南方电网抽水蓄能电站泄洪建筑物优化设计研究

潘定才 章鹏

摘要：抽水蓄能电站泄洪建筑物一般参照常规水电站进行设计，但其泄洪建筑物运行情况与常规水电站有较大差异。分析了南方电网广州、惠州抽水蓄能电站泄洪建筑物的运行情况，总结其泄洪建筑物运行特点为：大流量放水泄洪较少出现，水库多余水量主要通过放水底孔泄流，溢洪道或溢流堰等泄洪建筑物使用率极低。提出泄洪建筑物采用与导流结合、无闸门自由溢流竖井泄洪洞的优化方向，并采用设锥形阀的放水底孔泄放水库多余水量。在清远、海南琼中、梅州等多个抽水蓄能电站项目应用表明，泄洪建筑物优化降低了电站运行维护难度，节约了工程投资，可供后续类似项目研究借鉴。

关键词：抽水蓄能电站;泄洪建筑物;设计优化;南方电网

中图法分类号：TV743文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.006

中国南方电网已建和在建的抽水蓄能电站均为无防洪任务要求的纯抽水蓄能电站，水库洪水调节计算主要考虑入库洪水过程与发电或抽水过程的滑动叠加组合[1]，根据计算指导泄洪建筑物设计。由于纯抽水蓄能电站集雨面积较小，洪水洪峰流量不大，上、下两水库总有效库容是2个水库正常运行时总储水量的2倍，因此其泄洪建筑物运行情况与常规水电站有较大差异。本文通过分析已建的广州、惠州抽水蓄能电站（以下简称“广蓄电站”、“惠蓄电站”）泄洪建筑物的运行情况，分析抽水蓄能电站泄洪建筑物运行特点，提出在确保建筑物安全可靠运行条件下泄洪建筑物的优化方向。

1 纯抽水蓄能电站泄洪建筑物运行特点

对广蓄、惠蓄电站投运以来泄洪建筑物多年运行情况进行了统计分析，发现泄洪建筑物溢洪道或溢流堰使用频率较低。

1.1 广蓄电站

广蓄上库集雨面积5 km2，正常蓄水位816.8 m，设计洪水位818.25 m。大坝为混凝土面板堆石坝，采用不设闸门自由溢流的侧槽岸坡式溢洪道。电站投运24 a来，上水库仅2001年略超过正常蓄水位（非正常调度）。上库历年均出现过日降雨量超过50 mm的暴雨;最大日降雨量出现在2013年，为降雨量250 mm的特大暴雨（图1）。取2013年上水库每日最高库水位和日降雨量数据进行相关性分析（图2），相关系数为0.07，水位与降雨量相关性较低，水位主要受电站运行工况控制。24 a期间，上库溢洪道仅放水1次（非正常调度），溢洪道使用频率较低，运行情况见表1。

广蓄下库集雨面积13 km2，正常蓄水位287.7 m，设计洪水位289.9 m。大坝为碾压混凝土重力坝，采用有平板闸门控制的溢流堰，溢流堰顶高程285.6 m。坝内预埋内径0.8 m钢管作为放水管，放水管后分岔接小水电站（保安电源），放水管末端设锥形阀控制泄流。电站投运24 a来，下库最高水位未超过正常蓄水位。下库历年均出现过日降雨量超过50 mm的暴雨;最大日降雨量出现在2013年，降雨量为273.5 mm的特大暴雨（图1）。取2013年下水库每日最高水位和日降雨量数据进行相关性分析（图2），相关系数为0.12。每日最高水位与降雨量相关性较低，水位主要受电站运行工况控制。2008年以前下库主要通过小水电站发电和溢流堰放水;2009年以来，电厂调整了运行规则，下库主要通过小水电站发电和放水管放水，溢流堰使用频率大幅减小，仅2013年通过溢流堰放水1次，运行情况见表2。

