南方電網(wǎng)抽水蓄能電站泄洪建筑物優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

潘定才 章鵬

摘要：抽水蓄能電站泄洪建筑物一般參照常規(guī)水電站進(jìn)行設(shè)計(jì)，但其泄洪建筑物運(yùn)行情況與常規(guī)水電站有較大差異。分析了南方電網(wǎng)廣州、惠州抽水蓄能電站泄洪建筑物的運(yùn)行情況，總結(jié)其泄洪建筑物運(yùn)行特點(diǎn)為：大流量放水泄洪較少出現(xiàn)，水庫(kù)多余水量主要通過(guò)放水底孔泄流，溢洪道或溢流堰等泄洪建筑物使用率極低。提出泄洪建筑物采用與導(dǎo)流結(jié)合、無(wú)閘門自由溢流豎井泄洪洞的優(yōu)化方向，并采用設(shè)錐形閥的放水底孔泄放水庫(kù)多余水量。在清遠(yuǎn)、海南瓊中、梅州等多個(gè)抽水蓄能電站項(xiàng)目應(yīng)用表明，泄洪建筑物優(yōu)化降低了電站運(yùn)行維護(hù)難度，節(jié)約了工程投資，可供后續(xù)類似項(xiàng)目研究借鑒。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站;泄洪建筑物;設(shè)計(jì)優(yōu)化;南方電網(wǎng)

中圖法分類號(hào)：TV743文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.006

中國(guó)南方電網(wǎng)已建和在建的抽水蓄能電站均為無(wú)防洪任務(wù)要求的純抽水蓄能電站，水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算主要考慮入庫(kù)洪水過(guò)程與發(fā)電或抽水過(guò)程的滑動(dòng)疊加組合[1]，根據(jù)計(jì)算指導(dǎo)泄洪建筑物設(shè)計(jì)。由于純抽水蓄能電站集雨面積較小，洪水洪峰流量不大，上、下兩水庫(kù)總有效庫(kù)容是2個(gè)水庫(kù)正常運(yùn)行時(shí)總儲(chǔ)水量的2倍，因此其泄洪建筑物運(yùn)行情況與常規(guī)水電站有較大差異。本文通過(guò)分析已建的廣州、惠州抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱“廣蓄電站”、“惠蓄電站”）泄洪建筑物的運(yùn)行情況，分析抽水蓄能電站泄洪建筑物運(yùn)行特點(diǎn)，提出在確保建筑物安全可靠運(yùn)行條件下泄洪建筑物的優(yōu)化方向。

1 純抽水蓄能電站泄洪建筑物運(yùn)行特點(diǎn)

對(duì)廣蓄、惠蓄電站投運(yùn)以來(lái)泄洪建筑物多年運(yùn)行情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)泄洪建筑物溢洪道或溢流堰使用頻率較低。

1.1 廣蓄電站

廣蓄上庫(kù)集雨面積5 km2，正常蓄水位816.8 m，設(shè)計(jì)洪水位818.25 m。大壩為混凝土面板堆石壩，采用不設(shè)閘門自由溢流的側(cè)槽岸坡式溢洪道。電站投運(yùn)24 a來(lái)，上水庫(kù)僅2001年略超過(guò)正常蓄水位（非正常調(diào)度）。上庫(kù)歷年均出現(xiàn)過(guò)日降雨量超過(guò)50 mm的暴雨;最大日降雨量出現(xiàn)在2013年，為降雨量250 mm的特大暴雨（圖1）。取2013年上水庫(kù)每日最高庫(kù)水位和日降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析（圖2），相關(guān)系數(shù)為0.07，水位與降雨量相關(guān)性較低，水位主要受電站運(yùn)行工況控制。24 a期間，上庫(kù)溢洪道僅放水1次（非正常調(diào)度），溢洪道使用頻率較低，運(yùn)行情況見(jiàn)表1。

廣蓄下庫(kù)集雨面積13 km2，正常蓄水位287.7 m，設(shè)計(jì)洪水位289.9 m。大壩為碾壓混凝土重力壩，采用有平板閘門控制的溢流堰，溢流堰頂高程285.6 m。壩內(nèi)預(yù)埋內(nèi)徑0.8 m鋼管作為放水管，放水管后分岔接小水電站（保安電源），放水管末端設(shè)錐形閥控制泄流。電站投運(yùn)24 a來(lái)，下庫(kù)最高水位未超過(guò)正常蓄水位。下庫(kù)歷年均出現(xiàn)過(guò)日降雨量超過(guò)50 mm的暴雨;最大日降雨量出現(xiàn)在2013年，降雨量為273.5 mm的特大暴雨（圖1）。取2013年下水庫(kù)每日最高水位和日降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析（圖2），相關(guān)系數(shù)為0.12。每日最高水位與降雨量相關(guān)性較低，水位主要受電站運(yùn)行工況控制。2008年以前下庫(kù)主要通過(guò)小水電站發(fā)電和溢流堰放水;2009年以來(lái)，電廠調(diào)整了運(yùn)行規(guī)則，下庫(kù)主要通過(guò)小水電站發(fā)電和放水管放水，溢流堰使用頻率大幅減小，僅2013年通過(guò)溢流堰放水1次，運(yùn)行情況見(jiàn)表2。

