摘要：鐘祥抽水蓄能電站擬利用已建的北山水庫作為下水庫，該電站建成后發(fā)電流量與天然洪水疊加，將對北山水庫洪水調(diào)節(jié)產(chǎn)生較大影響。為保證下水庫本身的防洪安全、兼顧興利利用、保證大壩下游防護(hù)對象在發(fā)生防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時的安全、不增加庫區(qū)淹沒范圍，需對下水庫溢洪道進(jìn)行改建。對比分析了溢洪道擴(kuò)寬、新建泄洪洞和溢洪道改建閘門3種方案。結(jié)果表明：溢洪道改建閘門方案在對水庫下游防洪壓力、工程投資和水庫調(diào)度靈活性等方面均占優(yōu)，可作為推薦采用的方案。設(shè)計(jì)方案可為類似工程泄流改建提供參考。

關(guān)鍵詞：防洪調(diào)度； 溢洪道； 鐘祥抽水蓄能電站； 北山水庫

中圖法分類號：TV743

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.12.005

文章編號：1006-0081（2024）12-0023-06

0 引 言

為有效縮短工期、節(jié)省工程投資、實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化利用，目前大量抽水蓄能電站利用已建大、中型水庫作為抽水蓄能電站下水庫，如河南五岳、貴州貴陽、江蘇沙河、山東泰山、浙江仙居等抽水蓄能電站［1-4］。抽水蓄能電站建成后，發(fā)電流量與已建水庫天然洪水疊加，將增加水庫入庫洪水，影響下水庫防洪安全、樞紐安全和增加淹沒范圍等［5］。當(dāng)利用已建水庫作為抽水蓄能電站的下水庫時，應(yīng)對水庫進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)復(fù)核計(jì)算，并采取相應(yīng)措施，包括水庫改擴(kuò)建、調(diào)整原防洪調(diào)度方式等［6-7］。要保證下水庫本身的防洪安全、兼顧興利利用、保證大壩下游防護(hù)對象在發(fā)生防洪標(biāo)準(zhǔn)以下洪水時的安全，以及盡量不增加庫區(qū)淹沒范圍，同時還要有效控制水庫移民投資。

湖北鐘祥抽水蓄能電站擬采用已建的北山水庫作為下水庫，為維持北山水庫正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位均不變，不增加下游防洪壓力和水庫淹沒范圍，可考慮改擴(kuò)建泄洪設(shè)施、利用輸水隧洞泄洪、設(shè)置汛期限制水位等方式增加泄流能力或增大調(diào)洪庫容。為了不影響水庫效益發(fā)揮，同時考慮北山水庫溢洪道具備改建條件，擬采用擴(kuò)建泄洪設(shè)施方案。目前，對于溢洪道泄洪能力不足的處理方法主要有擴(kuò)寬溢洪道、降低溢流堰堰底高程、優(yōu)化溢洪道進(jìn)水口、新建泄洪設(shè)施等［8-9］。本文在已有研究基礎(chǔ)上，對鐘祥抽水蓄能電站已建下水庫北山水庫泄洪設(shè)施改建方案進(jìn)行對比分析研究，得出推薦采用的方案。

1 工程概況

1.1 北山水庫

北山水庫位于鐘祥市冷水鎮(zhèn)孔艾村，壩址在漢江支流九渡港（北山河），控制流域面積56 km2，主河道長約16 km，河道比降為8.26‰，徑流主要來源于降水，壩址處多年平均年徑流量為1 731.30萬m3。北山水庫正常蓄水位87.55 m（1985國家高程基準(zhǔn)，下同），死水位70.20 m，總庫容2 623萬m3，興利庫容1 751萬m3。鐘祥抽水蓄能電站建成后，北山水庫工程任務(wù)調(diào)整為以發(fā)電、灌溉為主，抽蓄電站建成后設(shè)置水庫的最低運(yùn)行控制水位78.20 m，發(fā)電保證水位82.58 m，防洪調(diào)度以保樞紐安全為主，大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，設(shè)計(jì)洪水位90.05 m；校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1 000 a一遇，校核洪水位91.01 m。

