引言

由于抽水蓄能电站发电流量是排放至下水库，所以下水库洪水调节时必须考虑发电流量和天然洪水的共同影响。为避免发生人为洪水对下游造成不利影响，使水库具有必要的泄洪能力，需要设置泄洪设施来平衡水库水量。

当两岸山坡陡峻，而又无合适垭口利用，布置侧槽式溢洪道，可避免开挖形成高边坡。进口沿着岸坡等高线开挖，可增加溢流前缘宽度，在堰顶高程一定时仍可保持较大流量。由于侧槽内水流流态较复杂，一般需经水力学模型试验验证方案合理性。

天荒坪抽水蓄能电站下水库山高坡陡，洪水具有暴涨暴落的特点，溢洪道选择在地形较缓的左岸坝头，采用侧堰的布置型式。经技术经济比较论证，溢洪道采用无闸门自由溢流方式，运行管理较方便，堰顶高程与正常蓄水位持平，溢流净宽按照自由溢流最大流量小于天然洪峰流量确定。

本文阐述了天荒坪工程下水库溢洪道设计方案及特点，探讨了抽水蓄能电站水库调洪方式、溢洪道布置方案等技术发展趋势。

1 下水库概述

天荒坪抽水蓄能电站位于浙江省北部安吉县天荒坪镇境内，下库位于大溪中游上段高山峡谷区，水库全长2km左右，河道纵坡降约5%。下水库控制流域面积24.2km2，设计最高蓄水位344.5m，最低蓄水位295m，设计洪水位347.31m，校核洪水位348.25m，要求P.M.F可能最大洪水不漫顶。下水库有效库容802.08万m3，工作深度49.5m，正常运行时水位日变幅44.80m。

大坝坝型为混凝土面板堆石坝，趾板处最大坝高87.2m，坝顶长225.11m，坝顶宽8m，坝顶高程350.20m。上游坝坡1∶1.4，下游坝坡在上坝公路与坝顶之间均为1∶1.2，最低一级上坝公路与坝体的下部坝坡为1∶1.3。

图1 天荒坪工程下水库大坝及溢洪道平面布置图Fig.1 Layout plan for dam and spillway of lower reservoir under Tianhuangping project

大坝左岸设岸边开敞式侧堰溢洪道。侧堰长60m，溢洪道全长450m，陡槽宽度14m，最大泄流量（PMF）1280m3/s，采用挑流消能。陡槽末端设置曲面贴角斜鼻坎。

大坝右岸利用施工导流隧洞改建为放空隧洞，左岸交通泄放洞改为左岸供水放空洞，最大放水流量11.01m3/s。库尾设高21m的拦沙坝，以阻挡入库的推移质泥沙。

2 溢洪道设计方案

岸边开敞式侧堰溢洪道，布置于下水库大坝混凝土面板堆石坝的左岸坝头。溢洪道右边墙兼有挡坝功能；溢洪道洪水标准采用100年一遇洪水设计，1000年一遇洪水校核，能宣泄PMF（可能最大洪水）。其轴线与大坝坝轴线平面交角74°，由侧堰、侧槽、调整段、陡槽段和挑流鼻坎等结构组成，采用挑流方式消能。考虑到对外交通的需要，在桩号溢0-004～0+004m、高程350.20m及溢0+098m～0+106m、高程295.00m各设交通桥一座。

2.1 结构布置

2.1.1 侧堰及侧槽

侧堰（溢0-100～0-040）长60m，堰顶高程344.50m（与设计最高蓄水位相同），堰面为WES曲线，曲线方程Y=0.1539X1.85，在高程334.50m以下接1：0.516直线，原点上游为X2/1.22+（0.7-Y）2/0.72=1的椭圆曲线。堰基上游部分采用混凝土衬砌（厚0.3m，宽1m）至高程338.50m，堰基下游部分为斜坡段，堰体贴坡在斜坡段，用锚筋与基岩锚固。

侧槽（溢0-100～0-040m）为近似梯形的泄槽，长60m。槽底变宽，首端宽7m，末端宽14m，槽底采用i=0.05纵坡，首端高程334.50m，末端高程331.50m，底板采用0.6m厚钢筋混凝土衬护并用锚筋锚固于基岩，均布基础锚筋φ25，L=4m，@200×200cm。侧槽右侧与侧堰相接，左侧坡比为1∶0.5、厚0.6m的钢筋混凝土贴坡墙，布设锚筋与边坡基岩锚固。

2.1.2 调整段及泄槽

调整段（溢0-040～0-004m）为侧槽与陡槽间的连接段，长36m，过水断面在此由梯形渐变为矩形，对进入陡槽前的水流起调节作用，其前段为R=100m的圆弧与侧槽末相接，后段为直线段与陡槽连接，底宽14m，底板高程331.50m，0.6m厚钢筋混凝土衬护。

