常姍姍
(中國水電顧問集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司 長沙市 410014)
溧陽抽水蓄能電站泄水建筑物根據(jù)其運行特性,僅需在下水庫布置泄水建筑物;在臨沙河水庫側(cè)布置均質(zhì)土壩,泄水建筑物布置在右壩頭庫岸段,其泄水建筑物需要雙向擋水。故選擇合適的泄水建筑物的型式與布局,在滿足結(jié)構(gòu)安全運行的基礎(chǔ)上使泄水建筑物的結(jié)構(gòu)體型較為合理、經(jīng)濟、便于施工,是本文所需闡述的重點。
溧陽抽水蓄能電站位于江蘇省溧陽市,其開發(fā)任務(wù)主要是為江蘇電力系統(tǒng)提供調(diào)峰、填谷和緊急事故備用。電站裝機容量1 500 MW,設(shè)計年發(fā)電量20.07億kW·h,年抽水電量26.76 億kW·h。本工程為一等大(Ⅰ)型工程。電站樞紐建筑物主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及下水庫等4 部分組成。
下水庫樞紐主要由擋水建筑物、泄水建筑物、補水建筑物、下水庫進/出水口、庫岸及庫盆組成。水庫正常蓄水位19.00 m,調(diào)節(jié)庫容1 198 萬m3。擋水建筑物為均質(zhì)土壩,布置在臨沙河水庫側(cè);壩頂寬度為7.0 m,最大壩高11.40 m; 大壩壩軸線全長833.146 m,采用圓弧段同南、北庫岸相連。庫岸部位大部分段為開挖形成的庫岸擋水。泄洪閘位于擋水壩的右壩頭庫岸段,孔口寬度4.0 m,由兩扇4 m×5.9 m 工作(檢修)閘門由固定式啟閉機啟閉。
因庫周設(shè)置截水溝及排洪渠,下水庫主要來水為庫區(qū)集雨面積范圍內(nèi)的大氣降水,水庫集雨面積為下水庫庫口面積0.706 km2,與水庫正常蓄水位對應(yīng)的水面面積基本相當(dāng);其洪水按24 h 暴雨形成的洪水水量全部蓄于正常蓄水位以上考慮。上下水庫24 h 設(shè)計暴雨、設(shè)計洪量見表1。上、下庫汛期發(fā)生洪水時,需向沙河水庫泄洪。
根據(jù)本工程技術(shù)特點,設(shè)計上對泄水建筑物布置及型式的選擇進行了系列方案的研究及比較,初擬了主要設(shè)計方案,并在收集國內(nèi)外相關(guān)資料的基礎(chǔ)上,根據(jù)工程的實際情況,對泄水建筑物進行了進一步切實可行的設(shè)計,選定最終的泄水建筑物設(shè)計方案。
表1 上下水庫設(shè)計暴雨、設(shè)計洪量成果
下水庫泄洪設(shè)施方案比較了混凝土溢流堰、埋設(shè)外包鋼筋混凝土鋼管以及埋設(shè)鋼筋混凝土管等3種泄洪型式。
(1)埋設(shè)外包混凝土鋼管泄洪(方案一):鋼管布置在擋水壩中部地勢較低的壩體底部、距沙河水庫最近處,且置于基巖槽內(nèi)。取水口埋置在下水庫內(nèi),出水口位于沙河水庫內(nèi),進出水口中心線高程為14.892 m。泄洪管設(shè)有電動蝶閥,置于出水口處,下水庫水位達到正常蓄水位后,打開閥門自流泄洪。由于上、下兩水庫24 h 暴雨洪量之和分別為37.90 萬m3、59.20 萬m3,經(jīng)計算,按3 天實際泄水時間6.6 h計算,需要4 根直徑為1.80 m 的鋼管泄水。
(2)埋設(shè)鋼筋混凝土管泄洪(方案二):與淺埋式鋼管相比,僅管材不同。
(3)混凝土溢流堰泄洪(方案三):溢流壩段布置在擋水壩中部,兩端與土石壩相接,溢流堰采用開敞式WES 型實用堰,堰頂高程19.00 m,堰高6.5 m,底寬13.4 m。經(jīng)計算,按可利用泄水時間6.6 h 計,取溢流孔凈寬35.0 m 時,滿足其最大泄量的需求。其布置為:溢流孔單孔寬7.0 m,設(shè)5 孔,孔間及兩端部位設(shè)閘墩,中墩及邊墩厚度均為2.50 m,重力擋土墻式邊墩與土石壩相接。
(4)泄洪設(shè)施方案比選:通過對各泄洪方案綜合比較,方案一~方案三的工程投資分別為2 489.11萬元、2 502.96 萬元及2 910.46 萬元;其中方案一投資最小,布置相對簡單,且管道受力條件好,也無溢流堰泄洪方案中間溢流壩段與兩端土壩連接處理問題。故初步推薦采用埋設(shè)外包混凝土鋼管泄洪方案。
2.3.1 泄水建筑物比選方案的提出
通過對初步擬定的埋設(shè)外包混凝土鋼管泄洪方案進一步深入研究,認為該方案存在以下問題:
(1)由于下水庫大壩為雙向擋水,考慮其運行及檢修要求,泄洪管設(shè)置雙向擋水蝶閥和檢修蝶閥,一條泄洪管需設(shè)置3 扇蝶閥,4 條泄洪管則置12 扇蝶閥,而且電機不能入水,檢修、工作室及工作排架也需配套設(shè)置,結(jié)構(gòu)布置、施工及運行都較為復(fù)雜。
(2)雙向擋水的蝶閥較貴,投資較大,且國內(nèi)生產(chǎn)廠家較少。經(jīng)詢價,雙向硬密封電動蝶閥價格為250 萬元,12 臺需3 000 萬元,故無論從土建及機電而言其投資均較大。