北山水庫工程始建于1972年底，由大壩（主壩、兩座副壩）、溢洪道、南北輸水隧洞和放空隧洞等建筑物組成。2008～2010年進(jìn)行了樞紐工程除險加固。溢洪道位于主壩右端約280 m的山埡中，為無閘門控制寬頂堰溢洪道，堰頂高程87.55 m，凈寬60 m。溢洪道全長137.8 m，溢洪道現(xiàn)狀平面及縱剖面見圖2～3。溢洪道除進(jìn)水渠段有厚度約8 m的回填碎石土外，控制段（包括閘室）、泄槽段出露地層巖性為寒武系中統(tǒng)覃家廟群白云巖，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄-中厚層狀構(gòu)造。巖層產(chǎn)狀130°∠65°，層位穩(wěn)定。場區(qū)附近未見區(qū)域構(gòu)造活動跡象。節(jié)理較發(fā)育，閉合-微張，延伸較短。

1.2 鐘祥抽水蓄能電站

鐘祥抽水蓄能電站總裝機(jī)容量200 MW（2×100 MW），屬日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站，連續(xù)滿發(fā)小時數(shù)6 h，額定水頭104 m，全部機(jī)組滿發(fā)流量222.82m3/s。上、下水庫電站進(jìn)/出水口的水平距離約305 m，平均毛水頭差約106 m，距高比約2.9。該電站屬Ⅲ等中型工程，樞紐工程由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地面廠房及開關(guān)站等建筑物組成。其中，上水庫位于距北山水庫主壩上游1.5 km處的低山洼地中，由具有封閉態(tài)勢的山梁圍成，主要建筑物包括1座主壩、4座副壩以及環(huán)庫公路等，上水庫不設(shè)泄洪設(shè)施。水庫正常蓄水位197.00 m，死水位180.00 m，設(shè)計(jì)洪水位（100 a一遇）197.41 m，校核洪水位（1 000 a一遇）197.56 m。

2 抽水蓄能電站建設(shè)對北山水庫防洪影響

目前，北山水庫主要泄洪建筑物為無閘門控制溢洪道，堰頂高程87.55 m。當(dāng)水庫水位在87.55 m以下時，輸水隧洞泄洪；當(dāng)水庫水位超過87.55 m時，由溢洪道自行泄洪。

抽水蓄能電站建成后，按以下原則進(jìn)行洪水調(diào)節(jié)：針對不同洪水滑動疊加組合起調(diào)時，上、下水庫死水位以上蓄水量之和均不得超過下水庫調(diào)節(jié)庫容；當(dāng)下水庫壩前水位超過正常蓄水位87.55 m時，自由溢流；當(dāng)下水庫壩前水位超過100 a一遇最高調(diào)洪水位（抽水蓄能電站廠房設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)）時，抽水蓄能電站停機(jī)。調(diào)洪計(jì)算成果見表1。

分析表明，在不改變北山水庫原有泄流能力的情況下，當(dāng)抽水蓄能電站運(yùn)行后，北山水庫遭遇100 a一遇、1 000 a一遇洪水時，壩前最高水位相比現(xiàn)狀調(diào)度規(guī)程的設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位分別抬高約0.82 m和1.17 m；水庫遭遇20 a一遇、5 a一遇洪水的最高洪水位均增加了0.37 m，最大泄流量分別增加了92 m3/s和75 m3/s。

抽水蓄能電站的建設(shè)將抬高北山水庫洪水位，增加下泄量，影響水庫本身及下游防洪對象防洪安全，并增加淹沒范圍。

3 溢洪道改建方案設(shè)計(jì)

考慮對北山水庫溢洪道進(jìn)行改建，增加溢洪道泄流能力并調(diào)整水庫調(diào)度方式，以降低抽水蓄能電站建設(shè)后的北山水庫調(diào)洪水位，減少最大下泄流量，減輕抽蓄電站運(yùn)行對北山水庫防洪的影響。