1.2 惠蓄电站

惠蓄上库集雨面积5.2 km2，正常蓄水位762 m，设计洪水位763.64 m。主坝为碾压混凝土重力坝，副坝为黏土心墙堆石坝，采用开敞式自由溢流堰。主坝内设放水底孔，采用预埋内径1.4 m钢管，由锥形阀控制泄流。电站投运以来，上库水位未超过正常蓄水位;上库历年均出现过日降雨量超过50 mm的暴雨;最大日降雨量出现在2015年，为323 mm的特大暴雨（图3）。取2015年上水库每日最高水位和日降雨量数据进行相关性分析（图4），相关系数为0.11。每日最高水位与降雨量相关性较低，水位主要受电站运行工况控制。电站投运以来上库溢流堰和放水底孔均未泄洪;2011年、2014年、2015年为缓解下游旱情放水底孔共放水153.4万m3，见表3。

惠蓄下库集雨面积11.3 km2，正常蓄水位231 m，设计洪水位234.05 m。主坝为碾压混凝土重力坝，副坝为黏土心墙堆石坝，采用开敞式自由溢流堰。主坝内设放水底孔，采用预埋内径1.8 m钢管，放水底孔钢管后分岔接小水电站（黑启动电源），放水底孔钢管末端由锥形阀控制泄流。电站投运以来，下库水位未超过正常蓄水位;下库历年均出现了日降雨量超过50 mm的暴雨;最大日降雨量出现在2013年，降雨量为194.7 mm（图3）。取2013年下水库每日最高水位和日降雨量数据进行相关性分析（图4），相关系数为-0.07。每日最高水位与降雨量相关性较低，水位主要受电站运行工況控制。电站建成以来下库溢流堰未泄洪，2011年2月小水电站建成前下库多余水量通过放水底孔下泄，2011年3月开始通过小水电站发电放水，放水底孔使用较少。

1.3 优化方向

广蓄、惠蓄电站上、下库正常调度下的水库水位未出现超过正常蓄水位的情况。数据分析表明，水库每日最高水位与日降雨量相关性较小。由于抽水蓄能电站有上、下两个水库，总水量只占用了一个水库的有效库容，降雨对纯抽水蓄能电站水位影响较小，水库水位主要由电站运行工况控制。电站泄洪建筑物运行情况与常规水电站有较大差异，大流量的放水泄洪较少出现，较多的是下水库通过放水设施小流量泄放水库多余水量。抽水蓄能电站正常运行时，上、下水库的总水量不能超过两个水库有效库容的一半，水库多余水量主要通过放水底孔泄流，放水底孔是运行较多的泄洪设施，需要及时宣泄多余水量。而溢洪道或溢流堰等泄洪建筑物则极少使用，可作为泄洪建筑物的优化方向，同时采用无闸门自由溢流有利于运行管理。

2 抽水蓄能电站泄洪建筑物优化

鉴于抽水蓄能电站溢洪道或溢流堰等泄洪建筑物使用频率较低，放水底孔运行较多，与常规水电站泄洪建筑物运行方式存在较大差异。电站采用开敞式溢洪道布置的工程量及对环境破坏均较大，经技术经济比选，可研究采用和导流洞结合的竖井泄洪洞方案，同时设置较大直径的放水底孔。

竖井泄洪洞由井口导流防涡设施、环形溢流堰、竖井及消能井段、退水隧洞段（原导流洞）及出口消能段组成。竖井泄洪洞进口采用无闸控制环形实用堰，堰顶高程与正常蓄水位齐平。竖井泄洪洞结构简单，进水口可根据地形地质条件布置，且能在围岩条件较差情况下施工，有较大灵活性;适用水头范围广，消能率可达80%以上[2]。

放水底孔采用锥形阀控泄方式，与常规闸门相比，具有结构简单、布置方便、启闭灵活、不易振动、运行维护简单等优点，尤其适合抽水蓄能电站需要经常性小开度开启阀门泄放水库多余径流的特点。

