南方電網(wǎng)抽水蓄能電站泄洪建筑物優(yōu)化設計研究

潘定才 章鵬

摘要：抽水蓄能電站泄洪建筑物一般參照常規(guī)水電站進行設計，但其泄洪建筑物運行情況與常規(guī)水電站有較大差異。分析了南方電網(wǎng)廣州、惠州抽水蓄能電站泄洪建筑物的運行情況，總結其泄洪建筑物運行特點為：大流量放水泄洪較少出現(xiàn)，水庫多余水量主要通過放水底孔泄流，溢洪道或溢流堰等泄洪建筑物使用率極低。提出泄洪建筑物采用與導流結合、無閘門自由溢流豎井泄洪洞的優(yōu)化方向，并采用設錐形閥的放水底孔泄放水庫多余水量。在清遠、海南瓊中、梅州等多個抽水蓄能電站項目應用表明，泄洪建筑物優(yōu)化降低了電站運行維護難度，節(jié)約了工程投資，可供后續(xù)類似項目研究借鑒。

關鍵詞：抽水蓄能電站;泄洪建筑物;設計優(yōu)化;南方電網(wǎng)

中圖法分類號：TV743文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.006

中國南方電網(wǎng)已建和在建的抽水蓄能電站均為無防洪任務要求的純抽水蓄能電站，水庫洪水調節(jié)計算主要考慮入庫洪水過程與發(fā)電或抽水過程的滑動疊加組合[1]，根據(jù)計算指導泄洪建筑物設計。由于純抽水蓄能電站集雨面積較小，洪水洪峰流量不大，上、下兩水庫總有效庫容是2個水庫正常運行時總儲水量的2倍，因此其泄洪建筑物運行情況與常規(guī)水電站有較大差異。本文通過分析已建的廣州、惠州抽水蓄能電站（以下簡稱“廣蓄電站”、“惠蓄電站”）泄洪建筑物的運行情況，分析抽水蓄能電站泄洪建筑物運行特點，提出在確保建筑物安全可靠運行條件下泄洪建筑物的優(yōu)化方向。

1 純抽水蓄能電站泄洪建筑物運行特點

對廣蓄、惠蓄電站投運以來泄洪建筑物多年運行情況進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)泄洪建筑物溢洪道或溢流堰使用頻率較低。

1.1 廣蓄電站

廣蓄上庫集雨面積5 km2，正常蓄水位816.8 m，設計洪水位818.25 m。大壩為混凝土面板堆石壩，采用不設閘門自由溢流的側槽岸坡式溢洪道。電站投運24 a來，上水庫僅2001年略超過正常蓄水位（非正常調度）。上庫歷年均出現(xiàn)過日降雨量超過50 mm的暴雨;最大日降雨量出現(xiàn)在2013年，為降雨量250 mm的特大暴雨（圖1）。取2013年上水庫每日最高庫水位和日降雨量數(shù)據(jù)進行相關性分析（圖2），相關系數(shù)為0.07，水位與降雨量相關性較低，水位主要受電站運行工況控制。24 a期間，上庫溢洪道僅放水1次（非正常調度），溢洪道使用頻率較低，運行情況見表1。

廣蓄下庫集雨面積13 km2，正常蓄水位287.7 m，設計洪水位289.9 m。大壩為碾壓混凝土重力壩，采用有平板閘門控制的溢流堰，溢流堰頂高程285.6 m。壩內預埋內徑0.8 m鋼管作為放水管，放水管后分岔接小水電站（保安電源），放水管末端設錐形閥控制泄流。電站投運24 a來，下庫最高水位未超過正常蓄水位。下庫歷年均出現(xiàn)過日降雨量超過50 mm的暴雨;最大日降雨量出現(xiàn)在2013年，降雨量為273.5 mm的特大暴雨（圖1）。取2013年下水庫每日最高水位和日降雨量數(shù)據(jù)進行相關性分析（圖2），相關系數(shù)為0.12。每日最高水位與降雨量相關性較低，水位主要受電站運行工況控制。2008年以前下庫主要通過小水電站發(fā)電和溢流堰放水;2009年以來，電廠調整了運行規(guī)則，下庫主要通過小水電站發(fā)電和放水管放水，溢流堰使用頻率大幅減小，僅2013年通過溢流堰放水1次，運行情況見表2。