3.1 改建原則

（1） 溢洪道改建以及鐘祥抽水蓄能電站建設(shè)后，保持水庫設(shè)計(jì)洪水位為90.05 m（100 a一遇）、校核洪水位91.01 m（1 000 a一遇）不變。

（2） 不增加常遇洪水庫區(qū)回水淹沒，即20 a一遇、5 a一遇的最高調(diào)洪水位不超過現(xiàn)狀對應(yīng)的最高調(diào)洪水位（89.87 m和89.14 m）。

（3） 滿足控泄條件時不增加下游防洪壓力。北山水庫下游河道以農(nóng)田、魚塘為主，現(xiàn)狀防洪能力不足5 a一遇，遭遇5 a一遇洪水時最大下泄流量為206 m3/s。為不增加下游防洪壓力，利用閘門控制最大泄流量不超過上述值。

3.2 溢洪道改建方案研究

為了保障水庫效益發(fā)揮，對擴(kuò)寬溢洪道、新建泄洪洞及溢洪道改建閘門方案進(jìn)行對比分析研究。

3.2.1 方案一：溢洪道擴(kuò)寬

將溢洪道左側(cè)結(jié)構(gòu)（包括進(jìn)水渠段護(hù)坡，控制段、陡槽段、挑流鼻坎段、裙板段邊墻）進(jìn)行拆除，擴(kuò)寬80 m至140 m后重建左側(cè)結(jié)構(gòu)，縱剖面同現(xiàn)狀溢洪道，擴(kuò)寬后三維示意見圖4。

（1） 進(jìn)水渠。溢洪道進(jìn)水渠長45 m，原設(shè)計(jì)底寬60 m，底板高程87.55 m。擬對控制段前進(jìn)水渠擴(kuò)寬80 m，改建后底板高程保持不變。擴(kuò)挖段邊坡與上游進(jìn)水渠邊坡平順連接，與控制段采用“八字形”扭坡平順銜接，邊坡表面采取0.5 m厚混凝土護(hù)坡進(jìn)行防護(hù)，并用混凝土防護(hù)進(jìn)水渠底板，底板混凝土厚0.5 m；進(jìn)水渠混凝土護(hù)坡范圍內(nèi)均設(shè)置排水孔。

（2） 控制段?？刂贫瘟鞯栏脑烨皟魧挾?0 m，在原控制段基礎(chǔ)上擴(kuò)寬80 m。改建后堰面高程、堰長保持不變?；炷恋装搴?.6 m，底板設(shè)置抗浮錨桿；邊墻頂寬0.5 m，底寬2.5 m，邊墻為漿砌塊石重力式擋土墻。

（3） 泄槽段。泄槽段需擴(kuò)寬80 m，改建后泄槽全長67 m。泄槽緩坡段長50 m，坡比為1∶31，底板厚0.6 m，底部高程從87.55 m降至85.95 m，寬度由140 m收縮到120 m，收縮角為6°。泄槽陡坡段長17 m，寬120 m，坡比為1∶4，底部高程從85.95 m降至81.70 m。邊墻擋水面垂直，背水面坡比為1∶0.25，泄槽段底板與邊墻為分離式結(jié)構(gòu)，泄槽段邊墻為漿砌塊石重力式擋土墻，邊墻頂寬0.5 m，底寬2.5 m，最大墻高為6.35 m。

（4） 挑流鼻坎段。挑流鼻坎段擴(kuò)寬80 m，鼻坎段長7.0 m、寬度120 m，鼻坎頂高程為81.55 m，挑射角為25°，反弧半徑6.2 m。底板為C35抗沖磨混凝土，兩側(cè)邊墻為漿砌石重力式擋土墻，墻頂高程為84.25 m，后接裙板段。

