印尼西索肯抽水蓄能電站上水庫溢洪道的優(yōu)化與設(shè)計(jì)

卞 全，吳 麗

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)03—0027—06

印尼西索肯抽水蓄能電站上水庫溢洪道的優(yōu)化與設(shè)計(jì)

卞 全，吳 麗

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

印尼西索肯抽水蓄能電站上水庫為碾壓混凝土壩，泄水建筑物具有單寬流量小、堰頂無閘門控制等特點(diǎn), 經(jīng)過世行專家審查、多方案的比較和研究論證, 最終將原設(shè)計(jì)的光面溢流壩優(yōu)化為臺(tái)階式溢洪道，較好地解決了該工程上水庫的泄洪消能問題,而且臺(tái)階式溢洪道施工與大壩——澆筑緊密結(jié)合，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

印度尼西亞；西索肯;抽水蓄能電站;上水庫;臺(tái)階式;溢洪道

1 工程簡介

1.1 工程概況

西索肯抽水蓄能電站是印度尼西亞的第1個(gè)抽水蓄能項(xiàng)目，位于印尼首都雅加達(dá)市東南部150 km處西索肯河流域上游。該項(xiàng)目是世界銀行的貸款項(xiàng)目，業(yè)主為印尼國家電力公司(PT.PLN)。

該項(xiàng)目包含上、下庫2座碾壓混凝土(RCC)重力壩，上壩的最大壩高75.5 m，壩頂長375 m；下壩的最大壩高98 m，壩頂長294 m。引水發(fā)電系統(tǒng)則包含2個(gè)進(jìn)水口、長1.2 km的2條引水隧洞、2座調(diào)壓井、2條鋼襯壓力隧道和4條尾水渠。地下廠房長156.6 m、高50.15 m、寬24 m，安裝4臺(tái)單機(jī)容量為260 MW的機(jī)組，總裝機(jī)1 040 MW。圖1為項(xiàng)目總平面布置圖。

1.2 設(shè)計(jì)咨詢情況

2009年10月，臺(tái)灣中興工程顧問股份有限公司、中國水電顧問集團(tuán)聯(lián)合2家印尼咨詢公司，組成聯(lián)合體參加咨詢的投標(biāo)工作。2012年10月，經(jīng)世界銀行核準(zhǔn)，聯(lián)合體正式中標(biāo)并簽約。

聯(lián)合體的工程師為業(yè)主聘用的咨詢工程師，為業(yè)主負(fù)責(zé)，其職責(zé)在籌建期為設(shè)計(jì)方，負(fù)責(zé)工程的招投標(biāo)設(shè)計(jì)；在施工期為監(jiān)理方，對(duì)詳細(xì)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)、承包商負(fù)責(zé)施工圖紙。

世界銀行召集國際專家，組成PRP (Project Review Panel)，每年定期召開會(huì)議，檢查項(xiàng)目的進(jìn)程、審核設(shè)計(jì)、決定招投標(biāo)及施工中的重大問題等。

圖1 印尼西索肯抽水蓄能電站的總平面布置圖

本項(xiàng)目已于2013年12月底召開了上、下水庫大壩及引水發(fā)電系統(tǒng)土建標(biāo)的承包商資格預(yù)審，招標(biāo)設(shè)計(jì)已于2014年7月通過業(yè)主和世行專家組PRP的第6次審查后定稿，已發(fā)出邀標(biāo)函，即將開工。

2 可研設(shè)計(jì)的建筑物布置及設(shè)計(jì)

印度尼西亞地處熱帶，全年氣候溫暖濕潤。壩址距萬隆市區(qū)僅30 km。上、下水庫庫容各約1 000萬m3，水泵的最大流量為89.1 m3/s，水輪機(jī)的最大流量為108 m3/s。抽水蓄能電站的運(yùn)行方式為：每天從下水庫抽水至上水庫，抽水約7.8 h，發(fā)電運(yùn)行約6.5 h。

