姜忠見 ，王櫻畯

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122；2.國家能源水電工程技術研發(fā)中心抽水蓄能工程技術研發(fā)分中心，浙江省杭州市 311122）

0 引言

由于抽水蓄能電站發(fā)電流量是排放至下水庫，所以下水庫洪水調節(jié)時必須考慮發(fā)電流量和天然洪水的共同影響。為避免發(fā)生人為洪水對下游造成不利影響，使水庫具有必要的泄洪能力，需要設置泄洪設施來平衡水庫水量。

當兩岸山坡陡峻，而又無合適埡口利用，布置側槽式溢洪道，可避免開挖形成高邊坡。進口沿著岸坡等高線開挖，可增加溢流前緣寬度，在堰頂高程一定時仍可保持較大流量。由于側槽內水流流態(tài)較復雜，一般需經(jīng)水力學模型試驗驗證方案合理性。

天荒坪抽水蓄能電站下水庫山高坡陡，洪水具有暴漲暴落的特點，溢洪道選擇在地形較緩的左岸壩頭，采用側堰的布置型式。經(jīng)技術經(jīng)濟比較論證，溢洪道采用無閘門自由溢流方式，運行管理較方便，堰頂高程與正常蓄水位持平，溢流凈寬按照自由溢流最大流量小于天然洪峰流量確定。

本文闡述了天荒坪工程下水庫溢洪道設計方案及特點，探討了抽水蓄能電站水庫調洪方式、溢洪道布置方案等技術發(fā)展趨勢。

1 下水庫概述

天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省北部安吉縣天荒坪鎮(zhèn)境內，下庫位于大溪中游上段高山峽谷區(qū)，水庫全長2km左右，河道縱坡降約5%。下水庫控制流域面積24.2km2，設計最高蓄水位344.5m，最低蓄水位295m，設計洪水位347.31m，校核洪水位348.25m，要求P.M.F可能最大洪水不漫頂。下水庫有效庫容802.08萬m3，工作深度49.5m，正常運行時水位日變幅44.80m。

大壩壩型為混凝土面板堆石壩，趾板處最大壩高87.2m，壩頂長225.11m，壩頂寬8m，壩頂高程350.20m。上游壩坡1∶1.4，下游壩坡在上壩公路與壩頂之間均為1∶1.2，最低一級上壩公路與壩體的下部壩坡為1∶1.3。

圖1 天荒坪工程下水庫大壩及溢洪道平面布置圖Fig.1 Layout plan for dam and spillway of lower reservoir under Tianhuangping project

大壩左岸設岸邊開敞式側堰溢洪道。側堰長60m，溢洪道全長450m，陡槽寬度14m，最大泄流量（PMF）1280m3/s，采用挑流消能。陡槽末端設置曲面貼角斜鼻坎。

大壩右岸利用施工導流隧洞改建為放空隧洞，左岸交通泄放洞改為左岸供水放空洞，最大放水流量11.01m3/s。庫尾設高21m的攔沙壩，以阻擋入庫的推移質泥沙。

2 溢洪道設計方案

岸邊開敞式側堰溢洪道，布置于下水庫大壩混凝土面板堆石壩的左岸壩頭。溢洪道右邊墻兼有擋壩功能；溢洪道洪水標準采用100年一遇洪水設計，1000年一遇洪水校核，能宣泄PMF（可能最大洪水）。其軸線與大壩壩軸線平面交角74°，由側堰、側槽、調整段、陡槽段和挑流鼻坎等結構組成，采用挑流方式消能?？紤]到對外交通的需要，在樁號溢0-004～0+004m、高程350.20m及溢0+098m～0+106m、高程295.00m各設交通橋一座。

2.1 結構布置

2.1.1 側堰及側槽

側堰（溢0-100～0-040）長60m，堰頂高程344.50m（與設計最高蓄水位相同），堰面為WES曲線，曲線方程Y=0.1539X1.85，在高程334.50m以下接1：0.516直線，原點上游為X2/1.22+（0.7-Y）2/0.72=1的橢圓曲線。堰基上游部分采用混凝土襯砌（厚0.3m，寬1m）至高程338.50m，堰基下游部分為斜坡段，堰體貼坡在斜坡段，用錨筋與基巖錨固。

側槽（溢0-100～0-040m）為近似梯形的泄槽，長60m。槽底變寬，首端寬7m，末端寬14m，槽底采用i=0.05縱坡，首端高程334.50m，末端高程331.50m，底板采用0.6m厚鋼筋混凝土襯護并用錨筋錨固于基巖，均布基礎錨筋φ25，L=4m，@200×200cm。側槽右側與側堰相接，左側坡比為1∶0.5、厚0.6m的鋼筋混凝土貼坡墻，布設錨筋與邊坡基巖錨固。

2.1.2 調整段及泄槽

調整段（溢0-040～0-004m）為側槽與陡槽間的連接段，長36m，過水斷面在此由梯形漸變?yōu)榫匦危瑢M入陡槽前的水流起調節(jié)作用，其前段為R=100m的圓弧與側槽末相接，后段為直線段與陡槽連接，底寬14m，底板高程331.50m，0.6m厚鋼筋混凝土襯護。

