桐柏抽水蓄能电站下水库泄洪洞12年运行实践与检修技术研究

胡忠启　赵贤学

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江天台　317200）

摘　要：桐柏抽水蓄能电站下水库右岸设置了泄洪洞，用于泄放20年一遇以下洪水及放空水库，施工期用于导流，消能方式采用底流消能。自2005年5月下水库蓄水以来经过了12年运行实践，历经了220多次放水泄洪，使得抽水蓄能电站水库调节极其方便易行。经多年泄洪后消力池产生了冲蚀，本文对其检修技术进行研究比较后进行了处理，以保障水库大坝安全运行。

关键词：泄洪洞；运行实践；消力池检修

1　引言

桐柏抽水蓄能电站（以下简称桐柏电站）安装4台单机容量为300MW的立轴混流可逆式单级水泵水轮机和发电电动机组，总容量为1200MW；工程等别为一等，工程规模属大（1）型，枢纽工程由上水库、下水库、输水系统、地下洞室群、地面开关站和中控楼等部分组成。

下水库大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝高为68.25m，坝顶长度为434m，坝址流域面积为21.4km2，死水位为110.00m，死库容为213.9万m3，正常蓄水位为141.17m，总库容为1283.6万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，设计洪水位为145.60m，总下泄流量为361m3/s；校核洪水标准为1000年一遇洪水，校核洪水位为146.60m，总下泄流量为496m3/s。

泄洪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742.24m，最大工作水头为63.0m，设计泄量为176.1m3/s。下水库泄洪洞平面布置及纵剖面如图1所示。

2　泄洪洞设计及施工

2.1　设计布置

泄洪洞全长742.24m，其中进口引水渠长约80m，底宽7.8～21.5m，扩散角为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90.50m；为防止泄洪时大量推移质进入泄洪洞，利用进口前的叠梁门作为拦渣坎，坎顶高程为98.30m，并在叠梁门前25m处设一集渣坑。有压洞长525.01m，隧洞中部靠近右坝头附近设一道事故检修门，闸门井高65.5m；隧洞进水口为6.4m×6.4m（宽×高）的矩形渐变为直径4.8m的圆形，原设计靠近出口110m段采用钢板衬砌，内径D=4.8m，壁厚14mm；经优化设计，内径D=3.6m，钢管段长度为60m；隧洞出口后有一10m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2m×3m（宽×高），底板高程为82.60m。消力池为深挖护坦与消力坎相结合形式，池底高程为71.50m，边墙高程为85.50m，消力坎高1.0m，其顶高程为78.50m，池深7m，池宽7.9～16.3m，池长63m，消力池出口下游布置长度为55m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］

以P=2％洪水时保证机组发电不受影响为原则，通过泄洪洞和溢洪道的联合调洪，确定泄洪洞出流孔口尺寸为2m×3m（宽×高）。根据隧洞有压流计算公式（其中Z为上游水位与出口中心线高程差，ωc为出口断面面积，μc为流量系数），经计算，流量系数μc=0.856，水库各水位下的下泄流量见表1。

由表1可知，设计洪水位出口弧门全开时，泄洪洞最大下泄流量为176.1m3/s。钢筋混凝土衬砌段平均流速为9.73m/s，出口钢衬段平均流速为17.30m/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；泄洪洞洞身段及检修闸门井均采用钢筋混凝土衬砌，其中闸门井洞身段高程82.00～86.00m采用C30混凝土，闸门井及井后洞身段高程86.0～93.0m采用C25混凝土，消力池段侧墙及底板表层50cm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；泄洪洞灌浆工程包括出口消能工底板基础固结灌浆、平洞回填灌浆及固结灌浆、事故闸门井固结灌浆；钢板衬砌于泄0+465.008m～泄0+526.933m段，全长61.925m，钢板厚14mm，材质为16MnR；闸门及其启闭机安装工程包括泄洪洞事故门及其门槽、事故门启闭机、事故门启闭机室检修设备及其轨道、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　运行实践

