天荒坪抽水蓄能电站磨石坑弃渣场排洪设施设计

吴 伟

(中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

水电工程大部分位于山区，受地形条件限制，弃渣场大多选址在沟道中，且往往形成高堆渣边坡，弃渣堆置破坏弃渣场范围内原有地表植被，影响周边自然环境，若排洪设施设置不当或不完善，暴雨时堆渣体受山洪冲刷极易形成滑坡、泥石流等地质灾害，威胁下游基础设施和人民群众生命财产安全，因此弃渣场排洪设施的设计尤为重要。本文以天荒坪抽水蓄能电站磨石坑弃渣场为例，对既有弃渣场的排洪设施整治设计进行了系统介绍。

1 弃渣场概况

天荒坪抽水蓄能电站地处浙江省安吉县天荒坪镇，是华东电网内第一座大型抽水蓄能电站，装机容量1 800 MW，年发电量31.6亿kW·h。电站由上水库、下水库、地下厂房洞室群、输水系统、地面开关站和上下库连接公路等组成。

磨石坑弃渣场为上下库连接公路施工布置的弃渣场，位于下水库坝址下游河道左岸的山体沟道内，堆渣总量10万m3，以石渣为主。弃渣场分为上、下两级堆渣区，上游、两级堆渣区之间、下游均为上下库连接公路，公路与沟道交叉位置均设置有排水涵洞。根据地形图量测，弃渣场上游沟道集雨面积为0.6 km2。

上一级堆渣区边坡高程408～492 m，堆渣最大高度84 m，边坡未设置马道，堆渣坡比1∶1.2～1∶1.7，渣场中间沟道处堆渣边坡相对缓于沟道左右侧。堆渣边坡坡脚至挡渣墙距离25～30 m，渣面坡度相对较缓，坡比约1∶2.4。弃渣场堆渣体坡脚挡渣墙墙身布设有涵洞，涵洞出口贴下游墙面布设有排水槽，排水槽出口接公路排水涵洞进口集水池。

下一级堆渣区呈条状，堆渣边坡高程366～408 m，堆渣最大高度42 m，边坡没有设置马道，堆渣坡比1∶1.5～1∶1.8。弃渣场堆渣体坡脚已设置挡渣墙，墙身布设有涵洞，涵洞出口接下游排水明渠及公路排水涵洞。两级堆渣区之间公路排水涵洞出口至挡渣墙墙身涵洞之间的堆渣边坡已实施干砌块石护面，作为过水通道。

2 现状存在的主要问题

根据磨石坑弃渣场现状情况对堆渣体边坡及挡渣墙稳定性进行的复核计算分析表明，两级堆渣区挡渣墙均是稳定的，但上一级堆渣区挡渣墙抗滑稳定安全系数接近规范规定的下限值，在墙身排水不畅、墙后水位较高时仍有失稳的可能；上一级堆渣区边坡整体稳定性较好，仅有发生局部失稳的可能，但渣场中间沟道处及下部区域受山洪冲刷，存在掏挖坡脚和引起上部边坡滑塌的可能，对堆渣体整体稳定极为不利；下一级堆渣区边坡天然状态下整体稳定性较好，但在暴雨时堆渣边坡干砌块石护面受山洪冲刷，极有可能发生破坏，进而引起堆渣边坡整体失稳。通过以上分析，影响弃渣场堆渣体边坡及挡渣墙稳定的关键因素为弃渣场所处沟道的水能否得以有效导排，因此该弃渣场整治的关键工程为排洪设施。

经现场查勘，现状弃渣场的排水路径为：公路上游沟道→公路排水涵洞→上一级堆渣区中部沟道→上一级挡渣墙墙身涵洞→挡渣墙墙面排水槽→公路排水涵洞进口集水池、洞身及出口→下一级堆渣区干砌块石护面→下一级挡渣墙墙身涵洞→排水明渠→公路排水涵洞→公路下游沟道。经水力学复核计算，公路现状排水设施可以满足排洪要求，但由于常年运行且失修，已存在不同程度的局部损坏，经修复加固后可直接利用。因此，弃渣场现状排水设施之间的联通问题急需解决，包括两段路径：上游公路排水涵洞出口至上一级挡渣墙墙身涵洞、两级堆渣区之间公路排水涵洞出口至下一级挡渣墙墙身涵洞。

3 排洪设施设计

3.1 防洪标准

弃渣场防洪标准根据规模、位置、失事环境风险程度和失事对主体工程风险程度综合确定[1]。磨石坑弃渣场位于冲沟沟道，堆渣总量为10万m3，堆渣体最大高度为84 m，失事主要影响电站上下库连接公路的通行，对电站主体工程运行影响较小。

根据《水电建设项目水土保持方案技术规范》(DL/T 5419—2009)，磨石坑弃渣场属大型弃渣场，防洪设计标准为20～50年一遇。经查阅上下库连接公路相关资料，公路排水涵洞防洪设计标准为25年一遇。综合考虑现有排水设施的防洪设计标准与规范的匹配，以及最大限度地利用现有排水设施、降低工程造价等因素，确定磨石坑弃渣场防洪设计标准与公路现有排水设施保持一致，采用25年一遇，经水文计算，弃渣场所处沟道25年一遇洪峰流量为14.6 m3/s。