陡槽（溢0-004～0+175.91m）為矩形泄槽，槽底寬14m，槽底沿地形設置1∶1.8和1∶3.0兩個縱坡，其間用半徑R=120m圓弧銜接。泄槽底板鋼筋混凝土厚度0.8m，用錨筋錨固于基巖。

溢洪道底板基礎布設排水系統(tǒng)，縱向排水采用φ50cm無砂混凝土管，橫向排水采用R=25cm半圓形無砂混凝土管。在樁號溢0-020.74m上游，底板及左邊墻混凝土內預埋排水孔。樁號溢0-020.74m下游，左邊墻水面線布置一排排水孔，右邊墻僅有少量排水孔。

溢洪道右邊墻均采用衡重式或重力式混凝土擋墻；左邊墻大部分結構為混凝土貼坡墻。側槽～陡槽段的底板與邊墻均為分離式結構，靠近邊墻1.0m處設置縱縫，其中調整段～陡槽段設有止水（帷幕以后）。邊墻每隔8～14m設一橫縫，縫間設有一道止水片。

溢洪道陡槽部位均采用C30混凝土，其中溢洪道0+160～0+221底板及邊墻距底板高2m范圍內迎水面40cm厚度范圍內，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）為曲面貼角異型鼻坎，長約46m，邊墻與底板不設結構縫。其右邊墻迎水面按圓弧面收縮或漸變成曲面體，左邊墻迎水面仍保持垂直面不變，順水流方向溢0+175.91m～0+183.00m段以1∶3.0坡比與陡槽銜接，0+183.00～0+201.31m段接以R1=25m、R2=50m的兩段圓弧，其后是挑射角θ=11.987o（坡比1∶4.71）的直線段。鼻坎末端設混凝土齒墻，嵌入基巖高程為251.50m。

溢洪道挑流鼻坎下游附近設置一深4m的靜水池，出水渠長120余米，通過預挖沖刷坑形成，渠底高程240.00m，前后分別接以1∶3.5、1∶2.0的開挖坡。

防沖措施主要是設預挖沖坑以保證有足夠的水墊深度。為防止小流量時水流直接砸在挑坎下面的基礎，在挑坎下游設置“靜水池”。

2.1.4 防空蝕設計

為防止溢洪道發(fā)生空蝕，設計措施如下：

（1）在樁號溢0+038.0、溢0+069.0、溢0+113.0、溢0+166.0布置4個摻氣槽。

（2）對反弧消能段采用較高標號的混凝土以提高其抗蝕性能。

（3）提出底板及邊壁表面不平整度要求。

2.2 水力學模型試驗及運行情況

在初步設計階段和招標設計階段，均開展了水力學模型試驗。試驗表明，設計提出的側堰、側槽、泄槽及試驗修改后的挑坎等建筑物布置均是可行的。經(jīng)多種方案比較和測試，左側曲面貼角斜鼻坎方案較好地在下游狹窄河道中將水流沿縱向拉開、分散，達到在各種洪水頻率下盡量不沖或少沖兩岸的目的。

施工圖階段的模型試驗結論：

（1）該方案泄流時基本上達到了“縱向拉開，錯開落點，導向防沖”的目標，在設計情況、校核情況和小流量泄流時基本上做到不沖刷左、右岸，消能良好，沖深很淺，現(xiàn)有的預挖沖坑合適。

（2）該方案的P=5%、2%、1%、0.1%和P.M.F頻率下泄洪試驗均無異常情況，下泄水流歸槽情況良好。

溢洪道自下庫投運以來已泄洪數(shù)次，目前溢洪道堰體、側槽、泄槽及邊墻、挑流鼻坎及沖坑無異常，溢洪道高邊坡無掉塊現(xiàn)象。

3 溢洪道設計特點

下水庫溢洪道主要有以下特點：

（1）溢洪道布置合理，充分利用地形條件，節(jié)省工程投資。

為避免開挖形成高邊坡，充分利用地形條件，總體布置簡捷，無論開挖量還是混凝土量均達到最優(yōu)選擇。

（2）開敞式側槽溢洪道運行管理方便，超泄洪水能力強，防洪更安全。

開敞式側槽溢洪道運行管理方便，只要定期巡檢即可。溢洪道能宣泄PMF洪水，超泄洪水能力強，防洪更加安全可靠。目前在抽水蓄能電站中應用越來越多。

（3）溢洪道結構簡捷，邊墻直接擋壩，經(jīng)濟合理。

左岸溢洪道右邊墻與大壩面板堆石壩壩體銜接，利用邊墻直接擋壩。大壩壩體上游面板直接與溢洪道邊墻銜接形成周邊縫，壩體填筑料按周邊縫要求進行設計。大壩壩后坡與溢洪道泄槽右邊墻銜接，右邊墻根據(jù)地形不同采用衡重式或重力式擋墻，節(jié)省了壩體填筑方量。泄槽左邊墻靠山體側直立邊坡開挖，0.6m厚混凝土直立擋墻，結構設計簡捷，最大限度節(jié)省了混凝土工程量。