（5） 裙板段。裙板段擴(kuò)寬80 m，裙板段長13.8 m，寬度120.84 m，由兩段組成，第一段裙板長7.6 m，底板高程為79.95～75.20 m，底坡為1∶1.6，底板為C35抗沖磨混凝土，厚800 mm。左側(cè)為巖石山體，右側(cè)為漿砌石重力式擋土墻，擋墻高程為84.25～78.70 m。第二段裙板長6.2 m，底板高程為75.20 m，擋墻高程為78.70 m。裙板后接沖刷坑，坑底高程為72.18 m。

3.2.2 方案二：新建泄洪洞

新建泄洪洞布置在主壩右岸約100 m處，隧洞洞線為曲線布置，軸線前半段為直線，洞軸線中部以半徑20 m、轉(zhuǎn)角48°轉(zhuǎn)彎，后接直線洞段，出口設(shè)置在主壩下游右岸。泄洪洞全長約330 m，由進(jìn)口引渠段、進(jìn)水塔、有壓隧洞、出口工作閘室、明渠段、消力池和出水渠組成，泄洪洞縱剖面見圖5。

進(jìn)口采用岸塔式，底板高程68.20 m，進(jìn)口檢修門孔口尺寸6.0 m×5.5 m（寬×高），塔頂高程90.40 m，與壩頂便道相接。有壓隧洞洞身段全長116 m，縱向坡度i=1.9%。洞身標(biāo)準(zhǔn)斷面為圓形，直徑6.0 m，隧洞襯砌為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，襯砌厚度0.5 m。隧洞出口工作門孔口尺寸5.0 m×5.0 m（寬×高），出口底板高程66.00 m，后接長60 m、底坡1∶10的明渠段，明渠段下游接底流消力池和出水渠。消力池底板頂面高程60.00 m，池長15 m，寬12 m，深2 m。消能后的水流通過下游出水渠引入支溝。

3.2.3 方案三：溢洪道改建閘門

降低溢洪道控制段堰頂高程，并安裝弧形閘門；控制段由開敞式寬頂堰改建為5孔7.6 m×6.0 m（寬×高）的弧門控泄的寬頂堰;對溢洪道進(jìn)口段、泄槽段拆除后重建，挑流鼻坎及裙板段維持現(xiàn)狀，改建后平面及縱剖面見圖6～7。

（1） 進(jìn)水渠。對進(jìn)水渠底板進(jìn)行下挖改建，底板高程根據(jù)北山水庫正常蓄水位87.55 m對應(yīng)庫容扣除抽水蓄能電站按額定裝機(jī)容量連續(xù)滿發(fā)6 h所需水量對應(yīng)的水位確定，改建后底板高程為84.70 m。采用混凝土對進(jìn)水渠底板進(jìn)行防護(hù)，底板混凝土厚0.5 m。

（2） 控制段。改建后堰面高程84.70 m，堰長為16 m?？刂贫尾扇』￠T控泄，單孔寬度為7.6 m、高度為6 m，共5孔，孔間設(shè)置中墩，中墩寬5.5 m、墩長16 m，墩頂高程92.08 m，底板厚2.0 m。

（3） 泄槽段。泄槽段整體下挖，高程84.7～81.7 m，坡比1∶22.3，底板混凝土厚0.5 m。兩側(cè)邊墻、挑流鼻坎段和裙板段維持原有結(jié)構(gòu)，不進(jìn)行改建。

每孔設(shè)置1扇弧形工作閘門，閘門最大設(shè)計(jì)擋水5.35 m，不設(shè)置檢修閘門。

3.2.4 方案選擇

（1） 防洪方面。各方案下，考慮抽水蓄能電站影響，北山水庫遭遇各頻率洪水的最高調(diào)洪水位均未超過原設(shè)計(jì)值，但是，方案一遭遇5 a一遇、20 a一遇的最大下泄流量分別為417 m3/s和642 m3/s，為現(xiàn)狀調(diào)洪過程最大下泄流量的約2倍，存在人為增加下游洪峰的情況，將顯著增加下游防洪壓力。因此，不考慮方案一為改建方案。

方案二遭遇5 a一遇洪水的最大泄量未增加，遭遇20 a一遇洪水的最大泄量增加了67 m3/s;方案三遭遇5 a一遇、20 a一遇洪水的最大泄量均未增加。從對下游防洪壓力的影響來看，方案三較優(yōu)。

