天荒坪抽水蓄能電站磨石坑棄渣場排洪設(shè)施設(shè)計(jì)

吳 偉

(中國電建集團(tuán) 華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

水電工程大部分位于山區(qū)，受地形條件限制，棄渣場大多選址在溝道中，且往往形成高堆渣邊坡，棄渣堆置破壞棄渣場范圍內(nèi)原有地表植被，影響周邊自然環(huán)境，若排洪設(shè)施設(shè)置不當(dāng)或不完善，暴雨時(shí)堆渣體受山洪沖刷極易形成滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，威脅下游基礎(chǔ)設(shè)施和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，因此棄渣場排洪設(shè)施的設(shè)計(jì)尤為重要。本文以天荒坪抽水蓄能電站磨石坑棄渣場為例，對(duì)既有棄渣場的排洪設(shè)施整治設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)介紹。

1 棄渣場概況

天荒坪抽水蓄能電站地處浙江省安吉縣天荒坪鎮(zhèn)，是華東電網(wǎng)內(nèi)第一座大型抽水蓄能電站，裝機(jī)容量1 800 MW，年發(fā)電量31.6億kW·h。電站由上水庫、下水庫、地下廠房洞室群、輸水系統(tǒng)、地面開關(guān)站和上下庫連接公路等組成。

磨石坑棄渣場為上下庫連接公路施工布置的棄渣場，位于下水庫壩址下游河道左岸的山體溝道內(nèi)，堆渣總量10萬m3，以石渣為主。棄渣場分為上、下兩級(jí)堆渣區(qū)，上游、兩級(jí)堆渣區(qū)之間、下游均為上下庫連接公路，公路與溝道交叉位置均設(shè)置有排水涵洞。根據(jù)地形圖量測，棄渣場上游溝道集雨面積為0.6 km2。

上一級(jí)堆渣區(qū)邊坡高程408～492 m，堆渣最大高度84 m，邊坡未設(shè)置馬道，堆渣坡比1∶1.2～1∶1.7，渣場中間溝道處堆渣邊坡相對(duì)緩于溝道左右側(cè)。堆渣邊坡坡腳至擋渣墻距離25～30 m，渣面坡度相對(duì)較緩，坡比約1∶2.4。棄渣場堆渣體坡腳擋渣墻墻身布設(shè)有涵洞，涵洞出口貼下游墻面布設(shè)有排水槽，排水槽出口接公路排水涵洞進(jìn)口集水池。

下一級(jí)堆渣區(qū)呈條狀，堆渣邊坡高程366～408 m，堆渣最大高度42 m，邊坡沒有設(shè)置馬道，堆渣坡比1∶1.5～1∶1.8。棄渣場堆渣體坡腳已設(shè)置擋渣墻，墻身布設(shè)有涵洞，涵洞出口接下游排水明渠及公路排水涵洞。兩級(jí)堆渣區(qū)之間公路排水涵洞出口至擋渣墻墻身涵洞之間的堆渣邊坡已實(shí)施干砌塊石護(hù)面，作為過水通道。

2 現(xiàn)狀存在的主要問題

根據(jù)磨石坑棄渣場現(xiàn)狀情況對(duì)堆渣體邊坡及擋渣墻穩(wěn)定性進(jìn)行的復(fù)核計(jì)算分析表明，兩級(jí)堆渣區(qū)擋渣墻均是穩(wěn)定的，但上一級(jí)堆渣區(qū)擋渣墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)接近規(guī)范規(guī)定的下限值，在墻身排水不暢、墻后水位較高時(shí)仍有失穩(wěn)的可能；上一級(jí)堆渣區(qū)邊坡整體穩(wěn)定性較好，僅有發(fā)生局部失穩(wěn)的可能，但渣場中間溝道處及下部區(qū)域受山洪沖刷，存在掏挖坡腳和引起上部邊坡滑塌的可能，對(duì)堆渣體整體穩(wěn)定極為不利；下一級(jí)堆渣區(qū)邊坡天然狀態(tài)下整體穩(wěn)定性較好，但在暴雨時(shí)堆渣邊坡干砌塊石護(hù)面受山洪沖刷，極有可能發(fā)生破壞，進(jìn)而引起堆渣邊坡整體失穩(wěn)。通過以上分析，影響棄渣場堆渣體邊坡及擋渣墻穩(wěn)定的關(guān)鍵因素為棄渣場所處溝道的水能否得以有效導(dǎo)排，因此該棄渣場整治的關(guān)鍵工程為排洪設(shè)施。

