下水库导流泄放洞运行与检修技术研究

陈 斌，赵贤学，张士平，杨 燚，吴凯强

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江 天台317200）

1 引言

桐柏抽水蓄能电站（下称桐柏电站）下水库大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝高68.25 m，坝顶长度434 m，坝址流域面积为21.4 km2，死水位110 m，死库容213.9万m3，正常蓄水位141.17 m，总库容1 283.6万m3；溢洪道为坝身开敞式自由溢流，位于坝体河床部位；设计洪水标准为200年一遇洪水，设计洪水位145.6 m，总下泄流量361 m3/s；校核洪水标准为千年一遇洪水，校核洪水位146.60 m，总下泄流量496 m3/s。

导流泄放洞布置在下水库右岸由进口引水渠、进水口、事故检修门井、有压洞及出口消力池组成；建筑物全长742.24 m，最大工作水头63.0 m，设计泄量176.1 m3/s。见下页图1。

2 导流泄放洞设计及施工

2.1 设计布置

导流泄放洞全长742.24 m，其中进口引水渠长约80 m，底宽7.8～21.5 m，扩散角10°，为满足下水库施工期导流及检修期放空水库，渠底高程为90.5 m；为防止泄洪时大量推移质进入导流泄放洞，利用进口前的叠梁门作拦渣坎，坎顶高程98.30 m，并在叠梁门前25 m处设一集渣坑。有压洞长525.01 m，隧洞中部靠近右坝头附近设一道事故检修门，闸门井高65.5 m；隧洞进水口为6.4 m×6.4 m（宽×高）矩形渐变为直径4.8 m的圆形，原设计靠近出口110 m段采用钢板衬砌，内径D=4.8 m，壁厚14 mm；经优化设计内径D=3.6 m，钢管段长度60 m；隧洞出口后有一10 m长的平坡段，以便布置工作弧门及其启闭机，弧门孔口尺寸为2 m×3 m，底板高程82.6 m。消力池为深挖护坦与消力槛相结合形式，池底高程71.5 m，边墙高程85.5 m，消力槛高1.0 m，其顶高程78.5 m，池深 7 m，池宽 7.9～16.3 m，池长 63 m，消力池出口下游布置长度55 m的海漫段，避免出消力池后水流的剩余能量冲刷河床。

2.2 泄流能力计算[1]

按P=2%洪水时保证机组发电不受影响为原则，通过导流泄放洞和溢洪道的联合调洪，确定导流泄放洞出流孔口尺寸为2 m×3 m。根据隧洞有压流公式；式中：Z—上游水位与出口中心线高程差，ωc—出口断面面积，μc—流量系数，其计算公式略。经计算流量系数μc=0.856，水库各水位下的泄流量见表1：导流泄放洞水位-流量关系表。

图1 下水库导流泄放洞平面布置及纵剖面图

表1 导流泄放洞水位-流量关系表

由表1可知，设计洪水位出口弧门全开时，导流泄放洞最大下泄流量为176.1 m3/s。经计算，钢筋混凝土衬砌段平均流速为9.73 m/s，出口钢衬段流速为17.30 m/s。

2.3 施工情况

进口明渠段开挖采用预裂梯段爆破；洞身段采用手风钻钻孔，平行直眼掏槽，周边光爆成型；闸门井竖井采用正导井开挖方式；导流泄放洞洞身段及检修闸门井均采用钢筋混凝土衬砌，其中闸门井洞身段EL82.0～EL86.0 m高程采用C30混凝土，闸门井及井后洞身EL86.0～EL93.0 m高程采用C25混凝土，消力池段侧墙及底板表层50 cm采用抗冲磨、抗空蚀性能较好的C40钢纤维混凝土；海漫段采用消力墩与灌砌混凝土结合的结构形式；导流泄放洞灌浆工程包括出口消能工底板基础固结灌浆，平洞回填灌浆和固结灌浆，事故闸门井固结灌浆；钢板衬砌于泄0+465.008 m至泄0+526.933 m，全长61.925 m，钢板厚14 mm，材质为16 MnR；闸门及启闭机安装包括导流泄放洞事故门及门槽、事故门启闭机、事故门启闭机室检修设备及轨道、弧形工作门及其门槽、弧形工作门启闭机、弧形工作门启闭机室检修设备及其轨道。自2001年4月开工，2005年5月12日下闸蓄水，至2006年1月检修闸门下游段改造完毕。

3 导流泄放洞运行实践

3.1 导流泄放洞洪水泄放原则

抽水蓄能电站和常规水电站最大区别是必须有2个水库即上水库和下水库，而且2库仅需储有一库的有效库容水量即可满足抽水蓄能电站的各项功能；洪水调节计算采用上下水库联动机组参于运行即动态调洪方式，洪水泄放原则：（1）上水库水位达正常蓄水位396.21 m，电站停止抽水；（2）下水库水位低于142 m时，电站正常发电；入库洪水通过导流泄放洞排放，排放流量为前一时段入库洪水流量；（3）下水库水位高于142 m，低于145.6 m（P=0.5%洪水位），水泵水轮机、导流泄放洞、溢洪道共同参与调洪；（4）下水库水位高于145.6 m，电站停止发电，关闭导流泄放洞，洪水通过溢洪道排放；（5）水库下泄流量不大于同频率天然洪峰流量。桐柏水库设定为当上下水库有效库容之和比上水库有效库容多20万m3时下水库放水。