1.2 惠蓄電站

惠蓄上庫集雨面積5.2 km2，正常蓄水位762 m，設計洪水位763.64 m。主壩為碾壓混凝土重力壩，副壩為黏土心墻堆石壩，采用開敞式自由溢流堰。主壩內設放水底孔，采用預埋內徑1.4 m鋼管，由錐形閥控制泄流。電站投運以來，上庫水位未超過正常蓄水位;上庫歷年均出現(xiàn)過日降雨量超過50 mm的暴雨;最大日降雨量出現(xiàn)在2015年，為323 mm的特大暴雨（圖3）。取2015年上水庫每日最高水位和日降雨量數(shù)據(jù)進行相關性分析（圖4），相關系數(shù)為0.11。每日最高水位與降雨量相關性較低，水位主要受電站運行工況控制。電站投運以來上庫溢流堰和放水底孔均未泄洪;2011年、2014年、2015年為緩解下游旱情放水底孔共放水153.4萬m3，見表3。

惠蓄下庫集雨面積11.3 km2，正常蓄水位231 m，設計洪水位234.05 m。主壩為碾壓混凝土重力壩，副壩為黏土心墻堆石壩，采用開敞式自由溢流堰。主壩內設放水底孔，采用預埋內徑1.8 m鋼管，放水底孔鋼管后分岔接小水電站（黑啟動電源），放水底孔鋼管末端由錐形閥控制泄流。電站投運以來，下庫水位未超過正常蓄水位;下庫歷年均出現(xiàn)了日降雨量超過50 mm的暴雨;最大日降雨量出現(xiàn)在2013年，降雨量為194.7 mm（圖3）。取2013年下水庫每日最高水位和日降雨量數(shù)據(jù)進行相關性分析（圖4），相關系數(shù)為-0.07。每日最高水位與降雨量相關性較低，水位主要受電站運行工況控制。電站建成以來下庫溢流堰未泄洪，2011年2月小水電站建成前下庫多余水量通過放水底孔下泄，2011年3月開始通過小水電站發(fā)電放水，放水底孔使用較少。

1.3 優(yōu)化方向

廣蓄、惠蓄電站上、下庫正常調度下的水庫水位未出現(xiàn)超過正常蓄水位的情況。數(shù)據(jù)分析表明，水庫每日最高水位與日降雨量相關性較小。由于抽水蓄能電站有上、下兩個水庫，總水量只占用了一個水庫的有效庫容，降雨對純抽水蓄能電站水位影響較小，水庫水位主要由電站運行工況控制。電站泄洪建筑物運行情況與常規(guī)水電站有較大差異，大流量的放水泄洪較少出現(xiàn)，較多的是下水庫通過放水設施小流量泄放水庫多余水量。抽水蓄能電站正常運行時，上、下水庫的總水量不能超過兩個水庫有效庫容的一半，水庫多余水量主要通過放水底孔泄流，放水底孔是運行較多的泄洪設施，需要及時宣泄多余水量。而溢洪道或溢流堰等泄洪建筑物則極少使用，可作為泄洪建筑物的優(yōu)化方向，同時采用無閘門自由溢流有利于運行管理。

2 抽水蓄能電站泄洪建筑物優(yōu)化

鑒于抽水蓄能電站溢洪道或溢流堰等泄洪建筑物使用頻率較低，放水底孔運行較多，與常規(guī)水電站泄洪建筑物運行方式存在較大差異。電站采用開敞式溢洪道布置的工程量及對環(huán)境破壞均較大，經(jīng)技術經(jīng)濟比選，可研究采用和導流洞結合的豎井泄洪洞方案，同時設置較大直徑的放水底孔。

豎井泄洪洞由井口導流防渦設施、環(huán)形溢流堰、豎井及消能井段、退水隧洞段（原導流洞）及出口消能段組成。豎井泄洪洞進口采用無閘控制環(huán)形實用堰，堰頂高程與正常蓄水位齊平。豎井泄洪洞結構簡單，進水口可根據(jù)地形地質條件布置，且能在圍巖條件較差情況下施工，有較大靈活性;適用水頭范圍廣，消能率可達80%以上[2]。

放水底孔采用錐形閥控泄方式，與常規(guī)閘門相比，具有結構簡單、布置方便、啟閉靈活、不易振動、運行維護簡單等優(yōu)點，尤其適合抽水蓄能電站需要經(jīng)常性小開度開啟閥門泄放水庫多余徑流的特點。