（4）新穎的挑流鼻坎結構。

溢洪道位于左壩頭，最大泄量1280m3/s。下游消能區(qū)河谷狹窄，最窄處僅10多米寬，消能防沖有一定難度。挑流鼻坎采用曲面貼角異形鼻坎，將水流扭曲挑向河床，挑流水舌縱向拉開達100m左右，水舌不砸左右岸。

圖3 天荒坪工程下水庫溢洪道挑流鼻坎結構Fig.3 The structure of spillway flip-bucket of lower reservoir in Tianhuangping project

4 抽水蓄能電站溢洪道技術發(fā)展

4.1 抽水蓄能電站調洪原則

一般來說，抽水蓄能電站調洪原則為，水庫下泄流量不超過天然入庫洪水流量；庫水位高于或等于設計洪水位時，電站停止發(fā)電；上、下水庫水位未恢復正常情況（即上、下水庫死水位以上總蓄水量超過電站調節(jié)庫容）前，利用泄洪建筑物下泄洪水，直至上、下水庫水位恢復正常情況。

目前抽水蓄能電站的調洪原則是在天荒坪工程以后建立的，雖然天荒坪下庫溢洪道泄洪已經(jīng)考慮了天然洪水與發(fā)電流量的疊加，但由于天荒坪下水庫導流洞改建的導流泄放洞沒有考慮泄洪功能，只考慮水庫放空檢修，僅設置直徑1m的放空管，后來在左岸施工交通洞內也設置直徑1m的放水管及錐閥，但總泄洪能力非常有限，洪水不能順利排放，只能水位超過堰頂高程后、溢洪道才能有效地泄洪。

天荒坪水庫庫容設計為5h發(fā)電，1h備用。目前在十五年一遇洪水時，會導致出力受阻，1h的備用無法完全發(fā)揮作用。即使這樣，因為抽水蓄能電站上下兩個水庫只有一庫水，洪水影響發(fā)電的時間很有限。

從天荒坪工程以后，對于常規(guī)水庫容量的抽水蓄能電站，通過設置溢洪道和導流泄放洞來共同泄放洪水，洪水調度原則為：

（1）為不加重下游防洪負擔，最大下泄流量不超過壩址洪峰流量；

（2）當下庫水位在死水位～溢洪道堰頂高程時，開啟導流泄放洞下泄前一時段洪水，抽水蓄能電站按電力系統(tǒng)要求正常發(fā)電運行。

（3）當下庫水位在溢洪道堰頂高程～設計洪水位時，利用溢洪道和導流泄放洞共同泄放洪水，電站按電力系統(tǒng)要求正常發(fā)電運行。

4.2 溢洪道布置型式

對于抽水蓄能電站來說，泄洪建筑物布置應根據(jù)地形地質條件，具體工程具體分析，不可生搬硬套。天荒坪工程之后的溢洪道布置型式呈現(xiàn)多樣化的局面。

當兩岸山坡陡峻，而又無合適埡口利用，可以像天荒坪工程一樣布置側槽式溢洪道，可減少開挖，避免開挖形成高邊坡。而且進口沿著岸坡等高線開挖，可增加溢流前緣寬度，在堰頂高程一定時仍可保持較大的流量。

當兩岸受地形限制，難以布置岸邊溢洪道時，可考慮采用大壩混凝土壩，泄洪建筑物盡可能布置在混凝土壩體上，成為溢流混凝土壩或壩身泄洪孔。江西洪屏抽水蓄能電站下水庫壩址河谷狹窄，兩岸地形陡峭，校核洪峰流量達4640m3/s。結合壩型選擇，下水庫采用碾壓混凝土壩壩身泄洪的方式宣泄洪水。

當岸邊溢洪道的布置受到地形、地質條件限制，而泄洪不頻繁、泄量又不大的情況下，堆石壩可考慮采用壩身溢洪道。如浙江桐柏抽水蓄能電站下水庫溢洪道，右岸泥巖地質條件差，左岸溢洪道出水不順暢，而且溢洪道僅在20年一遇以上洪水組合時才啟用，經(jīng)論證采用壩身溢洪道。一般來說，壩身溢洪道的單寬泄量在20～30m3/s范圍。

5 結束語

天荒坪抽水蓄能電站下水庫溢洪道采用岸邊開敞式側堰結構，避免了開挖形成的高邊坡，同時具有較強的泄洪能力和超泄能力；同時利用溢洪道右邊墻擋壩，節(jié)省工程投資。由于側槽內水流流態(tài)復雜，經(jīng)多次水力學模型試驗驗證其方案可行性。在陡槽末端設置曲面貼角異形鼻坎，泄流時縱向拉開，錯開落點，經(jīng)運行期檢驗，消能防沖效果良好。

對于抽水蓄能電站而言，在設置溢洪道的同時設置低水位泄洪隧洞是必要的，可以保證泄洪流量不超過天然洪水流量。在進行溢洪道布置時，應結合地形地質條件，以及壩型選擇，采用合理可行的設計方案。