羅　媛

(深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1　工程概況

某抽水蓄能電站是為電力系統(tǒng)提供調(diào)峰、填谷和緊急事故的備用，其內(nèi)部構(gòu)件有上水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、發(fā)電廠房、下水庫(kù)等，屬于Ⅰ等大(1)型工程，設(shè)計(jì)發(fā)電量為20億kW·h，年抽水電量為26.8億kW·h，根據(jù)其運(yùn)行特性，主要是在下水庫(kù)布設(shè)泄水建筑物，并置于右壩頭庫(kù)岸段，以滿足雙向擋水的需求。該電站的下水庫(kù)樞紐包括擋水、泄水及補(bǔ)水建筑物，還有進(jìn)出水口、庫(kù)岸、庫(kù)盆等，其中：擋水建筑物屬于均質(zhì)土壩，壩頂?shù)膶挾燃案叨确謩e為7 m、11.4 m、軸線全長(zhǎng)為833 m。庫(kù)岸則是開挖形成的庫(kù)岸擋水，泄洪閘則是由固定式啟閉機(jī)啟閉控制的4 m×5.9 m工作閘門所構(gòu)成。

2　結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)分析

2.1　設(shè)計(jì)思路

水庫(kù)的周邊要設(shè)置一定數(shù)量的截水溝和排洪渠，在下水庫(kù)區(qū)域內(nèi)的來(lái)水主要是大氣降水，其集雨面積為0.71 km2，大體對(duì)應(yīng)水庫(kù)正常蓄水位的水面面積。上、下水庫(kù)24 h的暴雨、洪量設(shè)計(jì)，見表1。

2.2　泄水建筑方案比對(duì)及確定

根據(jù)本工程的具體情況，可以對(duì)下水庫(kù)泄水建筑物的泄洪形式進(jìn)行如下設(shè)計(jì)比選和分析[1]：

表1　上下水庫(kù)設(shè)計(jì)暴雨、設(shè)計(jì)洪量成果

(1)埋設(shè)外包混凝土鋼管泄洪。這是泄水建筑方案一，它是利用鋼管設(shè)置于擋水壩中部地勢(shì)較低的壩體底部區(qū)域，并放置在基巖槽內(nèi)。取水口和出水口分別位于下水庫(kù)內(nèi)和沙河水庫(kù)內(nèi)，進(jìn)出水口的中心線高程為14.9 m。泄洪管位于出水口處，并內(nèi)設(shè)電動(dòng)蝶閥，當(dāng)下水庫(kù)的水位處于正常狀態(tài)時(shí)，可以開啟閥門讓其自動(dòng)泄洪。通過(guò)計(jì)算分析，上水庫(kù)24 h的暴雨洪量總計(jì)為37.9萬(wàn)m3，下水庫(kù)在24 h的暴雨洪量總計(jì)為59.2萬(wàn)m3，以3 d的泄水實(shí)際時(shí)間為限，實(shí)際所需的泄水鋼管為直徑1.8 m的四根鋼管。

(2)埋設(shè)鋼筋混凝土管泄洪。這是泄水建筑方案二，它相較于之前的方案一來(lái)說(shuō)，區(qū)別在于鋼管的材料不同，其他沒(méi)有明顯的差別。

(3)混凝土溢流堰泄洪。這是泄水建筑方案三。它是在擋水壩中部設(shè)置溢流壩段，并使之與土石壩相聯(lián)結(jié)。溢流堰設(shè)計(jì)為開敞式的WES型實(shí)用堰，其具體的規(guī)格為：高6.5 m，底寬為13.4 m，頂部高程為19 m。通過(guò)相關(guān)的計(jì)算和分析，可知溢流堰在泄水時(shí)間為6.6 h的條件下，其溢流孔凈寬為35 m時(shí)可以最大程度上滿足泄洪的要求。具體的布置型式為：五個(gè)溢流孔的單孔寬度分別為7 m，各孔之間及兩側(cè)可以設(shè)置閘墩，其厚度為2.5 m，并使重力擋土墻式邊墩與土石壩相聯(lián)。