陡槽（溢0-004～0+175.91m）为矩形泄槽，槽底宽14m，槽底沿地形设置1∶1.8和1∶3.0两个纵坡，其间用半径R=120m圆弧衔接。泄槽底板钢筋混凝土厚度0.8m，用锚筋锚固于基岩。

溢洪道底板基础布设排水系统，纵向排水采用φ50cm无砂混凝土管，横向排水采用R=25cm半圆形无砂混凝土管。在桩号溢0-020.74m上游，底板及左边墙混凝土内预埋排水孔。桩号溢0-020.74m下游，左边墙水面线布置一排排水孔，右边墙仅有少量排水孔。

溢洪道右边墙均采用衡重式或重力式混凝土挡墙；左边墙大部分结构为混凝土贴坡墙。侧槽～陡槽段的底板与边墙均为分离式结构，靠近边墙1.0m处设置纵缝，其中调整段～陡槽段设有止水（帷幕以后）。边墙每隔8～14m设一横缝，缝间设有一道止水片。

溢洪道陡槽部位均采用C30混凝土，其中溢洪道0+160～0+221底板及边墙距底板高2m范围内迎水面40cm厚度范围内，采用硅粉混凝土。

2.1.3 挑流鼻坎

挑流鼻坎（溢0+175.91～0+221.81m）为曲面贴角异型鼻坎，长约46m，边墙与底板不设结构缝。其右边墙迎水面按圆弧面收缩或渐变成曲面体，左边墙迎水面仍保持垂直面不变，顺水流方向溢0+175.91m～0+183.00m段以1∶3.0坡比与陡槽衔接，0+183.00～0+201.31m段接以R1=25m、R2=50m的两段圆弧，其后是挑射角θ=11.987o（坡比1∶4.71）的直线段。鼻坎末端设混凝土齿墙，嵌入基岩高程为251.50m。

溢洪道挑流鼻坎下游附近设置一深4m的静水池，出水渠长120余米，通过预挖冲刷坑形成，渠底高程240.00m，前后分别接以1∶3.5、1∶2.0的开挖坡。

防冲措施主要是设预挖冲坑以保证有足够的水垫深度。为防止小流量时水流直接砸在挑坎下面的基础，在挑坎下游设置“静水池”。

2.1.4 防空蚀设计

为防止溢洪道发生空蚀，设计措施如下：

（1）在桩号溢0+038.0、溢0+069.0、溢0+113.0、溢0+166.0布置4个掺气槽。

（2）对反弧消能段采用较高标号的混凝土以提高其抗蚀性能。

（3）提出底板及边壁表面不平整度要求。

2.2 水力学模型试验及运行情况

在初步设计阶段和招标设计阶段，均开展了水力学模型试验。试验表明，设计提出的侧堰、侧槽、泄槽及试验修改后的挑坎等建筑物布置均是可行的。经多种方案比较和测试，左侧曲面贴角斜鼻坎方案较好地在下游狭窄河道中将水流沿纵向拉开、分散，达到在各种洪水频率下尽量不冲或少冲两岸的目的。

施工图阶段的模型试验结论：

（1）该方案泄流时基本上达到了“纵向拉开，错开落点，导向防冲”的目标，在设计情况、校核情况和小流量泄流时基本上做到不冲刷左、右岸，消能良好，冲深很浅，现有的预挖冲坑合适。

（2）该方案的P=5%、2%、1%、0.1%和P.M.F频率下泄洪试验均无异常情况，下泄水流归槽情况良好。

溢洪道自下库投运以来已泄洪数次，目前溢洪道堰体、侧槽、泄槽及边墙、挑流鼻坎及冲坑无异常，溢洪道高边坡无掉块现象。

3 溢洪道设计特点

下水库溢洪道主要有以下特点：

（1）溢洪道布置合理，充分利用地形条件，节省工程投资。

为避免开挖形成高边坡，充分利用地形条件，总体布置简捷，无论开挖量还是混凝土量均达到最优选择。

（2）开敞式侧槽溢洪道运行管理方便，超泄洪水能力强，防洪更安全。

开敞式侧槽溢洪道运行管理方便，只要定期巡检即可。溢洪道能宣泄PMF洪水，超泄洪水能力强，防洪更加安全可靠。目前在抽水蓄能电站中应用越来越多。

（3）溢洪道结构简捷，边墙直接挡坝，经济合理。

左岸溢洪道右边墙与大坝面板堆石坝坝体衔接，利用边墙直接挡坝。大坝坝体上游面板直接与溢洪道边墙衔接形成周边缝，坝体填筑料按周边缝要求进行设计。大坝坝后坡与溢洪道泄槽右边墙衔接，右边墙根据地形不同采用衡重式或重力式挡墙，节省了坝体填筑方量。泄槽左边墙靠山体侧直立边坡开挖，0.6m厚混凝土直立挡墙，结构设计简捷，最大限度节省了混凝土工程量。

