印尼西索肯抽水蓄能电站上水库溢洪道的优化与设计

卞 全，吴 丽

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

文章编号：1006—2610(2015)03—0027—06

印尼西索肯抽水蓄能电站上水库溢洪道的优化与设计

卞 全，吴 丽

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

印尼西索肯抽水蓄能电站上水库为碾压混凝土坝，泄水建筑物具有单宽流量小、堰顶无闸门控制等特点, 经过世行专家审查、多方案的比较和研究论证, 最终将原设计的光面溢流坝优化为台阶式溢洪道，较好地解决了该工程上水库的泄洪消能问题,而且台阶式溢洪道施工与大坝——浇筑紧密结合，经济效益明显。

印度尼西亚；西索肯;抽水蓄能电站;上水库;台阶式;溢洪道

1 工程简介

1.1 工程概况

西索肯抽水蓄能电站是印度尼西亚的第1个抽水蓄能项目，位于印尼首都雅加达市东南部150 km处西索肯河流域上游。该项目是世界银行的贷款项目，业主为印尼国家电力公司(PT.PLN)。

该项目包含上、下库2座碾压混凝土(RCC)重力坝，上坝的最大坝高75.5 m，坝顶长375 m；下坝的最大坝高98 m，坝顶长294 m。引水发电系统则包含2个进水口、长1.2 km的2条引水隧洞、2座调压井、2条钢衬压力隧道和4条尾水渠。地下厂房长156.6 m、高50.15 m、宽24 m，安装4台单机容量为260 MW的机组，总装机1 040 MW。图1为项目总平面布置图。

1.2 设计咨询情况

2009年10月，台湾中興工程顾问股份有限公司、中国水电顾问集团联合2家印尼咨询公司，组成联合体参加咨询的投标工作。2012年10月，经世界银行核准，联合体正式中标并签约。

联合体的工程师为业主聘用的咨询工程师，为业主负责，其职责在筹建期为设计方，负责工程的招投标设计；在施工期为监理方，对详细设计负责、承包商负责施工图纸。

世界银行召集国际专家，组成PRP (Project Review Panel)，每年定期召开会议，检查项目的进程、审核设计、决定招投标及施工中的重大问题等。

图1 印尼西索肯抽水蓄能电站的总平面布置图

本项目已于2013年12月底召开了上、下水库大坝及引水发电系统土建标的承包商资格预审，招标设计已于2014年7月通过业主和世行专家组PRP的第6次审查后定稿，已发出邀标函，即将开工。

2 可研设计的建筑物布置及设计

印度尼西亚地处热带，全年气候温暖湿润。坝址距万隆市区仅30 km。上、下水库库容各约1 000万m3，水泵的最大流量为89.1 m3/s，水轮机的最大流量为108 m3/s。抽水蓄能电站的运行方式为：每天从下水库抽水至上水库，抽水约7.8 h，发电运行约6.5 h。

2.1 上水库的总体布置与溢洪道的尺寸

(1) 基本资料

上水库坝址以上流域面积为10.5 km2, 多年平均流量为0.18～0.74 m3/s。坝址处河水面以下的河床宽约20 m，两岸岸坡坡度小于30°，坝址岩性为砂岩与粉砂岩互层及角砾岩，少量的安山岩和页岩。设计洪水采用1万年重现期，流量为 230 m3/s；校核洪水采用最高洪水位(PMF)，流量为300 m3/s。

(2) 溢洪道的布置及选择

尽管闸控溢洪道能使坝顶高程降低1 m，但从整体造价而言，无闸溢洪道更经济；而且流域面积仅10.5 km2，当洪水来临时，要频繁且迅速开闸泄洪有操作难度。因此，选用无闸控溢洪道型式。

因下游尾水很浅，不适合采用面流及戽流消能。而下游河床较窄，如采用挑流消能，则冲坑深且范围大约为3倍泄槽宽度。底流消能工具有施工简单、运行可靠、下游冲刷影响小的优点，且本工程的消能工造价不高，故推荐采用底流消能型式。