經(jīng)現(xiàn)場查勘，現(xiàn)狀棄渣場的排水路徑為：公路上游溝道→公路排水涵洞→上一級(jí)堆渣區(qū)中部溝道→上一級(jí)擋渣墻墻身涵洞→擋渣墻墻面排水槽→公路排水涵洞進(jìn)口集水池、洞身及出口→下一級(jí)堆渣區(qū)干砌塊石護(hù)面→下一級(jí)擋渣墻墻身涵洞→排水明渠→公路排水涵洞→公路下游溝道。經(jīng)水力學(xué)復(fù)核計(jì)算，公路現(xiàn)狀排水設(shè)施可以滿足排洪要求，但由于常年運(yùn)行且失修，已存在不同程度的局部損壞，經(jīng)修復(fù)加固后可直接利用。因此，棄渣場現(xiàn)狀排水設(shè)施之間的聯(lián)通問題急需解決，包括兩段路徑：上游公路排水涵洞出口至上一級(jí)擋渣墻墻身涵洞、兩級(jí)堆渣區(qū)之間公路排水涵洞出口至下一級(jí)擋渣墻墻身涵洞。

3 排洪設(shè)施設(shè)計(jì)

3.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

棄渣場防洪標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)規(guī)模、位置、失事環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)程度和失事對(duì)主體工程風(fēng)險(xiǎn)程度綜合確定[1]。磨石坑棄渣場位于沖溝溝道，堆渣總量為10萬m3，堆渣體最大高度為84 m，失事主要影響電站上下庫連接公路的通行，對(duì)電站主體工程運(yùn)行影響較小。

根據(jù)《水電建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5419—2009)，磨石坑棄渣場屬大型棄渣場，防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20～50年一遇。經(jīng)查閱上下庫連接公路相關(guān)資料，公路排水涵洞防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為25年一遇。綜合考慮現(xiàn)有排水設(shè)施的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的匹配，以及最大限度地利用現(xiàn)有排水設(shè)施、降低工程造價(jià)等因素，確定磨石坑棄渣場防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與公路現(xiàn)有排水設(shè)施保持一致，采用25年一遇，經(jīng)水文計(jì)算，棄渣場所處溝道25年一遇洪峰流量為14.6 m3/s。

3.2 總體布置

上游公路排水涵洞出口至上一級(jí)擋渣墻墻身涵洞段、兩級(jí)堆渣區(qū)之間公路排水涵洞出口至下一級(jí)擋渣墻墻身涵洞段均采取新建明渠排水。對(duì)排水路徑上的上游公路排水涵洞、上一級(jí)擋渣墻墻身涵洞和墻面排水槽、兩級(jí)堆渣區(qū)之間公路排水涵洞進(jìn)口集水池和洞身、下一級(jí)擋渣墻墻身涵洞、排水明渠和下游公路排水涵洞等進(jìn)行局部損壞處修復(fù)加固，直接加以利用，作為棄渣場排洪設(shè)施的組成部分。

上游公路排水涵洞出口至上一級(jí)擋渣墻墻身涵洞段排水明渠由1#陡槽、1#消力池、2#陡槽、2#消力池、3#陡槽和3#消力池組成。兩級(jí)堆渣區(qū)之間公路排水涵洞出口至下一級(jí)擋渣墻墻身涵洞段排水明渠由4#消力池、4#陡槽、5#消力池和5#陡槽組成。排洪設(shè)施平面布置見圖1。

圖1 排洪設(shè)施平面布置示意

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 陡 槽

新建明渠共分段設(shè)置5段陡槽，編號(hào)為1#～5#，均采用矩形過水?dāng)嗝?，底板設(shè)置外凸型階梯式消能工，并根據(jù)地形條件設(shè)置抗滑結(jié)構(gòu)，1#～5#陡槽特性見表1。下面以上一級(jí)堆渣區(qū)1#陡槽和下一級(jí)堆渣區(qū)4#陡槽為例說明，其他陡槽結(jié)構(gòu)形式與1#或4#陡槽類似。