(3)外包鋼筋混凝土鋼管埋設(shè)于土壩底部,排架基礎(chǔ)埋深及基礎(chǔ)處理工程量大,施工干擾較大。
基于上述問題,考慮本電站的特殊性及實際運行情況,補充混凝土泄洪閘泄洪方案進行比選。
2.3.2 泄洪閘的運行方式與設(shè)計分析
溧陽抽水蓄能電站每天的泄洪時段為:電站發(fā)電時,下水庫水位抬高到正常蓄水位19.00 m 起,打開控制閘門自流泄洪,至水位回落到正常蓄水位19.00 m 止的這段時間間隔內(nèi),將上、下水庫入庫洪量排入沙河水庫,以免損失電站工作水頭。
由于下水庫是按設(shè)計預(yù)留了上水庫檢修時死庫容全裝入下水庫的要求設(shè)計的,即正常運行時在不泄洪情況下可全裝191.50 萬m3水量; 據(jù)沙河水文站最大年降水量1 618.6 mm,這相當(dāng)于上下水庫年最大洪量176.6 萬m3,即1年內(nèi)洪水全裝入下水庫后不會影響各建筑物安全。因此,溧陽抽水蓄能電站上、下庫具備全裝設(shè)計暴雨洪量的能力,在汛期當(dāng)沙河流域發(fā)生洪水時,可存于下庫內(nèi),在沙河水庫洪水先行退去的情況下再將上、下庫洪量排入沙河水庫內(nèi)。
從沙河水庫歷年最高及最低統(tǒng)計的水位資料可知,沙河水庫多年平均最高水位為18.269 m,最低水位為13.819 m;汛期最高水位為20.089 m,最低水位為15.469 m。故在汛期多年平均水位低于19.0 m時,可以使下水庫的洪水擇機及時排泄,保證電站在其工作水頭內(nèi)正常運行。
2.3.3 泄洪閘結(jié)構(gòu)設(shè)計
(1)工程地質(zhì)條件。下水庫地形平緩,基巖主要為晶屑凝灰?guī)r及安山斑巖,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖石完整性較差。工程場址地震基本烈度為7 度,2 級壅水建筑物工程抗震設(shè)防類別為乙類的水工建筑物,故地震設(shè)計烈度為7 度。
(2)泄洪閘布置。根據(jù)地質(zhì)地形條件,本著在滿足泄洪條件下,盡量少挖少填的原則進行設(shè)計。泄水閘位于大壩的右壩頭庫岸段; 由進口引水渠、控制段、泄槽段以及起閉機房等構(gòu)成(附圖)。
附圖 下水庫泄洪閘典型剖面圖
泄洪閘結(jié)構(gòu)底部高程均為17.0 m。進口引水渠長約20.0 m,渠底高程為底寬5.0 m,過水?dāng)嗝鏋楦叨入S庫岸邊坡漸變的梯形斷面。控制段閘室長14.0 m,孔口寬度4.0 m,頂部高程25.60 m;設(shè)有檢修門和工作門。泄槽為開挖形成的梯形斷面,長33.0 m(其中海漫長15.0 m),底寬4.00 m,高程22.00 m 以下兩側(cè)采用襯砌混凝土護坡; 高程22.00 m 以上采用草皮護坡。緊接泄槽后均開挖成底寬4.00 m、基礎(chǔ)高程17.00 m 的明渠接至沙河水庫。
(3)泄洪閘泄洪能力復(fù)核。根據(jù)上下水庫24 h設(shè)計暴雨、設(shè)計洪量,分別對下水庫對應(yīng)沙河水庫不同水位的泄流能力進行分析,計算各水位泄洪時所需時間可知:當(dāng)下水庫水位大于沙河水庫水位時,隨著水位的上升,其泄洪能力逐漸增強,所需泄洪時間逐漸縮短。當(dāng)考慮下水庫水位在19.00 m 開始泄洪時,且沙河水庫水位低于下水庫水位0.5 m 以上時,最小泄流量大于15.1 m3/s,所需泄洪時間不大于10.9 h;可見所擬定的泄洪閘尺寸基本能滿足泄洪要求。
(4)泄洪閘穩(wěn)定應(yīng)力復(fù)核。根據(jù)規(guī)范規(guī)定并考慮下水庫的實際情況擬定需要計算的荷載組合進行計算,計算成果(表2)表明:泄洪閘在各種工況下的抗滑穩(wěn)定和基底應(yīng)力均滿足規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)是安全的。
根據(jù)本工程技術(shù)特點,遵循“安全可靠、質(zhì)量可控、技術(shù)可行、經(jīng)濟合理,同時兼顧進度和投資,有利于施工”,對下水庫泄水建筑物進行了深入的設(shè)計研究。基于以下理由最終推薦采用岸坡式泄洪閘泄洪方案:
表2 泄洪閘抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計算成果
(1)岸坡式泄洪閘方案的工程投資為2 403.12萬元,投資相對較少。
(2)岸坡式泄洪閘置于開挖基巖上,閘室穩(wěn)定應(yīng)力條件好; 通過對岸坡式泄洪閘的泄流能力、穩(wěn)定、應(yīng)力及抗?jié)B能力的復(fù)核計算,各向指標(biāo)均能滿足規(guī)范的設(shè)計要求。
(3)泄洪閘與土壩無接頭防滲問題,施工、運行及檢修方便。
(4)泄洪閘布置在下水庫土壩右壩頭,與土壩分開布置,泄洪閘基礎(chǔ)為弱風(fēng)化基巖,地質(zhì)條件較好,確保了閘基巖體能夠滿足抗震要求,同時有利于提高上部結(jié)構(gòu)的抗震能力。