溢流坝位于坝段中央，为开敞式无闸门控制型式，1孔，宽度为10 m。堰面曲线下游与1∶0.73的泄槽段相切，泄槽段以反弧与消力池相接。消力池总长约45 m，边墙高8 m，底板厚1.5 m，末端设5 m高的尾坎，尾坎内布置2孔1 m×1.5 m的排沙孔。图2为上池坝的平面布置图，图3为溢流坝纵剖面图。

2.2 设计及计算成果

(1) 泄流能力计算

因堰顶宽度仅为10 m，在最高洪水位799.08 m时，溢流坝的最大泄量为87 m3/s;而当遭遇大洪水时，部分从溢流坝排泄，其余洪水从坝顶排泄到坝肩下游的混凝土水槽和旁通渠中，然后导入下游河道中。

图2 上池坝原设计的平面布置图 单位：m

图3 上池坝原设计的溢流坝纵剖面图 单位：m

(2) 泄槽水面线计算

设计采用日本规范，按照日本规范和经验公式，在下泄最大流量87 m3/s时，泄槽边墙的法向高度为3.0～2.0 m。

(3) 下游河道的水面线和底流消能计算

3 世行专家的意见简述

在2010年10月召开的第1次PRP审查会中，世界银行聘请的PRP专家对原设计的上水库溢流坝，提出了很好的意见和建议：

(1) 基于上水库的设计洪水等级及大坝类型，应考虑采用台阶式溢洪道型式，结构布局简单经济，从而减少消能工的长度和消能工程成本。

(2) 将溢洪坝的堰顶从10 m加宽到20～30 m，并泄入到缩窄的消力池中，将极大降低成本。

(3) 溢流坝段宽20 m，可排泄常遇洪水；两侧坝顶的非常溢洪道长约65 m，可用于排泄较大洪水。

4 台阶式溢洪道的适应性

(1) 泄槽末端的高速水流

按照原溢流坝体型，在下泄流量87 m3/s时泄槽末端的流速约33 m/s，属高速水流。而泄槽末端反弧段局部范围的水流条件类似于导流洞的“龙抬头”改建型式，流速高且水流空化数低，极易发生空化、空蚀破坏；表面须浇筑抗冲耐磨混凝土、严格的不平整度控制，以避免冲蚀破坏。而如果在泄槽上设置台阶消能的措施，空蚀和冲蚀破坏的风险将极大地降低。

(2) 上水库采用台阶式溢洪道的可行性

目前许多台阶式溢洪道已建成并投入运行，运行情况良好。结合RCC大坝技术水平的发展，本工程的上水库若采用台阶式溢洪道，与美国上静水坝类似，不但体型简单、与RCC施工紧密结合，而且节省工程量，不存在技术问题。

(3) 台阶式溢洪道的特点

采用台阶式溢洪道，不但避免过流面空化和空蚀，更达到消能目的,明显提高消能率，因而减少了下游消力池的规模，有效地节省了工程投资。同时，在溢流坝面上设置台阶，既能利用碾压混凝土层面形成台阶坝面，又适应碾压混凝土筑坝分层的机械化施工，工艺简单，施工加快，工期缩短。

因此，将上水库溢流坝的光面调整为台阶式，是可行、更优的设计方案。

5 台阶式溢洪道的设计及水力计算

经咨询工程师复核后，本项目上水库溢洪道仍位于坝体中央、采用无闸控溢流堰和消力池消能型式。

5.1 台阶式溢洪道的关键尺寸选择

(1) 堰顶宽度

按照设计洪水全部由溢洪道下泄、减小坝肩泄洪消能工程的思路，为防止溢洪道导墙收缩产生冲击波、减小工程量，泄槽宽度应不大于下游河宽。如若堰顶宽度选用10 m，台阶式溢洪道的单宽流量大于25 m3/(s·m)，为避免空蚀破坏，须设置如宽尾墩、掺气槽等措施，体型复杂且需经水工模型试验验证和优化。因此，堰顶宽度选用20 m。

