溧阳抽水蓄能电站下水库泄水建筑物设计

常姗姗

（中国水电顾问集团中南勘测设计研究院有限公司 长沙市 410014）

溧阳抽水蓄能电站泄水建筑物根据其运行特性，仅需在下水库布置泄水建筑物；在临沙河水库侧布置均质土坝，泄水建筑物布置在右坝头库岸段，其泄水建筑物需要双向挡水。故选择合适的泄水建筑物的型式与布局，在满足结构安全运行的基础上使泄水建筑物的结构体型较为合理、经济、便于施工，是本文所需阐述的重点。

1 工程概况

溧阳抽水蓄能电站位于江苏省溧阳市，其开发任务主要是为江苏电力系统提供调峰、填谷和紧急事故备用。电站装机容量1 500 MW，设计年发电量20.07亿kW·h，年抽水电量26.76 亿kW·h。本工程为一等大(Ⅰ)型工程。电站枢纽建筑物主要由上水库、输水系统、发电厂房及下水库等4 部分组成。

下水库枢纽主要由挡水建筑物、泄水建筑物、补水建筑物、下水库进/出水口、库岸及库盆组成。水库正常蓄水位19.00 m，调节库容1 198 万m3。挡水建筑物为均质土坝，布置在临沙河水库侧；坝顶宽度为7.0 m，最大坝高11.40 m； 大坝坝轴线全长833.146 m，采用圆弧段同南、北库岸相连。库岸部位大部分段为开挖形成的库岸挡水。泄洪闸位于挡水坝的右坝头库岸段，孔口宽度4.0 m，由两扇4 m×5.9 m 工作（检修）闸门由固定式启闭机启闭。

2 泄水建筑物结构型式设计

2.1 设计思路

因库周设置截水沟及排洪渠，下水库主要来水为库区集雨面积范围内的大气降水，水库集雨面积为下水库库口面积0.706 km2，与水库正常蓄水位对应的水面面积基本相当；其洪水按24 h 暴雨形成的洪水水量全部蓄于正常蓄水位以上考虑。上下水库24 h 设计暴雨、设计洪量见表1。上、下库汛期发生洪水时，需向沙河水库泄洪。

根据本工程技术特点，设计上对泄水建筑物布置及型式的选择进行了系列方案的研究及比较，初拟了主要设计方案，并在收集国内外相关资料的基础上，根据工程的实际情况，对泄水建筑物进行了进一步切实可行的设计，选定最终的泄水建筑物设计方案。

表1 上下水库设计暴雨、设计洪量成果

2.2 泄水建筑物方案比较与选择

下水库泄洪设施方案比较了混凝土溢流堰、埋设外包钢筋混凝土钢管以及埋设钢筋混凝土管等3种泄洪型式。

（1）埋设外包混凝土钢管泄洪（方案一）：钢管布置在挡水坝中部地势较低的坝体底部、距沙河水库最近处，且置于基岩槽内。取水口埋置在下水库内，出水口位于沙河水库内，进出水口中心线高程为14.892 m。泄洪管设有电动蝶阀，置于出水口处，下水库水位达到正常蓄水位后，打开阀门自流泄洪。由于上、下两水库24 h 暴雨洪量之和分别为37.90 万m3、59.20 万m3，经计算，按3 天实际泄水时间6.6 h计算，需要4 根直径为1.80 m 的钢管泄水。

（2）埋设钢筋混凝土管泄洪（方案二）：与浅埋式钢管相比，仅管材不同。

（3）混凝土溢流堰泄洪（方案三）：溢流坝段布置在挡水坝中部，两端与土石坝相接，溢流堰采用开敞式WES 型实用堰，堰顶高程19.00 m，堰高6.5 m，底宽13.4 m。经计算，按可利用泄水时间6.6 h 计，取溢流孔净宽35.0 m 时，满足其最大泄量的需求。其布置为：溢流孔单孔宽7.0 m，设5 孔，孔间及两端部位设闸墩，中墩及边墩厚度均为2.50 m，重力挡土墙式边墩与土石坝相接。

（4）泄洪设施方案比选：通过对各泄洪方案综合比较，方案一～方案三的工程投资分别为2 489.11万元、2 502.96 万元及2 910.46 万元；其中方案一投资最小，布置相对简单，且管道受力条件好，也无溢流堰泄洪方案中间溢流坝段与两端土坝连接处理问题。故初步推荐采用埋设外包混凝土钢管泄洪方案。

2.3 泄水建筑物方案的补充论证

2.3.1 泄水建筑物比选方案的提出

通过对初步拟定的埋设外包混凝土钢管泄洪方案进一步深入研究，认为该方案存在以下问题：

（1）由于下水库大坝为双向挡水，考虑其运行及检修要求，泄洪管设置双向挡水蝶阀和检修蝶阀，一条泄洪管需设置3 扇蝶阀，4 条泄洪管则置12 扇蝶阀，而且电机不能入水，检修、工作室及工作排架也需配套设置，结构布置、施工及运行都较为复杂。