2.1 上水庫的總體布置與溢洪道的尺寸

(1) 基本資料

上水庫壩址以上流域面積為10.5 km2, 多年平均流量為0.18～0.74 m3/s。壩址處河水面以下的河床寬約20 m，兩岸岸坡坡度小于30°，壩址巖性為砂巖與粉砂巖互層及角礫巖，少量的安山巖和頁巖。設(shè)計(jì)洪水采用1萬年重現(xiàn)期，流量為 230 m3/s；校核洪水采用最高洪水位(PMF)，流量為300 m3/s。

(2) 溢洪道的布置及選擇

盡管閘控溢洪道能使壩頂高程降低1 m，但從整體造價(jià)而言，無閘溢洪道更經(jīng)濟(jì)；而且流域面積僅10.5 km2，當(dāng)洪水來臨時(shí)，要頻繁且迅速開閘泄洪有操作難度。因此，選用無閘控溢洪道型式。

因下游尾水很淺，不適合采用面流及戽流消能。而下游河床較窄，如采用挑流消能，則沖坑深且范圍大約為3倍泄槽寬度。底流消能工具有施工簡單、運(yùn)行可靠、下游沖刷影響小的優(yōu)點(diǎn)，且本工程的消能工造價(jià)不高，故推薦采用底流消能型式。

溢流壩位于壩段中央，為開敞式無閘門控制型式，1孔，寬度為10 m。堰面曲線下游與1∶0.73的泄槽段相切，泄槽段以反弧與消力池相接。消力池總長約45 m，邊墻高8 m，底板厚1.5 m，末端設(shè)5 m高的尾坎，尾坎內(nèi)布置2孔1 m×1.5 m的排沙孔。圖2為上池壩的平面布置圖，圖3為溢流壩縱剖面圖。

2.2 設(shè)計(jì)及計(jì)算成果

(1) 泄流能力計(jì)算

因堰頂寬度僅為10 m，在最高洪水位799.08 m時(shí)，溢流壩的最大泄量為87 m3/s;而當(dāng)遭遇大洪水時(shí)，部分從溢流壩排泄，其余洪水從壩頂排泄到壩肩下游的混凝土水槽和旁通渠中，然后導(dǎo)入下游河道中。

圖2 上池壩原設(shè)計(jì)的平面布置圖 單位：m

圖3 上池壩原設(shè)計(jì)的溢流壩縱剖面圖 單位：m

(2) 泄槽水面線計(jì)算

設(shè)計(jì)采用日本規(guī)范，按照日本規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)公式，在下泄最大流量87 m3/s時(shí)，泄槽邊墻的法向高度為3.0～2.0 m。

(3) 下游河道的水面線和底流消能計(jì)算

3 世行專家的意見簡述

在2010年10月召開的第1次PRP審查會(huì)中，世界銀行聘請(qǐng)的PRP專家對(duì)原設(shè)計(jì)的上水庫溢流壩，提出了很好的意見和建議：

(1) 基于上水庫的設(shè)計(jì)洪水等級(jí)及大壩類型，應(yīng)考慮采用臺(tái)階式溢洪道型式，結(jié)構(gòu)布局簡單經(jīng)濟(jì)，從而減少消能工的長度和消能工程成本。

(2) 將溢洪壩的堰頂從10 m加寬到20～30 m，并泄入到縮窄的消力池中，將極大降低成本。

(3) 溢流壩段寬20 m，可排泄常遇洪水；兩側(cè)壩頂?shù)姆浅Ｒ绾榈篱L約65 m，可用于排泄較大洪水。

4 臺(tái)階式溢洪道的適應(yīng)性

(1) 泄槽末端的高速水流

按照原溢流壩體型，在下泄流量87 m3/s時(shí)泄槽末端的流速約33 m/s，屬高速水流。而泄槽末端反弧段局部范圍的水流條件類似于導(dǎo)流洞的“龍?zhí)ь^”改建型式，流速高且水流空化數(shù)低，極易發(fā)生空化、空蝕破壞；表面須澆筑抗沖耐磨混凝土、嚴(yán)格的不平整度控制，以避免沖蝕破壞。而如果在泄槽上設(shè)置臺(tái)階消能的措施，空蝕和沖蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)將極大地降低。