（4）新颖的挑流鼻坎结构。

溢洪道位于左坝头，最大泄量1280m3/s。下游消能区河谷狭窄，最窄处仅10多米宽，消能防冲有一定难度。挑流鼻坎采用曲面贴角异形鼻坎，将水流扭曲挑向河床，挑流水舌纵向拉开达100m左右，水舌不砸左右岸。

图3 天荒坪工程下水库溢洪道挑流鼻坎结构Fig.3 The structure of spillway flip-bucket of lower reservoir in Tianhuangping project

4 抽水蓄能电站溢洪道技术发展

4.1 抽水蓄能电站调洪原则

一般来说，抽水蓄能电站调洪原则为，水库下泄流量不超过天然入库洪水流量；库水位高于或等于设计洪水位时，电站停止发电；上、下水库水位未恢复正常情况（即上、下水库死水位以上总蓄水量超过电站调节库容）前，利用泄洪建筑物下泄洪水，直至上、下水库水位恢复正常情况。

目前抽水蓄能电站的调洪原则是在天荒坪工程以后建立的，虽然天荒坪下库溢洪道泄洪已经考虑了天然洪水与发电流量的叠加，但由于天荒坪下水库导流洞改建的导流泄放洞没有考虑泄洪功能，只考虑水库放空检修，仅设置直径1m的放空管，后来在左岸施工交通洞内也设置直径1m的放水管及锥阀，但总泄洪能力非常有限，洪水不能顺利排放，只能水位超过堰顶高程后、溢洪道才能有效地泄洪。

天荒坪水库库容设计为5h发电，1h备用。目前在十五年一遇洪水时，会导致出力受阻，1h的备用无法完全发挥作用。即使这样，因为抽水蓄能电站上下两个水库只有一库水，洪水影响发电的时间很有限。

从天荒坪工程以后，对于常规水库容量的抽水蓄能电站，通过设置溢洪道和导流泄放洞来共同泄放洪水，洪水调度原则为：

（1）为不加重下游防洪负担，最大下泄流量不超过坝址洪峰流量；

（2）当下库水位在死水位～溢洪道堰顶高程时，开启导流泄放洞下泄前一时段洪水，抽水蓄能电站按电力系统要求正常发电运行。

（3）当下库水位在溢洪道堰顶高程～设计洪水位时，利用溢洪道和导流泄放洞共同泄放洪水，电站按电力系统要求正常发电运行。

4.2 溢洪道布置型式

对于抽水蓄能电站来说，泄洪建筑物布置应根据地形地质条件，具体工程具体分析，不可生搬硬套。天荒坪工程之后的溢洪道布置型式呈现多样化的局面。

当两岸山坡陡峻，而又无合适垭口利用，可以像天荒坪工程一样布置侧槽式溢洪道，可减少开挖，避免开挖形成高边坡。而且进口沿着岸坡等高线开挖，可增加溢流前缘宽度，在堰顶高程一定时仍可保持较大的流量。

当两岸受地形限制，难以布置岸边溢洪道时，可考虑采用大坝混凝土坝，泄洪建筑物尽可能布置在混凝土坝体上，成为溢流混凝土坝或坝身泄洪孔。江西洪屏抽水蓄能电站下水库坝址河谷狭窄，两岸地形陡峭，校核洪峰流量达4640m3/s。结合坝型选择，下水库采用碾压混凝土坝坝身泄洪的方式宣泄洪水。

当岸边溢洪道的布置受到地形、地质条件限制，而泄洪不频繁、泄量又不大的情况下，堆石坝可考虑采用坝身溢洪道。如浙江桐柏抽水蓄能电站下水库溢洪道，右岸泥岩地质条件差，左岸溢洪道出水不顺畅，而且溢洪道仅在20年一遇以上洪水组合时才启用，经论证采用坝身溢洪道。一般来说，坝身溢洪道的单宽泄量在20～30m3/s范围。

5 结束语

天荒坪抽水蓄能电站下水库溢洪道采用岸边开敞式侧堰结构，避免了开挖形成的高边坡，同时具有较强的泄洪能力和超泄能力；同时利用溢洪道右边墙挡坝，节省工程投资。由于侧槽内水流流态复杂，经多次水力学模型试验验证其方案可行性。在陡槽末端设置曲面贴角异形鼻坎，泄流时纵向拉开，错开落点，经运行期检验，消能防冲效果良好。

对于抽水蓄能电站而言，在设置溢洪道的同时设置低水位泄洪隧洞是必要的，可以保证泄洪流量不超过天然洪水流量。在进行溢洪道布置时，应结合地形地质条件，以及坝型选择，采用合理可行的设计方案。