(4)泄洪設(shè)施方案比對(duì)選擇。在對(duì)上述不同的泄洪方案的比對(duì)、計(jì)算和分析之下，獲悉其工程投資依次為2489.1萬(wàn)元、2502.0萬(wàn)元、2910.5萬(wàn)元，由此可見，方案一：埋設(shè)外包混凝土鋼管泄洪是性價(jià)比最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)計(jì)算和分析可知其布置相對(duì)簡(jiǎn)單，管道具有良好的受力條件，投資成本最小，并且中間溢流壩段與兩端土壩的聯(lián)結(jié)處理效果良好，因而方案一是最佳的設(shè)計(jì)方案選擇。

3　方案的補(bǔ)充論證

3.1　泄水建筑物比選方案。

在初步計(jì)算和分析之下，埋設(shè)外包混凝土鋼管泄洪方案盡管有性價(jià)比最優(yōu)的方案，但也存在一些缺陷和問(wèn)題，具體表現(xiàn)在以下方面：

(1)下水庫(kù)大壩是采用雙向擋水的設(shè)計(jì)方式，為了滿足下水庫(kù)大壩的運(yùn)行、檢修需求，要設(shè)置雙向擋水蝶閥和檢修蝶閥，基于一條泄洪管設(shè)置扇蝶閥的要求，下水庫(kù)大壩的四條泄洪管要設(shè)置12扇蝶閥，這就增大了設(shè)計(jì)的難度。此外，電機(jī)不能入水，這就使下水庫(kù)大壩的結(jié)構(gòu)設(shè)置、配套設(shè)置都更為復(fù)雜，增大了工作和檢修的難度[2]。

(2)下水庫(kù)泄洪管處的雙向擋水蝶閥要投入較多的資金，而且國(guó)內(nèi)可選擇的生產(chǎn)廠家極其稀少，通過(guò)價(jià)格詢問(wèn)和調(diào)研，發(fā)現(xiàn)雙向硬密封的電動(dòng)蝶閥通常為250萬(wàn)元/臺(tái)，如果依照上面的設(shè)計(jì)，四條泄洪管要設(shè)置12臺(tái)蝶扇的情形則要投入3000萬(wàn)元的資金，這就極大地增加了土建成本、機(jī)電裝置安裝成本等，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)壓力[3]。

(3)外包鋼筋混凝土鋼管的施工敷設(shè)方式大多是位于土壩的底部區(qū)域，這就對(duì)鋼筋混凝土鋼管的排架基礎(chǔ)埋深施工提出了較高的要求，需要處理較大的基礎(chǔ)工程量，并有不同程度的外在干擾和影響，對(duì)于鋼管埋設(shè)造成了較大的難度[4]。

通過(guò)對(duì)上述埋設(shè)外包混凝土鋼管泄洪方案的問(wèn)題和不足分析，要結(jié)合該電站的具體運(yùn)行狀態(tài)和需求，進(jìn)行補(bǔ)充方案的比選和分析。

3.2　泄洪閘的運(yùn)行方式設(shè)計(jì)分析

該電站的每天泄洪時(shí)段為：電站發(fā)電時(shí)，下水庫(kù)水位抬高到正常蓄水位19 m時(shí)，打開控制閘門自流泄洪，待水位回落到正常蓄水位19 m時(shí)停止泄洪。在這個(gè)排洪時(shí)段內(nèi)，主要是將上水庫(kù)和下水庫(kù)的入庫(kù)洪量排入沙河水庫(kù)，確保電站的正常工作和運(yùn)行。

該電站的下水庫(kù)設(shè)計(jì)預(yù)留了上水庫(kù)檢修時(shí)的庫(kù)容，在下水庫(kù)正常運(yùn)行的過(guò)程中，可以在不泄洪的前提下全裝入191.5萬(wàn)m3水量；而沙河水文站可以滿足下水庫(kù)一年之內(nèi)的洪水，其最大年降水量達(dá)到了1618.6 mm，可以確保水庫(kù)各建筑物的安全性和穩(wěn)定性[5]。通過(guò)分析，該電站上水庫(kù)和下水庫(kù)都具有全裝設(shè)計(jì)暴雨洪量的能力，沙河流域與上、下水庫(kù)之間可以實(shí)現(xiàn)彼此之間的調(diào)劑，即：當(dāng)沙河流域處于汛期時(shí)的洪水水位時(shí)，則可以將其存入到下水庫(kù)之內(nèi)；而在上、下水庫(kù)出現(xiàn)洪水水位時(shí)，則可以將洪量排入到先行退去的沙河水庫(kù)之內(nèi)。

