有综合利用要求的抽水蓄能电站下水库防洪设计

2021-01-14席伟彦周开涛赵海镜

水力发电 2020年10期

席伟彦，周开涛，赵海镜，戴莉

(1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；2.国网新源控股有限公司，北京 100761)

抽水蓄能电站下水库的防洪设计，需考虑上水库水体在发电下泄时产生的洪水。对于有综合利用要求的抽水蓄能电站下水库，需要根据电站建设后的运行要求及洪水调节计算成果，在确保下游地区防洪安全和大坝安全以及抽水蓄能电站正常运行的前提下，研究制定电站建成后下水库的调度运行方式并确定挡水建筑物高程。

目前，在抽水蓄能电站的具体运行调度[1-4]、以增大综合效益中的一项或几项为目标的调度运行方式[5-8]、寻求水库补水与排沙协调关系的抽水蓄能电站水沙优化调度[9]等方面已有一定的研究进展，而对有综合利用要求的已建抽水蓄能电站下水库防洪设计方法进行系统探讨的成果尚不多见。本文以某典型抽水蓄能电站为例，对有综合利用要求的抽水蓄能电站下水库防洪设计方法进行探讨。

1 工程概况

山东省某抽水蓄能电站装机容量1 200 MW(4×300 MW)，满发利用小时5 h，电站建成后在系统中承担调峰、填谷、调频、调相和紧急事故备用等任务。上水库正常蓄水位628.00 m，死水位598.00 m；下水库正常蓄水位289.00 m，死水位266.00 m。为保证抽水蓄能电站正常发电，在下水库内设置抽水蓄能电站保证发电库容，相应保证发电水位为273.50 m。下水库利用的已建水库是一座以防洪、灌溉为主，兼有养殖、发电等综合利用的中型水库，控制流域面积154 km2，现状正常蓄水位289.00 m，死水位266.00 m，汛期限制水位284.50 m，防洪高水位为290.46 m，属多年调节水库。

2 设计洪水

2.1 下水库设计洪水

抽水蓄能电站所在河流上无水文站。根据《山东省小型水库洪水核算办法(试行)》和《山东省大、中型水库防洪复核洪水计算办法》的规定，采用瞬时单位线法、推理公式法计算电站下水库设计洪水，采用推理公式法计算电站上水库的设计洪水，计算得到的设计洪水成果和已建水库除险加固阶段设计洪水成果相差不大。经过与邻近流域及山东省其他水电站设计洪水成果进行比较及合理性分析，本阶段采用已建水库除险加固阶段设计洪水成果(见表1)。

表1 下水库设计洪水成果

2.2 上水库设计洪水

电站上水库流域面积较小，建库后上水库集雨面积为0.34 km2。依据本地区设计点雨量，采用推理公式法计算天然设计洪峰流量、降雨径流关系法推算天然设计洪量，成果见表2。

表2 上水库设计洪水成果

3 洪水调节计算分析

3.1 洪水设计标准

(1)工程等别。工程装机容量为1 200 MW，根据GB50201—2014《防洪标准》和DL5180—2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》，初步确定本工程为一等工程、大(1)型规模。

(2)建筑物等别。工程永久性主要建筑物(包括上水库挡水建筑物、下水库挡水及泄水建筑物、输水系统主要建筑物、地下厂房等)为1级建筑物，永久性次要建筑物(进厂交通洞、通风兼安全洞等)为3级建筑物，临时性建筑物为4级建筑物。永久性主要建筑物边坡为A类枢纽工程区边坡，边坡级别为Ⅰ级；永久性次要建筑物边坡为A类枢纽工程区边坡，边坡级别为Ⅱ级。

(3)洪水设计标准。电站装机容量1 200 MW，永久性壅水、泄水建筑物级别为1级，而上、下水库库容较小，工程失事后对下游危害不大，根据GB 50201—2014《防洪标准》及DL 5180—2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》的规定，壅水、泄水建筑物的洪水设计标准可根据电站厂房的级别确定。因此确定上水库和下水库壅水建筑物、下水库泄水建筑物、输水系统和厂房系统涉及防洪的主要建筑物的设计洪水标准为200年一遇，校核洪水标准为1 000年一遇。下游消能防冲建筑物按100年一遇洪水设计。