3.2 运行实践

自2005年5月蓄水至2019年3月底累计放水252次，共泄放水量31 498.8万m3，见表2；历时最长一次泄放洪水是2012年6月8日11：00至6月25日9：00，共泄洪历时406 h，泄放水量572.1万m3；泄洪量最大一次放水是2012年8月2日17：00至8月11日20：00共泄洪历时219 h，泄放水量1 180.2万m3；年泄洪量最多的是2012年为4 009.3万m3；例举开度最大一次放水是2009年第8号台风“莫拉克”导流泄放洞泄洪情况，8月9日桐柏电站流域24 h降雨量为178.5 mm，最大入库流量是127.3 m3/s（9日21：00），经华东电网调度中心同意9日和10日分别减少抽水点数8个点（1个点为15 min）和23个点，分别给上水库腾出库容72万m3和207万m3；导流泄放洞8日10：00开启工作闸门泄放洪水，最大开度1.6 m，最大出库流量为86.7 m3/s，至12日21：30关闭，历时107.5 h，共泄水562.1万m3；本次洪水按洪峰流量计接近5年一遇标准，未影响发电；水库大坝及下游河道运行安全[2]。

桐柏电站上下水库运行14年来基本采用下水库导流泄放洞开闸放水，上水库设置有闸控制溢洪道自2005年5月水库运行以来上水库溢洪道放水仅2次，首次是2005年因台风降雨水库蓄满后自由溢流，第二次为2015年11月11日至16日放水，原因是下水库导流泄放洞消力池检修无法放水，而且上库溢洪道堰顶高程为EL394 m，因发电上水库水位迅速下降低于堰顶高程只能间歇式放水；况且水体交换到上水库即为储存能量，一般不会轻易泄放，通过发电即可增加电站效益；而设置在下水库导流泄放洞使用起来非常方便，开度自0.1 m至3 m启闭灵活，加之每次放水均多次变换开度，14年来启闭操作约500次，液压设备采购质量好，精心运行维护使得闸门启闭非常可靠；只是泄洪时闸门开度90%为小开度0.1 m，当水头为54 m时闸门出口流速为28 m/s，而且出流形态为挑流，对设计为底流消能的消力池冲刷严重，粗骨料出露，局部钢筋露出见图2；影响导流泄放洞安全，为此必须进行检修。

表2 导流泄放洞投运以来泄洪量统计表

图2 溢流面处理前状况

4 检修技术研究

4.1 技术研究

消力池段底板表层50 cm原设计采用抗冲磨、抗空蚀性能较好的C40钢纤维混凝土，从目前消力池缺陷情况看，对工作闸门小开度运行而变成挑流消能是不适用的；查阅其他电站溢洪道溢流面处理技术，参照其他水电站溢洪道采用SK抗冲磨刮涂聚脲（也称单组分手刮聚脲）和SK高韧性环氧涂膜对比试验，单组分手刮聚脲性能更优越，其具有拉伸强度大、硬度高、柔性好、耐老化、耐低温等特点，适用于混凝土溢流面、导流泄放洞等具有抗冲磨要求的泄水建筑物正表面的防护及裂缝表面封闭[3]；研究后采用单组分手刮聚脲进行涂刷保护溢流面混凝土的方案是合适的。其物理力学性能见表3。

表3 单组分手刮聚脲物理力学性能

4.2 施工工艺

（1）表面处理

要求混凝土表面平整、坚固、无孔洞；对混凝土溢流面打磨干净并且干燥，局部孔洞用高强腻子填补找平固化后打磨；对混凝土面上大于0.2 mm裂缝，采用增加胎基布，对渗水裂缝，进行了化学灌浆处理。

（2）界面剂涂刷

聚脲层涂刷前，在混凝土表面涂刷界面剂；涂刷厚度要求薄而均匀，保证聚脲与混凝土表面之间的粘结强度应大于2.5 MPa。

（3）涂刷手刮聚脲

界面剂干燥后，开始刮涂抗冲磨型聚脲涂层；聚脲大面积涂层厚度2 mm，共涂刷3遍，第1遍涂刷0.5 mm厚，第1层干燥后，刮涂第2遍厚1.0 mm，第3遍涂刷厚0.5 mm。

（4）周边处理

在聚脲涂刷范围的周边，为了保证聚脲涂层与周围混凝土的搭接牢固可靠，避免在高速水流冲刷下开口掀起，收边处混凝土打磨成倒三角，边缘聚脲厚度大于4 mm，并保证聚脲与周围混凝土搭接边处采用平滑过渡。

（5）聚脲层养护

单组分手刮聚脲施工过程中，恰遇大风和下雨，采用防雨布搭设对聚脲层进行遮盖保护，待风停雨止后，擦干净单组分手刮聚脲涂层上的附着物，吹干后继续施工。聚脲涂刷完工后，24 h内不要有水浸泡，常温养护。

4.3 处理效果

经处理后溢流面光滑平顺，处理后见图3；经近3年放水泄洪考验后，经常为小开度挑流冲刷的部位目前未见损坏，运行正常。

图3 溢流面处理后状况

5 结语

桐柏电站下水库设置的导流泄放洞经过14年来运行证明设计合理，设备制造及安装可靠，加之精心运行维护，导流泄放洞运行正常，启闭使用灵活。根据设计要求，导流泄放洞尽量避免小开度泄洪，根据桐柏电站水库调度运行经验，建议增加小流量的放水锥阀，泄量大时才采用导流泄放洞开启闸门放水，避免因小开度长时间泄洪产生的挑流对溢流面冲刷损坏。