2.1 清远抽水蓄能电站

清远抽水蓄能电站下水库为黏土心墙堆渣坝，两岸地形陡峻，采用岸边开敞式溢洪道方案开挖量较大，经多方案比较后，采用和导流洞结合的竖井泄洪洞方案，无闸控制旋流环形堰泄流。泄洪洞水头约63 m，最大泄流量534.2 m3/s，洞内预埋内径1.6 m的放水底孔，放水底孔末端设闸阀室及工作阀，利用锥形阀控制泄流（图5）。在下库蓄水期间，人为壅高水位进行了一次原型过流试验，过水后检查建筑物一切正常。根据电站可行性研究报告，下水库采用和导流洞结合的竖井泄洪洞方案，与开敞式溢洪道方案相比，减少土石方开挖量约18万m3，地表开挖面积减少约16 800 m2，节约投资1 261万元[3]。

2.2 海南琼中抽水蓄能电站

海南琼中抽水蓄能电站上水库为面板堆石坝，泄洪建筑物可行性研究设计阶段采用岸边开敞式溢洪道。上水库基岩风化较深，岸边开敞式溢洪道开挖量较大，右侧开挖边坡较高，生态环境破坏较大。招标设计阶段泄洪建筑物优化为和导流洞结合的竖井泄洪洞（图6），无闸控制环形实用堰泄流。泄洪洞水头约50 m，最大泄流量70.4 m3/s。根据海南琼中抽水蓄能电站上水库溢洪道设计变更专题报告审查意见，上水库采用和导流洞结合的竖井泄洪洞方案，与岸边开敞式溢洪道方案相比，减少土石方开挖约4万m3，地表开挖面积减少约7 300 m2，节约投资641万元[4]。

2.3 梅州抽水蓄能电站

梅州抽水蓄能电站上水库直接采用和导流洞结合的竖井泄洪洞方案（图7），采用无闸控制环形实用堰泄流。泄洪洞水头约53 m，最大泄流量60 m3/s。根据电站可行性研究报告，上水库采用和导流洞结合的竖井泄洪洞方案，与开敞式溢洪道方案相比，节约投资739万元[5]。下水库由碾压混凝土重力坝设闸门的表孔+深孔方案优化为坝顶自由溢流+设锥形阀的放水管方案。

3 结 语

纯抽水蓄能电站泄洪建筑物水头一般不超过100 m，加之其特殊的运行情况，在布置开敞式溢洪道代价较大的情况下，可研究采用竖井泄洪洞方案。目前已在清远抽水蓄能电站上水库和下水库、海南琼中和梅州抽水蓄能电站上水库等项目应用。与开敞式溢洪道相比，和导流洞结合的竖井泄洪洞土石方开挖工程量较小，能有效降低边坡开挖高度，减少征地面积，对地表环境破坏较小，有利于节约投资和环境保护。

对常规设置的泄洪建筑物，宜不设闸门，采用自由溢流建筑物+设锥形阀的放水底孔方案，具有启闭灵活、运行维护简单等优点，已在清远、深圳、梅州、阳江等抽水蓄能电站下水库项目中应用。

国内抽水蓄能电站建设正处于建设高峰期，在类似的项目建设中可借鉴上述优化设计，应用前景广阔。

参考文献：

[1] DL/T5208-2005抽水蓄能電站设计导则[S].

[2] 安盛勋，王君利. 水平旋流消能泄洪洞设计与研究[M]. 北京：中国水利水电出版社，2008.

[3] 广东省水利电力勘测设计研究院. 广东清远抽水蓄能电站可行性研究报告[R]. 广州：广东省水利电力勘测设计研究院，2008.

[4] 中国电建集团中南勘测设计研究院. 海南琼中抽水蓄能电站上水库溢洪道设计变更报告[R]. 长沙：中国电建集团中南勘测设计研究院，2015.

[5] 中国电建集团中南勘测设计研究院. 广东梅州抽水蓄能电站可行性研究报告[R]. 长沙：中国电建集团中南勘测设计研究院，2015.

（编辑：李 慧）