3.2 调洪原则

(1)下水库调洪计算采用坝址天然洪水，采用静态库容，不考虑预报预泄。

(2)考虑下水库在水位283.50 m以下没有泄洪设施，来水量只能蓄在下水库；在水位283.50 m以上时才可以通过溢洪道下泄水量，起调水位宜高于283.50 m。2011年，考虑下游的防洪及其他要求，有关文件明确该已建水库从2012年起调整汛期限制水位为284.50 m。目前，该水库在汛期均按照这一水位运行。近年来，水库下游发生了较大变化，该水位的设置主要是考虑下游防洪要求，且对抽水蓄能电站的专用库容没有影响。抽水蓄能电站建成后不改变水库原汛期限制水位，洪水调节的最低起调水位采用284.50 m。当发电运行水量800万m3全部在下水库。即，上水库水位为死水位598.00 m时，由下水库水位～库容曲线可得下水库水位为287.50 m。因此下水库洪水调节的起调水位为284.50～287.50 m的任何可能水位。

(3)根据已建水库除险加固工程初步设计报告，为保障水库下游村民2 400余人的生命财产安全，当遭遇20年一遇以下洪水时，水库泄量不超过500 m3/s。据此确定该已建水库的防洪高水位为290.46 m，当水库水位超过防洪水位290.46 m时水库敞泄。

(4)考虑系统调峰运行的要求，该抽水蓄能电站下水库洪水调节时考虑机组发电流量在不同时段与洪水叠加的工况；随着天然洪水进入下水库，应及时开闸泄洪，泄放入库洪水，严格控制下水库水位，保证抽水蓄能电站正常发电，也可避免发电水量超泄及人造洪峰现象。

(5)为避免对下游造成人造洪水，洪水调节过程中，在洪峰到来之前，下泄流量不大于入库洪水流量；洪峰之后，下泄流量不大于洪峰流量。

3.3 下水库洪水调节计算成果

该抽水蓄能电站下水库洪水位通过电站发电与洪水过程叠加分析确定，即考虑天然洪水与发电流量遭遇的情况，其中发电流量考虑5 h发电过程。

经洪水调节计算，20年一遇、设计和校核标准下选取不同洪水与发电过程组合后发生的最高库水位分别为290.00、291.30 m和292.20 m(见表3)。

表3 下水库洪水调节成果

3.4 对库区淹没范围的影响分析

调洪计算结果显示，原已建水库100年一遇设计洪水位为290.62 m，抽水蓄能电站建成后下水库设计标准提高到200年一遇，设计洪水位为291.30 m；原已建水库1 000年一遇校核水位为292.10 m，本次计算由于发电下泄流量叠加，水位为292.20 m。发生20年一遇洪水时，按现状的调度方式计算的20年一遇洪水位为290.00 m，低于除险加固报告中的20年一遇洪水位290.46 m。

下水库库区电缆采用30年一遇洪水标准，水库移民采用20年一遇洪水标准，耕地采用5年一遇洪水标准。根据调洪计算得到的坝前水位，对频率为3.33%、5%、20%的洪水进行回水计算，结果表明，抽水蓄能电站按以上调洪原则进行洪水调节，未增大原已建水库库区淹没范围。

3.5 挡水建筑物高程确定

已建水库原设计水位为289.00 m，设计洪水位为290.62 m，校核洪水位为292.10 m。作为抽水蓄能电站下水库后，根据下水库调洪演算结果，下水库正常蓄水位为289.00 m，设计洪水位为291.30 m，校核洪水位为292.20 m。由于设计洪水位与校核洪水位相比原嵩山水库均略有提高，且建筑物级别提高，需对大坝坝顶高程进行复核计算。经计算确定下水库大坝高程在原有292.50 m高程的基础上加高1.00 m，为293.50 m。