(2) 上水庫采用臺(tái)階式溢洪道的可行性

目前許多臺(tái)階式溢洪道已建成并投入運(yùn)行，運(yùn)行情況良好。結(jié)合RCC大壩技術(shù)水平的發(fā)展，本工程的上水庫若采用臺(tái)階式溢洪道，與美國上靜水壩類似，不但體型簡單、與RCC施工緊密結(jié)合，而且節(jié)省工程量，不存在技術(shù)問題。

(3) 臺(tái)階式溢洪道的特點(diǎn)

采用臺(tái)階式溢洪道，不但避免過流面空化和空蝕，更達(dá)到消能目的,明顯提高消能率，因而減少了下游消力池的規(guī)模，有效地節(jié)省了工程投資。同時(shí)，在溢流壩面上設(shè)置臺(tái)階，既能利用碾壓混凝土層面形成臺(tái)階壩面，又適應(yīng)碾壓混凝土筑壩分層的機(jī)械化施工，工藝簡單，施工加快，工期縮短。

因此，將上水庫溢流壩的光面調(diào)整為臺(tái)階式，是可行、更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

5 臺(tái)階式溢洪道的設(shè)計(jì)及水力計(jì)算

經(jīng)咨詢工程師復(fù)核后，本項(xiàng)目上水庫溢洪道仍位于壩體中央、采用無閘控溢流堰和消力池消能型式。

5.1 臺(tái)階式溢洪道的關(guān)鍵尺寸選擇

(1) 堰頂寬度

按照設(shè)計(jì)洪水全部由溢洪道下泄、減小壩肩泄洪消能工程的思路，為防止溢洪道導(dǎo)墻收縮產(chǎn)生沖擊波、減小工程量，泄槽寬度應(yīng)不大于下游河寬。如若堰頂寬度選用10 m，臺(tái)階式溢洪道的單寬流量大于25 m3/(s·m)，為避免空蝕破壞，須設(shè)置如寬尾墩、摻氣槽等措施，體型復(fù)雜且需經(jīng)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證和優(yōu)化。因此，堰頂寬度選用20 m。

溢流堰如設(shè)1孔，寬20 m，壩頂?shù)慕煌蝽毎搭A(yù)應(yīng)力橋設(shè)置；而預(yù)應(yīng)力橋梁對(duì)施工工藝要求高、張拉控制嚴(yán)格、易出現(xiàn)裂縫，成本高且質(zhì)量高、工藝難。因此溢流堰分2孔，每孔寬10 m，設(shè)中墩，中墩厚1.2 m，作為橋梁支座。一方面，壩頂交通橋可采用空心板橋而無需預(yù)應(yīng)力橋，單塊空心板橋質(zhì)輕、施工簡單、質(zhì)量易控制、便于維修；另一方面，雖然中墩后的泄槽寬度突擴(kuò)，但因堰頂水頭低，單寬流量小，流速小，中墩薄，下游流態(tài)受中墩體型的影響較小。

(2) 臺(tái)階高度

根據(jù)水力學(xué)角度、已建工程設(shè)計(jì)運(yùn)行及模型試驗(yàn)成果，已建溢洪道的臺(tái)階高度為0.6～1.2 m，臺(tái)階高度一般取高值。首先隨著臺(tái)階高度的加大，摻氣初始點(diǎn)的位置會(huì)向堰頂移動(dòng)，使易受空蝕破壞的未摻氣流道更短；其次隨著臺(tái)階高度的加大，消能率也有所增加。

對(duì)于RCC壩, 溢洪道的臺(tái)階高度選擇也應(yīng)結(jié)合RCC 壩的施工速度統(tǒng)一考慮。近年來，施工手段明顯提高、建設(shè)速度加快，通常采用1 m左右的臺(tái)階高度。而本工程的RCC的澆筑層厚為0.3 m，為了施工便利, 減少模板工作量，加快施工進(jìn)度，按照PRP專家的建議溢洪道臺(tái)階高度為1.2 m。