（2）双向挡水的蝶阀较贵，投资较大，且国内生产厂家较少。经询价，双向硬密封电动蝶阀价格为250 万元，12 台需3 000 万元，故无论从土建及机电而言其投资均较大。

（3）外包钢筋混凝土钢管埋设于土坝底部，排架基础埋深及基础处理工程量大，施工干扰较大。

基于上述问题，考虑本电站的特殊性及实际运行情况，补充混凝土泄洪闸泄洪方案进行比选。

2.3.2 泄洪闸的运行方式与设计分析

溧阳抽水蓄能电站每天的泄洪时段为：电站发电时，下水库水位抬高到正常蓄水位19.00 m 起，打开控制闸门自流泄洪，至水位回落到正常蓄水位19.00 m 止的这段时间间隔内，将上、下水库入库洪量排入沙河水库，以免损失电站工作水头。

由于下水库是按设计预留了上水库检修时死库容全装入下水库的要求设计的，即正常运行时在不泄洪情况下可全装191.50 万m3水量； 据沙河水文站最大年降水量1 618.6 mm，这相当于上下水库年最大洪量176.6 万m3，即1年内洪水全装入下水库后不会影响各建筑物安全。因此，溧阳抽水蓄能电站上、下库具备全装设计暴雨洪量的能力，在汛期当沙河流域发生洪水时，可存于下库内，在沙河水库洪水先行退去的情况下再将上、下库洪量排入沙河水库内。

从沙河水库历年最高及最低统计的水位资料可知，沙河水库多年平均最高水位为18.269 m，最低水位为13.819 m；汛期最高水位为20.089 m，最低水位为15.469 m。故在汛期多年平均水位低于19.0 m时，可以使下水库的洪水择机及时排泄，保证电站在其工作水头内正常运行。

2.3.3 泄洪闸结构设计

（1）工程地质条件。下水库地形平缓，基岩主要为晶屑凝灰岩及安山斑岩，节理裂隙发育，岩石完整性较差。工程场址地震基本烈度为7 度，2 级壅水建筑物工程抗震设防类别为乙类的水工建筑物，故地震设计烈度为7 度。

（2）泄洪闸布置。根据地质地形条件，本着在满足泄洪条件下，尽量少挖少填的原则进行设计。泄水闸位于大坝的右坝头库岸段； 由进口引水渠、控制段、泄槽段以及起闭机房等构成（附图）。

附图 下水库泄洪闸典型剖面图

泄洪闸结构底部高程均为17.0 m。进口引水渠长约20.0 m，渠底高程为底宽5.0 m，过水断面为高度随库岸边坡渐变的梯形断面。控制段闸室长14.0 m，孔口宽度4.0 m，顶部高程25.60 m；设有检修门和工作门。泄槽为开挖形成的梯形断面，长33.0 m（其中海漫长15.0 m），底宽4.00 m，高程22.00 m 以下两侧采用衬砌混凝土护坡； 高程22.00 m 以上采用草皮护坡。紧接泄槽后均开挖成底宽4.00 m、基础高程17.00 m 的明渠接至沙河水库。

（3）泄洪闸泄洪能力复核。根据上下水库24 h设计暴雨、设计洪量，分别对下水库对应沙河水库不同水位的泄流能力进行分析，计算各水位泄洪时所需时间可知：当下水库水位大于沙河水库水位时，随着水位的上升，其泄洪能力逐渐增强，所需泄洪时间逐渐缩短。当考虑下水库水位在19.00 m 开始泄洪时，且沙河水库水位低于下水库水位0.5 m 以上时，最小泄流量大于15.1 m3/s，所需泄洪时间不大于10.9 h；可见所拟定的泄洪闸尺寸基本能满足泄洪要求。

（4）泄洪闸稳定应力复核。根据规范规定并考虑下水库的实际情况拟定需要计算的荷载组合进行计算，计算成果（表2）表明：泄洪闸在各种工况下的抗滑稳定和基底应力均满足规范要求，结构是安全的。

3 结 语

根据本工程技术特点，遵循“安全可靠、质量可控、技术可行、经济合理，同时兼顾进度和投资，有利于施工”，对下水库泄水建筑物进行了深入的设计研究。基于以下理由最终推荐采用岸坡式泄洪闸泄洪方案：

表2 泄洪闸抗滑稳定及基底应力计算成果

（1）岸坡式泄洪闸方案的工程投资为2 403.12万元，投资相对较少。

（2）岸坡式泄洪闸置于开挖基岩上，闸室稳定应力条件好； 通过对岸坡式泄洪闸的泄流能力、稳定、应力及抗渗能力的复核计算，各向指标均能满足规范的设计要求。

（3）泄洪闸与土坝无接头防渗问题，施工、运行及检修方便。

（4）泄洪闸布置在下水库土坝右坝头，与土坝分开布置，泄洪闸基础为弱风化基岩，地质条件较好，确保了闸基岩体能够满足抗震要求，同时有利于提高上部结构的抗震能力。