1.2 惠蓄電站

惠蓄上庫(kù)集雨面積5.2 km2，正常蓄水位762 m，設(shè)計(jì)洪水位763.64 m。主壩為碾壓混凝土重力壩，副壩為黏土心墻堆石壩，采用開(kāi)敞式自由溢流堰。主壩內(nèi)設(shè)放水底孔，采用預(yù)埋內(nèi)徑1.4 m鋼管，由錐形閥控制泄流。電站投運(yùn)以來(lái)，上庫(kù)水位未超過(guò)正常蓄水位;上庫(kù)歷年均出現(xiàn)過(guò)日降雨量超過(guò)50 mm的暴雨;最大日降雨量出現(xiàn)在2015年，為323 mm的特大暴雨（圖3）。取2015年上水庫(kù)每日最高水位和日降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析（圖4），相關(guān)系數(shù)為0.11。每日最高水位與降雨量相關(guān)性較低，水位主要受電站運(yùn)行工況控制。電站投運(yùn)以來(lái)上庫(kù)溢流堰和放水底孔均未泄洪;2011年、2014年、2015年為緩解下游旱情放水底孔共放水153.4萬(wàn)m3，見(jiàn)表3。

惠蓄下庫(kù)集雨面積11.3 km2，正常蓄水位231 m，設(shè)計(jì)洪水位234.05 m。主壩為碾壓混凝土重力壩，副壩為黏土心墻堆石壩，采用開(kāi)敞式自由溢流堰。主壩內(nèi)設(shè)放水底孔，采用預(yù)埋內(nèi)徑1.8 m鋼管，放水底孔鋼管后分岔接小水電站（黑啟動(dòng)電源），放水底孔鋼管末端由錐形閥控制泄流。電站投運(yùn)以來(lái)，下庫(kù)水位未超過(guò)正常蓄水位;下庫(kù)歷年均出現(xiàn)了日降雨量超過(guò)50 mm的暴雨;最大日降雨量出現(xiàn)在2013年，降雨量為194.7 mm（圖3）。取2013年下水庫(kù)每日最高水位和日降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析（圖4），相關(guān)系數(shù)為-0.07。每日最高水位與降雨量相關(guān)性較低，水位主要受電站運(yùn)行工況控制。電站建成以來(lái)下庫(kù)溢流堰未泄洪，2011年2月小水電站建成前下庫(kù)多余水量通過(guò)放水底孔下泄，2011年3月開(kāi)始通過(guò)小水電站發(fā)電放水，放水底孔使用較少。

1.3 優(yōu)化方向

廣蓄、惠蓄電站上、下庫(kù)正常調(diào)度下的水庫(kù)水位未出現(xiàn)超過(guò)正常蓄水位的情況。數(shù)據(jù)分析表明，水庫(kù)每日最高水位與日降雨量相關(guān)性較小。由于抽水蓄能電站有上、下兩個(gè)水庫(kù)，總水量只占用了一個(gè)水庫(kù)的有效庫(kù)容，降雨對(duì)純抽水蓄能電站水位影響較小，水庫(kù)水位主要由電站運(yùn)行工況控制。電站泄洪建筑物運(yùn)行情況與常規(guī)水電站有較大差異，大流量的放水泄洪較少出現(xiàn)，較多的是下水庫(kù)通過(guò)放水設(shè)施小流量泄放水庫(kù)多余水量。抽水蓄能電站正常運(yùn)行時(shí)，上、下水庫(kù)的總水量不能超過(guò)兩個(gè)水庫(kù)有效庫(kù)容的一半，水庫(kù)多余水量主要通過(guò)放水底孔泄流，放水底孔是運(yùn)行較多的泄洪設(shè)施，需要及時(shí)宣泄多余水量。而溢洪道或溢流堰等泄洪建筑物則極少使用，可作為泄洪建筑物的優(yōu)化方向，同時(shí)采用無(wú)閘門自由溢流有利于運(yùn)行管理。

2 抽水蓄能電站泄洪建筑物優(yōu)化

鑒于抽水蓄能電站溢洪道或溢流堰等泄洪建筑物使用頻率較低，放水底孔運(yùn)行較多，與常規(guī)水電站泄洪建筑物運(yùn)行方式存在較大差異。電站采用開(kāi)敞式溢洪道布置的工程量及對(duì)環(huán)境破壞均較大，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，可研究采用和導(dǎo)流洞結(jié)合的豎井泄洪洞方案，同時(shí)設(shè)置較大直徑的放水底孔。

豎井泄洪洞由井口導(dǎo)流防渦設(shè)施、環(huán)形溢流堰、豎井及消能井段、退水隧洞段（原導(dǎo)流洞）及出口消能段組成。豎井泄洪洞進(jìn)口采用無(wú)閘控制環(huán)形實(shí)用堰，堰頂高程與正常蓄水位齊平。豎井泄洪洞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，進(jìn)水口可根據(jù)地形地質(zhì)條件布置，且能在圍巖條件較差情況下施工，有較大靈活性;適用水頭范圍廣，消能率可達(dá)80%以上[2]。