3.1　泄洪洞洪水泄放原则

抽水蓄能电站和常规水电站最大的区别是必须有两个水库，即上水库和下水库，而且两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与运行，即动态调洪方式，洪水泄放原则为：①上水库水位达正常蓄水位396.21m时，电站停止抽水；②下水库水位低于142.00m时，电站正常发电，入库洪水通过泄洪洞排放，排放流量为前一时段入库洪水流量；③下水库水位高于142.00m，低于145.60m（P=0.5％洪水位）时，水泵水轮机、泄洪洞、溢洪道共同参与调洪；④下水库水位高于145.60m时，电站停止发电，关闭泄洪洞，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2017年8月底累计放水221次，共泄放水量29811.5万m3，见表2。历时最长的一次泄放洪水是2012年6月8日11时至6月25日9时，泄洪历时共406h，泄放水量为572.1万m3；泄洪量最大的一次泄放洪水是2012年8月2日17时至8月11日20时，泄洪历时共219h，泄放水量为1180.2万m3；年泄洪量最多的一年是2012年，为4009.3万m3。下面列举开度最大的一次泄放洪水情况：2009年8月9日桐柏电站流域24h降雨量为178.5mm，最大入库流量为127.3m3/s（9日21时），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（1个点为15min）和23个，分别给上水库腾出库容72万m3和207万m3；泄洪洞8日10时开启工作闸门泄放洪水，最大开度为1.6m，最大出库流量为86.7m3/s，至12日21时30分关闭，历时107.5h，共泄放水量562.1万m3；此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12年来基本采用下水库泄洪洞开闸放水，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两次，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—16日放水，原因是下水库泄洪洞消力池检修无法放水，而且上水库溢洪道堰顶高程为394.00m，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；而设置在下水库泄洪洞使用起来非常方便，开度自0.1m至3m启闭灵活，加之每次放水均多次变换开度，12年来启闭操作约600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0.1m，当水头为54m时闸门出口流速为28m/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，如图2和图3所示，影响泄洪洞安全运行。为此必须进行检修。

4　检修技术研究

4.1　技术研究

消力池段底板表层50cm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，参照富春江水电站溢洪道采用SK抗冲磨刮涂聚脲（也称单组分手刮聚脲）和SK高韧性环氧涂膜进行对比试验，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、耐老化和耐低温等特点，适用于混凝土溢流面、泄洪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。

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；将混凝土溢流面打磨干净并使之干燥，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0.2mm的裂缝，采用增加胎基布进行处理，对渗水裂缝，进行化学灌浆处理。

（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黏结强度大于2.5MPa。

（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为2mm，共涂刷3遍，第一遍涂刷0.5mm厚，第一层干燥后，刮涂第二遍，厚1.0mm，第三遍涂刷0.5mm厚。

（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，收边处混凝土应打磨成倒三角形，边缘聚脲涂层厚度应大于4mm，并保证聚脲涂层与周围混凝土搭接边处平滑过渡。

（5）聚脲涂层养护。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涂层进行遮盖保护，待风停雨止后，擦干净涂层上的附着物，吹干后继续施工。聚脲涂刷完工后，24h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；经2016年放水考验后，经常被小开度挑流冲刷的部位目前未见损坏，运行正常。

5　结语

桐柏电站下水库设置的泄洪洞经过12年的运行证明其设计是合理的，设备制造及安装可靠加之精心运行维护，泄洪洞运行正常、启闭使用灵活。根据设计要求，泄洪洞尽量避免小开度泄洪，根据桐柏电站水库调度运行经验，建议增设小流量的放水锥阀，泄量大时才采用导流泄洪洞开启闸门放水，避免因小开度长时间泄洪产生的挑流对溢流面造成冲刷损坏。

参考文献

［1］华东勘测设计研究院.竣工安全鉴定设计自检报告（枢纽工程）［R］.2008.

［2］胡忠启，赵贤学，张士平，等.桐柏抽水蓄能电站上下水库泄洪方式运行实践与研究［J］.水电站机电技术，2017，40（9）：52-55.

［3］孙志恒，朱德康，王健平，等.富春江水电站溢流面混凝土抗冲磨试验［J］.水利水电技术，2013，44（9）：90-93.

［4］江献玉，王珏，刘君成.北方某抽水蓄能电站下水库泄洪建筑物比选研究［C］∥中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会.抽水蓄能电站工程建设文集2016，2016：217-223.

【作者简介】

胡忠启，男，江苏赣榆人，高级工程师，主要从事水电站建设及运行管理工作。

赵贤学，男，安徽泗县人，高级工程师，主要从事水电站建设及运行管理工作。