上一級(jí)堆渣區(qū)1#陡槽采用矩形過水?dāng)嗝妫瑑魧抏=4 m，凈深f=1.8 m；底板采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度0.4 m；兩側(cè)邊墻采用重力式，M10漿砌塊石結(jié)構(gòu)，頂寬0.5 m，背水側(cè)墻面坡比1∶0.3，臨水側(cè)墻面直立。整個(gè)陡槽布置在堆渣體上，縱向坡比i=1∶2.02。底板設(shè)置外凸型階梯式消能工，階梯頂面水平，高度a=0.6 m，寬度b=1.21 m，間距s=2.64 m。為了提高陡槽的抗滑穩(wěn)定性，在底板下方分段設(shè)置阻滑臺(tái)階，臺(tái)階底面水平，寬度d=3.5 m，高度h=2.03 m。外凸型階梯式消能工及阻滑臺(tái)階體型見圖2。

下一級(jí)堆渣區(qū)4#陡槽采用矩形過水?dāng)嗝?，凈寬e=5 m，凈深f=1.5 m；底板和邊墻均采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板厚度0.4 m，兩側(cè)邊墻與底板整體澆筑，頂寬0.3 m，背水側(cè)墻面坡比1∶0.2，臨水側(cè)墻面直立。整個(gè)陡槽布置在堆渣體上，縱向坡比i=1∶1.9。底板設(shè)置外凸型階梯式消能工，階梯頂面水平，高度a=0.6 m，寬度b=1.14 m，間距s=2.37 m。為了提高陡槽的抗滑穩(wěn)定性，在底板下方分段設(shè)置C30鋼筋混凝土錨固板，體型見圖3，呈水平布置，板間回填漿砌石，錨固板長度d=3.8 m，厚度h=0.4 m，同時(shí)在陡槽尾段約10 m長度范圍內(nèi)，在清除基礎(chǔ)棄渣后將底板混凝土直接澆筑至完整基巖面，并設(shè)置錨桿加固，以進(jìn)一步增加陡槽的抗滑力。

表1 1#～5#陡槽特性 m

圖2 消能工及阻滑臺(tái)階體型

圖3 錨固板體型

3.3.2 消力池

1#～4#陡槽末端及兩級(jí)堆渣區(qū)之間公路排水涵洞出口處均布設(shè)消力池進(jìn)行消能，共設(shè)置5座，編號(hào)為1#～5#，過水?dāng)嗝婢鶠榫匦?，并與上接陡槽等寬，其中1#、3#和5#消力池采用底流消能，2#和4#消力池采用單級(jí)跌水消能。1#～5#消力池特性見表2。

表2 1#～5#消力池特性

由于消力池均布置在堆渣邊坡上，池長設(shè)置受限，因此在消力池尾坎前設(shè)置T形消力墩作為輔助消能工，縮短水躍長度，進(jìn)而縮短池長，T形消力墩尺寸比例為前墩厚∶前墩高∶前墩寬∶尾坎高∶支腿長=2∶3∶4∶5∶6[2]。T形消力墩體型見圖4。

圖4 T型消力墩體型

4 結(jié) 語

天荒坪抽水蓄能電站磨石坑棄渣場排洪設(shè)施主要由現(xiàn)狀排水設(shè)施和新建明渠組成，其中新建明渠主要包括陡槽和消力池，由于地形陡、落差大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮了抗滑、消能等措施。設(shè)計(jì)的排洪設(shè)施，歷經(jīng)多年的運(yùn)行，未發(fā)現(xiàn)損毀現(xiàn)象，陡槽外凸型階梯式消能工、消力池T形消力墩等獲得了良好的消能效果。但T形消力墩被淹沒在水下運(yùn)行，墩后補(bǔ)氣條件差，容易在前墩頂部、后側(cè)和支腿兩側(cè)及尾坎等部位產(chǎn)生空蝕，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意[2]。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 中華人民共和國國家能源局.水電建設(shè)項(xiàng)目水土保持方案技術(shù)規(guī)范：DL/T 5419—2009[S].北京：中國電力出版社，2009：1-10.

[2] 田嘉寧，李郁俠.T形墩消力池的體型與水力設(shè)計(jì)[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1998(4):368-372.