根據(jù)對(duì)沙河水庫(kù)歷年的水位資料調(diào)查和分析，其多年的平均最高水位和最低水位分別為18.3 m、13.8 m；汛期的最高及最低水位分別為20.1 m、15.5 m。由此可知，該電站可以確保其下水庫(kù)的洪水適時(shí)排入到沙河水庫(kù)之中，使電站的工作水頭處于正常運(yùn)行的狀態(tài)之下。

3.3　泄洪閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

(1)工程地質(zhì)條件分析。從該電站的下水庫(kù)的工程地質(zhì)條件來(lái)看，其地形處于相對(duì)平緩的狀態(tài)，基巖部分主要為晶屑凝灰?guī)r、安山斑巖，這些巖石發(fā)育存在裂縫，不具有良好的完整性。該水庫(kù)泄水建筑物的場(chǎng)址處于地震基本烈度為7°的區(qū)域，因而要設(shè)計(jì)乙類的水工建筑物，以較好地達(dá)到抗震效果[6]。

(2)泄洪閘布置。要充分考慮水庫(kù)泄水建筑物所處的地形、地質(zhì)條件，要采用盡量少挖少填的設(shè)計(jì)方式，并使之滿足泄洪的基本要求。泄洪閘的設(shè)計(jì)部位為大壩的右壩頭庫(kù)岸段，包括進(jìn)口引水渠、控制段、泄槽段、啟閉機(jī)房等。該泄洪閘的結(jié)構(gòu)底部高程為17 m，控制段閘室要設(shè)置檢修門和工作門，泄槽為開挖形成的梯形斷面，并以襯砌混凝土或草皮進(jìn)行護(hù)坡，并具體根據(jù)泄槽高程的不同進(jìn)行適宜的護(hù)坡設(shè)計(jì)。最后還要開挖明渠，使之與沙河水庫(kù)相連。

(3)泄洪閘泄洪能力復(fù)核。重點(diǎn)分析下水庫(kù)與沙河水庫(kù)不同水位的泄流能力的對(duì)應(yīng)性，在不同的水位之下其泄洪能力具體表現(xiàn)為：下水庫(kù)水位比沙河水庫(kù)的水位大時(shí)，其泄洪能力隨著水位的上升而遞增，而泄洪時(shí)間則逐漸縮短。當(dāng)下水庫(kù)水位在19 m開始泄洪，沙河水庫(kù)的水位要比下水庫(kù)水位低0.5 m時(shí)，其泄洪閘的結(jié)構(gòu)尺寸能夠較好地滿足下水庫(kù)的排洪需求。

(4)泄洪閘穩(wěn)定應(yīng)力復(fù)核。這是通過(guò)荷載組合進(jìn)行計(jì)算的方式進(jìn)行復(fù)核，結(jié)合下水庫(kù)的具體情況進(jìn)行分析，最終獲悉：該電站的泄洪閘可以較好地滿足各種工況條件下的排洪應(yīng)用，具有較強(qiáng)的抗滑穩(wěn)定性和基底應(yīng)力，安全性和穩(wěn)定性良好。

4　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同方案的適當(dāng)比選、設(shè)定、計(jì)算和分析等方式，較好地進(jìn)行優(yōu)化選擇，兼顧水庫(kù)各建筑物的施工進(jìn)度、投資等方面的要求，使水庫(kù)相關(guān)建筑物在結(jié)構(gòu)型式、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工，以及維護(hù)等方面滿足相關(guān)的建筑要求，并重點(diǎn)考慮水庫(kù)下閘的優(yōu)化程序，縮短下閘的時(shí)間，并擬定相應(yīng)的方案應(yīng)急計(jì)劃和措施，以確保水庫(kù)度汛安全。