放水底孔采用錐形閥控泄方式，與常規(guī)閘門相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置方便、啟閉靈活、不易振動(dòng)、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合抽水蓄能電站需要經(jīng)常性小開(kāi)度開(kāi)啟閥門泄放水庫(kù)多余徑流的特點(diǎn)。

2.1 清遠(yuǎn)抽水蓄能電站

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站下水庫(kù)為黏土心墻堆渣壩，兩岸地形陡峻，采用岸邊開(kāi)敞式溢洪道方案開(kāi)挖量較大，經(jīng)多方案比較后，采用和導(dǎo)流洞結(jié)合的豎井泄洪洞方案，無(wú)閘控制旋流環(huán)形堰泄流。泄洪洞水頭約63 m，最大泄流量534.2 m3/s，洞內(nèi)預(yù)埋內(nèi)徑1.6 m的放水底孔，放水底孔末端設(shè)閘閥室及工作閥，利用錐形閥控制泄流（圖5）。在下庫(kù)蓄水期間，人為壅高水位進(jìn)行了一次原型過(guò)流試驗(yàn)，過(guò)水后檢查建筑物一切正常。根據(jù)電站可行性研究報(bào)告，下水庫(kù)采用和導(dǎo)流洞結(jié)合的豎井泄洪洞方案，與開(kāi)敞式溢洪道方案相比，減少土石方開(kāi)挖量約18萬(wàn)m3，地表開(kāi)挖面積減少約16 800 m2，節(jié)約投資1 261萬(wàn)元[3]。

2.2 海南瓊中抽水蓄能電站

海南瓊中抽水蓄能電站上水庫(kù)為面板堆石壩，泄洪建筑物可行性研究設(shè)計(jì)階段采用岸邊開(kāi)敞式溢洪道。上水庫(kù)基巖風(fēng)化較深，岸邊開(kāi)敞式溢洪道開(kāi)挖量較大，右側(cè)開(kāi)挖邊坡較高，生態(tài)環(huán)境破壞較大。招標(biāo)設(shè)計(jì)階段泄洪建筑物優(yōu)化為和導(dǎo)流洞結(jié)合的豎井泄洪洞（圖6），無(wú)閘控制環(huán)形實(shí)用堰泄流。泄洪洞水頭約50 m，最大泄流量70.4 m3/s。根據(jù)海南瓊中抽水蓄能電站上水庫(kù)溢洪道設(shè)計(jì)變更專題報(bào)告審查意見(jiàn)，上水庫(kù)采用和導(dǎo)流洞結(jié)合的豎井泄洪洞方案，與岸邊開(kāi)敞式溢洪道方案相比，減少土石方開(kāi)挖約4萬(wàn)m3，地表開(kāi)挖面積減少約7 300 m2，節(jié)約投資641萬(wàn)元[4]。

2.3 梅州抽水蓄能電站

梅州抽水蓄能電站上水庫(kù)直接采用和導(dǎo)流洞結(jié)合的豎井泄洪洞方案（圖7），采用無(wú)閘控制環(huán)形實(shí)用堰泄流。泄洪洞水頭約53 m，最大泄流量60 m3/s。根據(jù)電站可行性研究報(bào)告，上水庫(kù)采用和導(dǎo)流洞結(jié)合的豎井泄洪洞方案，與開(kāi)敞式溢洪道方案相比，節(jié)約投資739萬(wàn)元[5]。下水庫(kù)由碾壓混凝土重力壩設(shè)閘門的表孔+深孔方案優(yōu)化為壩頂自由溢流+設(shè)錐形閥的放水管方案。

3 結(jié) 語(yǔ)

純抽水蓄能電站泄洪建筑物水頭一般不超過(guò)100 m，加之其特殊的運(yùn)行情況，在布置開(kāi)敞式溢洪道代價(jià)較大的情況下，可研究采用豎井泄洪洞方案。目前已在清遠(yuǎn)抽水蓄能電站上水庫(kù)和下水庫(kù)、海南瓊中和梅州抽水蓄能電站上水庫(kù)等項(xiàng)目應(yīng)用。與開(kāi)敞式溢洪道相比，和導(dǎo)流洞結(jié)合的豎井泄洪洞土石方開(kāi)挖工程量較小，能有效降低邊坡開(kāi)挖高度，減少征地面積，對(duì)地表環(huán)境破壞較小，有利于節(jié)約投資和環(huán)境保護(hù)。

對(duì)常規(guī)設(shè)置的泄洪建筑物，宜不設(shè)閘門，采用自由溢流建筑物+設(shè)錐形閥的放水底孔方案，具有啟閉靈活、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已在清遠(yuǎn)、深圳、梅州、陽(yáng)江等抽水蓄能電站下水庫(kù)項(xiàng)目中應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站建設(shè)正處于建設(shè)高峰期，在類似的項(xiàng)目建設(shè)中可借鑒上述優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. 廣東梅州抽水蓄能電站可行性研究報(bào)告[R]. 長(zhǎng)沙：中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2015.

（編輯：李 慧）