5.2 上水庫臺(tái)階式溢洪道的水力計(jì)算

鑒于目前對(duì)臺(tái)階式溢洪道的水力學(xué)研究沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范,尚停留在水工模型試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)上，尤其是流態(tài)判斷、摻氣初始位置、形成均勻流的條件、消能率等算法還不成熟；本項(xiàng)目選取引用多、知名度高的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)《RCC壩階梯式溢洪道的水力設(shè)計(jì)》[1]和《臺(tái)階式溢洪道的設(shè)計(jì)部分(Ⅰ)(Ⅱ)》[2]，分別進(jìn)行上水庫臺(tái)階式溢洪道的水力學(xué)計(jì)算和研究。

(1) 溢流堰泄流能力計(jì)算

當(dāng)不考慮水庫調(diào)洪，上游水位為799.6 m時(shí)可下泄設(shè)計(jì)洪水230 m3/s，當(dāng)上游水位為800.5 m時(shí)可下泄PMF洪水333 m3/s。經(jīng)水庫調(diào)洪演算分析，最高洪水位(PMF)為799.0 m，對(duì)應(yīng)的泄量為162.6 m3/s。

(2) 臺(tái)階式溢洪道的水力特征計(jì)算

1) 流態(tài)判斷

舌形流僅發(fā)生在上游水位低于797.5 m、泄量小于37 m3/s時(shí)；當(dāng)上游水位超過797.5 m，流態(tài)為表層流。

2) 初始摻氣點(diǎn)的位置及水深

按照計(jì)算成果，發(fā)生表層流時(shí)，從溢流堰頂?shù)介_始出現(xiàn)摻氣前的垂直距離約在4～22.7 m之間，流量越小，距離堰頂越近；初始摻氣點(diǎn)的水深為0.32～1.15 m，平均摻氣濃度為22.5%。

3) 穩(wěn)定均勻摻氣水流的位置、水深及摻氣濃度

按照計(jì)算，形成均勻摻氣水流的摻氣水深為0.38～1.5 m；摻氣水流的流速為4.7～10.5 m/s；壩面泄流受臺(tái)階的影響，沿程水流摻氣明顯，泄流在壩腳之前就能形成穩(wěn)定的均勻摻氣。

4) 消能率按照計(jì)算結(jié)果，溢流壩面臺(tái)階跌坎對(duì)減小水流流速的作用非常明顯。當(dāng)下泄校核洪水時(shí)，消能率為60%；隨著流量減小，壩面的流速也加速減小，消能率最高可達(dá)90%以上。

(3) 下游消能計(jì)算

經(jīng)過臺(tái)階消能后，壩趾處的水流流速為3.1～10.5 m/s；再經(jīng)過底流消能后，能量進(jìn)一步消殺。經(jīng)對(duì)比，確定消力池長約16 m、坎高2.7 m。下游河道的水深1～3.8 m，在消力池末端鋪設(shè)塊石護(hù)底。

(4) 其 它

一般而言，由于臺(tái)階跌坎下游面形成漩渦和壩面摻氣的共同作用，跌坎下游面可能出現(xiàn)壓強(qiáng)小甚至負(fù)壓情況。盡管本工程的流量小、水頭不高、流速小，但仍要引起重視。可通過加強(qiáng)控制施工質(zhì)量，摻加鋼纖維或減水劑等措施，提高抗磨蝕性能，并控制表面不平整度，避免產(chǎn)生空蝕破壞。

5.3 上水庫臺(tái)階式溢洪道的布置

根據(jù)水力學(xué)估算成果，布置了臺(tái)階式溢洪道。無閘控溢洪道，分2孔，每孔寬10 m，設(shè)中墩，中墩厚1.2 m，邊墩厚1.5 m。壩頂采用空心板橋連接兩岸，壩頂寬6.5 m。泄槽總寬21.2 m，邊墻高度為4.5 m。