溢流堰如设1孔，宽20 m，坝顶的交通桥须按预应力桥设置；而预应力桥梁对施工工艺要求高、张拉控制严格、易出现裂缝，成本高且质量高、工艺难。因此溢流堰分2孔，每孔宽10 m，设中墩，中墩厚1.2 m，作为桥梁支座。一方面，坝顶交通桥可采用空心板桥而无需预应力桥，单块空心板桥质轻、施工简单、质量易控制、便于维修；另一方面，虽然中墩后的泄槽宽度突扩，但因堰顶水头低，单宽流量小，流速小，中墩薄，下游流态受中墩体型的影响较小。

(2) 台阶高度

根据水力学角度、已建工程设计运行及模型试验成果，已建溢洪道的台阶高度为0.6～1.2 m，台阶高度一般取高值。首先随着台阶高度的加大，掺气初始点的位置会向堰顶移动，使易受空蚀破坏的未掺气流道更短；其次随着台阶高度的加大，消能率也有所增加。

对于RCC坝, 溢洪道的台阶高度选择也应结合RCC 坝的施工速度统一考虑。近年来，施工手段明显提高、建设速度加快，通常采用1 m左右的台阶高度。而本工程的RCC的浇筑层厚为0.3 m，为了施工便利, 减少模板工作量，加快施工进度，按照PRP专家的建议溢洪道台阶高度为1.2 m。

5.2 上水库台阶式溢洪道的水力计算

鉴于目前对台阶式溢洪道的水力学研究没有相应的设计规范,尚停留在水工模型试验和经验总结上，尤其是流态判断、掺气初始位置、形成均匀流的条件、消能率等算法还不成熟；本项目选取引用多、知名度高的经验总结《RCC坝阶梯式溢洪道的水力设计》[1]和《台阶式溢洪道的设计部分(Ⅰ)(Ⅱ)》[2]，分别进行上水库台阶式溢洪道的水力学计算和研究。

(1) 溢流堰泄流能力计算

当不考虑水库调洪，上游水位为799.6 m时可下泄设计洪水230 m3/s，当上游水位为800.5 m时可下泄PMF洪水333 m3/s。经水库调洪演算分析，最高洪水位(PMF)为799.0 m，对应的泄量为162.6 m3/s。

(2) 台阶式溢洪道的水力特征计算

1) 流态判断

舌形流仅发生在上游水位低于797.5 m、泄量小于37 m3/s时；当上游水位超过797.5 m，流态为表层流。

2) 初始掺气点的位置及水深

按照计算成果，发生表层流时，从溢流堰顶到开始出现掺气前的垂直距离约在4～22.7 m之间，流量越小，距离堰顶越近；初始掺气点的水深为0.32～1.15 m，平均掺气浓度为22.5%。

3) 稳定均匀掺气水流的位置、水深及掺气浓度

按照计算，形成均匀掺气水流的掺气水深为0.38～1.5 m；掺气水流的流速为4.7～10.5 m/s；坝面泄流受台阶的影响，沿程水流掺气明显，泄流在坝脚之前就能形成稳定的均匀掺气。

4) 消能率按照计算结果，溢流坝面台阶跌坎对减小水流流速的作用非常明显。当下泄校核洪水时，消能率为60%；随着流量减小，坝面的流速也加速减小，消能率最高可达90%以上。

(3) 下游消能计算

经过台阶消能后，坝趾处的水流流速为3.1～10.5 m/s；再经过底流消能后，能量进一步消杀。经对比，确定消力池长约16 m、坎高2.7 m。下游河道的水深1～3.8 m，在消力池末端铺设块石护底。

(4) 其 它

一般而言，由于台阶跌坎下游面形成漩涡和坝面掺气的共同作用，跌坎下游面可能出现压强小甚至负压情况。尽管本工程的流量小、水头不高、流速小，但仍要引起重视。可通过加强控制施工质量，掺加钢纤维或减水剂等措施，提高抗磨蚀性能，并控制表面不平整度，避免产生空蚀破坏。

5.3 上水库台阶式溢洪道的布置

根据水力学估算成果，布置了台阶式溢洪道。无闸控溢洪道，分2孔，每孔宽10 m，设中墩，中墩厚1.2 m，边墩厚1.5 m。坝顶采用空心板桥连接两岸，坝顶宽6.5 m。泄槽总宽21.2 m，边墙高度为4.5 m。