（2） 興利方面。鐘祥抽水蓄能電站建成后，各方案下北山水庫灌溉最低水位均按發(fā)電保證水位82.58 m控制，1972～2021年長系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算表明，灌溉保證率為86%，3個方案均能滿足現(xiàn)行調(diào)度規(guī)程要求。

（3） 工程投資方面。方案二和方案三的總投資分別為7 135.51萬元和2 848.21萬元。從工程投資來看，方案三較優(yōu)。

（4） 其他方面。方案二新建泄洪洞，采用閘門控制，當(dāng)來水不足5 a一遇時，為不增加下游防洪壓力，需要利用閘門對下泄流量進(jìn)行控制;方案三將溢洪道改建為閘門控制，當(dāng)來水不足20 a一遇時，為不增加下游防洪壓力，需要根據(jù)來水情況利用閘門對下泄流量進(jìn)行控制。兩個方案均增加了汛期防洪調(diào)度管理工作的復(fù)雜程度。

從對調(diào)度管理工作復(fù)雜程度的影響來看，方案二、方案三均需要操作閘門控制泄洪設(shè)施，方案三的調(diào)度要求較為復(fù)雜。但是通過閘門控制泄洪有利于提高水資源利用效率，實(shí)際運(yùn)行時可根據(jù)來水情況更靈活主動地調(diào)控庫水位，增加水庫調(diào)度的靈活性。

綜上所述，從對北山水庫下游防洪壓力、工程投資和水庫調(diào)度靈活性等方面來看（表2），方案三相對較優(yōu)，推薦采用方案三：溢洪道改建閘門方案。

4 結(jié)論和建議

（1） 利用已建水庫作為下水庫開發(fā)抽水蓄能電站，在維持水庫原正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位均不變，不增加下游防洪壓力和水庫淹沒范圍的原則下，可考慮通過改擴(kuò)建泄洪設(shè)施、利用輸水隧洞泄洪和設(shè)置汛期限制水位等方式增加泄流能力或增大調(diào)洪庫容。

（2） 以北山水庫為例，采用降低溢洪道控制段頂高程、增設(shè)閘門方案，在鐘祥抽水蓄能電站建成后，不增加下游防洪壓力，灌溉保證率仍能滿足現(xiàn)行調(diào)度規(guī)程和相關(guān)規(guī)范要求，且總投資最低。因此，推薦采用溢洪道改建閘門方案。

（3） 北山水庫溢洪道改建后，閘門調(diào)度與鐘祥抽水蓄能電站正常運(yùn)行密切相關(guān)，建議電站與水庫協(xié)調(diào)閘門的調(diào)度運(yùn)行管理，并對北山水庫下游河道重點(diǎn)河段進(jìn)行治理，提高河道行洪能力。

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Study on reconstruction scheme of spillway of lower reservoir of

Zhongxiang Pumped Storage Power Station

Abstract：

Zhongxiang Pumped Storage Power Station was planned to use the existing Beishan Reservoir as the lower reservoir.After the construction of power station was completed，the power generation flow superimposed with the natural flood would have a great impact on the flood regulation of Beishan Reservoir.In order to ensure the flood control safety of the lower reservoir，take into account the beneficial utilization，ensure the safety of the protected objects downstream of the dam when the flood at or above the flood control standard occurred，and not increase the inundated area of the reservoir area，the spillway of the lower reservoir need to be reconstructed.Three schemes，including widening the spillway，building a new flood discharge tunnel and reconstructing the gate of the spillway were analyzed and studied.The results showed that the scheme of reconstructing the gate of the spillway was superior in terms of flood control pressure on the downstream of the reservoir，project investment and flexibility of reservoir scheduling，and could be adopted as the recommended scheme.The designed scheme could provide a reference for the discharge reconstruction scheme of similar projects.

Key words：

flood regulation； spillway； Zhongxiang Pumped Storage Power Station； Beishan Reservoir