2.1 清遠抽水蓄能電站

清遠抽水蓄能電站下水庫為黏土心墻堆渣壩，兩岸地形陡峻，采用岸邊開敞式溢洪道方案開挖量較大，經(jīng)多方案比較后，采用和導流洞結合的豎井泄洪洞方案，無閘控制旋流環(huán)形堰泄流。泄洪洞水頭約63 m，最大泄流量534.2 m3/s，洞內預埋內徑1.6 m的放水底孔，放水底孔末端設閘閥室及工作閥，利用錐形閥控制泄流（圖5）。在下庫蓄水期間，人為壅高水位進行了一次原型過流試驗，過水后檢查建筑物一切正常。根據(jù)電站可行性研究報告，下水庫采用和導流洞結合的豎井泄洪洞方案，與開敞式溢洪道方案相比，減少土石方開挖量約18萬m3，地表開挖面積減少約16 800 m2，節(jié)約投資1 261萬元[3]。

2.2 海南瓊中抽水蓄能電站

海南瓊中抽水蓄能電站上水庫為面板堆石壩，泄洪建筑物可行性研究設計階段采用岸邊開敞式溢洪道。上水庫基巖風化較深，岸邊開敞式溢洪道開挖量較大，右側開挖邊坡較高，生態(tài)環(huán)境破壞較大。招標設計階段泄洪建筑物優(yōu)化為和導流洞結合的豎井泄洪洞（圖6），無閘控制環(huán)形實用堰泄流。泄洪洞水頭約50 m，最大泄流量70.4 m3/s。根據(jù)海南瓊中抽水蓄能電站上水庫溢洪道設計變更專題報告審查意見，上水庫采用和導流洞結合的豎井泄洪洞方案，與岸邊開敞式溢洪道方案相比，減少土石方開挖約4萬m3，地表開挖面積減少約7 300 m2，節(jié)約投資641萬元[4]。

2.3 梅州抽水蓄能電站

梅州抽水蓄能電站上水庫直接采用和導流洞結合的豎井泄洪洞方案（圖7），采用無閘控制環(huán)形實用堰泄流。泄洪洞水頭約53 m，最大泄流量60 m3/s。根據(jù)電站可行性研究報告，上水庫采用和導流洞結合的豎井泄洪洞方案，與開敞式溢洪道方案相比，節(jié)約投資739萬元[5]。下水庫由碾壓混凝土重力壩設閘門的表孔+深孔方案優(yōu)化為壩頂自由溢流+設錐形閥的放水管方案。

3 結 語

純抽水蓄能電站泄洪建筑物水頭一般不超過100 m，加之其特殊的運行情況，在布置開敞式溢洪道代價較大的情況下，可研究采用豎井泄洪洞方案。目前已在清遠抽水蓄能電站上水庫和下水庫、海南瓊中和梅州抽水蓄能電站上水庫等項目應用。與開敞式溢洪道相比，和導流洞結合的豎井泄洪洞土石方開挖工程量較小，能有效降低邊坡開挖高度，減少征地面積，對地表環(huán)境破壞較小，有利于節(jié)約投資和環(huán)境保護。

對常規(guī)設置的泄洪建筑物，宜不設閘門，采用自由溢流建筑物+設錐形閥的放水底孔方案，具有啟閉靈活、運行維護簡單等優(yōu)點，已在清遠、深圳、梅州、陽江等抽水蓄能電站下水庫項目中應用。

國內抽水蓄能電站建設正處于建設高峰期，在類似的項目建設中可借鑒上述優(yōu)化設計，應用前景廣闊。

參考文獻：

[1] DL/T5208-2005抽水蓄能電站設計導則[S].

[2] 安盛勛，王君利. 水平旋流消能泄洪洞設計與研究[M]. 北京：中國水利水電出版社，2008.

[3] 廣東省水利電力勘測設計研究院. 廣東清遠抽水蓄能電站可行性研究報告[R]. 廣州：廣東省水利電力勘測設計研究院，2008.

[4] 中國電建集團中南勘測設計研究院. 海南瓊中抽水蓄能電站上水庫溢洪道設計變更報告[R]. 長沙：中國電建集團中南勘測設計研究院，2015.

[5] 中國電建集團中南勘測設計研究院. 廣東梅州抽水蓄能電站可行性研究報告[R]. 長沙：中國電建集團中南勘測設計研究院，2015.

（編輯：李 慧）