图4 上池坝台阶式溢洪道的纵剖面图 单位：m

台阶式溢洪道的堰顶曲线方程为Y=0.1860X1.85。堰顶曲线与下游坝坡1∶0.76相切，最上部2个台阶高0.15 m，接着3个高度为0.3 m的台阶、3个高度为0.6 m的台阶，以下均为1.2 m高度的台阶，总台阶数为52个。台阶下游泄槽与消力池底板以半径8 m的圆弧相切。消力池总长约25.7 m，边墙高度为8 m，在池长16 m处设置尾坎，高度为2.7 m。尾坎后接下游块石防护段。图4为台阶式溢洪道的纵剖面图。

6 采用台阶式溢洪道的效益分析

由于采用了与碾压混凝土分层、通仓碾压施工相适应的台阶式坝面，取消了原设计的2层混凝土结合面的联系插筋和表层钢筋网，不必设置掺气槽，避免浇筑高标号常态混凝土，台阶式坝面一次碾压成型，实现全断面快速碾压筑坝，大大简化了施工、加快了进度、缩短了工期、其效益是明显的。

根据估算，采用台阶式溢洪道后，与光面溢洪道相比，减少泄槽底板常态混凝土共计530.4 m3,减少消力池边墙混凝土共计422.2 m3,减少消力池底板混凝土645.5 m3,减少消力池尾坎混凝土272.1 m3,减少泄槽底板表层钢筋31.4 t,减少泄槽底板2层混凝土结合面的联系插筋6.1 t,减少消力池底板、边墙和尾坎的钢筋23.2 t(尚未计入两岸坝肩下游的混凝土水槽工程量)。

按照印尼当地的价格计算，上池坝采用台阶式溢洪道后，共减少直接费用约41万美元。

7 结 语

经过对印尼西索肯抽水蓄能电站上水库溢洪道的比较、研究和优化，结合RCC 大坝，最终采用台阶式溢洪道型式。通过对本工程台阶式溢洪道的布置、水力学计算等，很好地解决了上水库的泄洪消能问题；而且台阶式溢洪道施工与大坝RCC浇筑紧密结合，经济效益是非常明显的。通过对台阶式溢洪道的选择、应用和总结，为类似工程的设计和研究积累了经验，具有较好的参考价值。

[1] Satoshi Yamaoka,Eizo Kita. 印尼西索肯抽水蓄能电站可行性研究设计[R].雅加达: 新日本技术株式会社,2007.

[2] 卞全,董翌为,安盛勋. 印尼西索肯抽水蓄能电站上水库的溢洪道设计更新报告[R].西安:西北勘测设计研究院有限公司,2013.

[3] 沙文彬 译,刘忠清 校. RCC坝阶梯式溢洪道的水力设计[J].水利水电快报,2002,(21):1-4.

[4] 尹进步,刘韩生,梁宗祥 大朝山水电站台阶溢流坝掺气减蚀问题的研究[J].西北农林科技大学学报,2005,(2):137-142.

[5] 甘锐安.台阶式溢洪道水力特性研究及应用[J].黑龙江水利科技,2013,(5):19-22.

[6] 卞全 译,吴熹 校. 台阶式溢洪道的设计部分(Ⅰ)(Ⅱ)[J].国际水力发电,2005,(4):37-39.

Optimization and Design of Spillway of Upper Reservoir, Cisokan Pumped Storage Power Plant

BIAN Quan, WU Li

(POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

The RCC dam is built for the upper reservoir of Cisokan Pumped Storage Power Plant. The outlet structure features lower discharge at single width and free-gate control at weir crest. Through review by WB experts and comparison, study and demonstration by a couple of alternatives, the smooth-surface overflow weir is optimized to the step-type spillway. This optimization promotes energy dissipation of flood discharge. Furthermore, construction of the step-type spillway closely integrates the concrete placement of the dam. This results in outstanding economic benefit.

Indonesia; Cisokan; pumped storage power plant; upper reservoir; step type; spillway

2014-12-15

卞全(1972- )，男，河南省南阳市桐柏县人，教授级高工，印尼西索肯抽蓄电站的土建咨询工程师，主要从事水电站工程水工建筑物的设计、研究及项目管理工作.

TV743;TV651.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.008