圖4 上池壩臺(tái)階式溢洪道的縱剖面圖 單位：m

臺(tái)階式溢洪道的堰頂曲線方程為Y=0.1860X1.85。堰頂曲線與下游壩坡1∶0.76相切，最上部2個(gè)臺(tái)階高0.15 m，接著3個(gè)高度為0.3 m的臺(tái)階、3個(gè)高度為0.6 m的臺(tái)階，以下均為1.2 m高度的臺(tái)階，總臺(tái)階數(shù)為52個(gè)。臺(tái)階下游泄槽與消力池底板以半徑8 m的圓弧相切。消力池總長約25.7 m，邊墻高度為8 m，在池長16 m處設(shè)置尾坎，高度為2.7 m。尾坎后接下游塊石防護(hù)段。圖4為臺(tái)階式溢洪道的縱剖面圖。

6 采用臺(tái)階式溢洪道的效益分析

由于采用了與碾壓混凝土分層、通倉碾壓施工相適應(yīng)的臺(tái)階式壩面，取消了原設(shè)計(jì)的2層混凝土結(jié)合面的聯(lián)系插筋和表層鋼筋網(wǎng)，不必設(shè)置摻氣槽，避免澆筑高標(biāo)號(hào)常態(tài)混凝土，臺(tái)階式壩面一次碾壓成型，實(shí)現(xiàn)全斷面快速碾壓筑壩，大大簡化了施工、加快了進(jìn)度、縮短了工期、其效益是明顯的。

根據(jù)估算，采用臺(tái)階式溢洪道后，與光面溢洪道相比，減少泄槽底板常態(tài)混凝土共計(jì)530.4 m3,減少消力池邊墻混凝土共計(jì)422.2 m3,減少消力池底板混凝土645.5 m3,減少消力池尾坎混凝土272.1 m3,減少泄槽底板表層鋼筋31.4 t,減少泄槽底板2層混凝土結(jié)合面的聯(lián)系插筋6.1 t,減少消力池底板、邊墻和尾坎的鋼筋23.2 t(尚未計(jì)入兩岸壩肩下游的混凝土水槽工程量)。

按照印尼當(dāng)?shù)氐膬r(jià)格計(jì)算，上池壩采用臺(tái)階式溢洪道后，共減少直接費(fèi)用約41萬美元。

7 結(jié) 語

經(jīng)過對(duì)印尼西索肯抽水蓄能電站上水庫溢洪道的比較、研究和優(yōu)化，結(jié)合RCC 大壩，最終采用臺(tái)階式溢洪道型式。通過對(duì)本工程臺(tái)階式溢洪道的布置、水力學(xué)計(jì)算等，很好地解決了上水庫的泄洪消能問題；而且臺(tái)階式溢洪道施工與大壩RCC澆筑緊密結(jié)合，經(jīng)濟(jì)效益是非常明顯的。通過對(duì)臺(tái)階式溢洪道的選擇、應(yīng)用和總結(jié)，為類似工程的設(shè)計(jì)和研究積累了經(jīng)驗(yàn)，具有較好的參考價(jià)值。

[1] Satoshi Yamaoka,Eizo Kita. 印尼西索肯抽水蓄能電站可行性研究設(shè)計(jì)[R].雅加達(dá): 新日本技術(shù)株式會(huì)社,2007.

[2] 卞全,董翌為,安盛勛. 印尼西索肯抽水蓄能電站上水庫的溢洪道設(shè)計(jì)更新報(bào)告[R].西安:西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,2013.

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[6] 卞全 譯,吳熹 校. 臺(tái)階式溢洪道的設(shè)計(jì)部分(Ⅰ)(Ⅱ)[J].國際水力發(fā)電,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，河南省南陽市桐柏縣人，教授級(jí)高工，印尼西索肯抽蓄電站的土建咨詢工程師，主要從事水電站工程水工建筑物的設(shè)計(jì)、研究及項(xiàng)目管理工作.

TV743;TV651.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.03.008