3.2 总体布置

上游公路排水涵洞出口至上一级挡渣墙墙身涵洞段、两级堆渣区之间公路排水涵洞出口至下一级挡渣墙墙身涵洞段均采取新建明渠排水。对排水路径上的上游公路排水涵洞、上一级挡渣墙墙身涵洞和墙面排水槽、两级堆渣区之间公路排水涵洞进口集水池和洞身、下一级挡渣墙墙身涵洞、排水明渠和下游公路排水涵洞等进行局部损坏处修复加固，直接加以利用，作为弃渣场排洪设施的组成部分。

上游公路排水涵洞出口至上一级挡渣墙墙身涵洞段排水明渠由1#陡槽、1#消力池、2#陡槽、2#消力池、3#陡槽和3#消力池组成。两级堆渣区之间公路排水涵洞出口至下一级挡渣墙墙身涵洞段排水明渠由4#消力池、4#陡槽、5#消力池和5#陡槽组成。排洪设施平面布置见图1。

图1 排洪设施平面布置示意

3.3 结构设计

3.3.1 陡 槽

新建明渠共分段设置5段陡槽，编号为1#～5#，均采用矩形过水断面，底板设置外凸型阶梯式消能工，并根据地形条件设置抗滑结构，1#～5#陡槽特性见表1。下面以上一级堆渣区1#陡槽和下一级堆渣区4#陡槽为例说明，其他陡槽结构形式与1#或4#陡槽类似。

上一级堆渣区1#陡槽采用矩形过水断面，净宽e=4 m，净深f=1.8 m；底板采用C30钢筋混凝土结构，厚度0.4 m；两侧边墙采用重力式，M10浆砌块石结构，顶宽0.5 m，背水侧墙面坡比1∶0.3，临水侧墙面直立。整个陡槽布置在堆渣体上，纵向坡比i=1∶2.02。底板设置外凸型阶梯式消能工，阶梯顶面水平，高度a=0.6 m，宽度b=1.21 m，间距s=2.64 m。为了提高陡槽的抗滑稳定性，在底板下方分段设置阻滑台阶，台阶底面水平，宽度d=3.5 m，高度h=2.03 m。外凸型阶梯式消能工及阻滑台阶体型见图2。

下一级堆渣区4#陡槽采用矩形过水断面，净宽e=5 m，净深f=1.5 m；底板和边墙均采用C30钢筋混凝土结构，底板厚度0.4 m，两侧边墙与底板整体浇筑，顶宽0.3 m，背水侧墙面坡比1∶0.2，临水侧墙面直立。整个陡槽布置在堆渣体上，纵向坡比i=1∶1.9。底板设置外凸型阶梯式消能工，阶梯顶面水平，高度a=0.6 m，宽度b=1.14 m，间距s=2.37 m。为了提高陡槽的抗滑稳定性，在底板下方分段设置C30钢筋混凝土锚固板，体型见图3，呈水平布置，板间回填浆砌石，锚固板长度d=3.8 m，厚度h=0.4 m，同时在陡槽尾段约10 m长度范围内，在清除基础弃渣后将底板混凝土直接浇筑至完整基岩面，并设置锚杆加固，以进一步增加陡槽的抗滑力。

表1 1#～5#陡槽特性 m

图2 消能工及阻滑台阶体型

图3 锚固板体型

3.3.2 消力池

1#～4#陡槽末端及两级堆渣区之间公路排水涵洞出口处均布设消力池进行消能，共设置5座，编号为1#～5#，过水断面均为矩形，并与上接陡槽等宽，其中1#、3#和5#消力池采用底流消能，2#和4#消力池采用单级跌水消能。1#～5#消力池特性见表2。

表2 1#～5#消力池特性

由于消力池均布置在堆渣边坡上，池长设置受限，因此在消力池尾坎前设置T形消力墩作为辅助消能工，缩短水跃长度，进而缩短池长，T形消力墩尺寸比例为前墩厚∶前墩高∶前墩宽∶尾坎高∶支腿长=2∶3∶4∶5∶6[2]。T形消力墩体型见图4。

图4 T型消力墩体型

4 结 语

天荒坪抽水蓄能电站磨石坑弃渣场排洪设施主要由现状排水设施和新建明渠组成，其中新建明渠主要包括陡槽和消力池，由于地形陡、落差大，结构设计考虑了抗滑、消能等措施。设计的排洪设施，历经多年的运行，未发现损毁现象，陡槽外凸型阶梯式消能工、消力池T形消力墩等获得了良好的消能效果。但T形消力墩被淹没在水下运行，墩后补气条件差，容易在前墩顶部、后侧和支腿两侧及尾坎等部位产生空蚀，设计时应注意[2]。

[参考文献]

[1] 中华人民共和国国家能源局.水电建设项目水土保持方案技术规范：DL/T 5419—2009[S].北京：中国电力出版社，2009：1-10.

[2] 田嘉宁，李郁侠.T形墩消力池的体型与水力设计[J].西安理工大学学报，1998(4):368-372.