浙江桐柏抽水蓄能电站下水库砼面板堆石坝坝身溢洪道方案的选定

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〖摘 要〗以砼面板堆石坝作为挡水建筑物的水电站或水库，其泄洪建筑物按常规一般布置在河床两岸（溢洪道或泄洪遂洞）；浙江桐柏抽水蓄能电站下水库溢洪道经过对地质、地形、泄洪方式等多方研究比较及专家论证，最后选定坝身溢洪道方案。
〖关键词〗 砼面板堆石坝 坝身溢洪道 下水库

1．工程概况
桐柏抽水蓄能电站位于浙江省天台县栖霞乡百丈村，距天台县城7km，距杭州170km。电站枢纽由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站等组成。上水库利用现有的桐柏水库进行加固改建而成；下水库位于百丈溪，挡水坝为钢筋混凝土面板堆石坝；厂房位于左岸上下库间的山体内，安装四台单机容量为300MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮机组；本电站是一座日调节纯抽水蓄能电站，以两回500KV出线接入华东电网，在电网中担任调峰、填谷、调频、调相及事故备用等任务。
本电站为一等工程。下水库挡水坝及溢洪道均为Ⅰ级建筑物，设计洪水标准为二百年一遇，相应设计洪水位为145.60m，下泄流量361m3/s，下游设计洪水位86.05m；校核洪水标准为千年一遇，相应洪水位为146.60m，下泄流量496m3/s，下游校核洪水位86.60m；大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝顶高程148.25m，坝顶长424m，坝顶宽8m，最大坝高68.25m，上游坝坡1:1.4，下游坝坡1:1.5，设有两级3m宽的马道。
原右岸溢洪道为开敞式溢洪道，布置在右坝头山脊的垭口及其冲沟上，由进水口、溢流堰体、泄槽、消力池和出水渠等组成。溢洪堰宽21.5m，堰顶高程141.17m，全长约240m，采用挑流消能。下库泄洪根据不同运行情况，溢洪道与导流泄放洞联合或单独渲泄。
2、可研及招标阶段的溢洪道设计方案
根据下水库坝址地形、地质条件及泄洪量，溢洪道布置共选择了三个方案，即左岸溢洪道布置方案、右岸溢洪道布置方案和坝身溢洪道布置方案。左岸溢洪道布置方案：左岸河谷基岩为侏罗系上统流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩，河谷为流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩夹霏细斑岩，岩石强度高，完整性较好；需开挖山坡，出水渠通过阶地约300余米，开挖工程量大，因此工程投资大，与下库进出水口相距较近，运行干扰较大，且出流归床条件较差；右岸溢洪道方案：进口处高边坡地质构造发育，基岩为砾岩夹含砾粉沙岩，属中－厚层状中硬岩，近地表强风化层岩性较软弱，抗冲刷能力较低，边坡开挖及基础处理工程量大；坝身溢洪道方案：由于下水库最大坝高为68.25m，泄洪单宽流量也不大，河谷宽阔，坝身溢洪道其所处的位置岩石为凝灰岩，冲坑部位地质条件良好，且下泄水流归床条件好，岩性好抗冲刷，工程量小，投资省，是可选择的好方案。但考虑到国内当时没有先例，且桐柏工程为大型水电项目，考虑到当时的堆石坝施工技术，从谨慎起见，在可研与招标设计阶段选择右岸溢洪道方案。
3、坝身溢洪道的可靠性和安全性
从1985年湖北省的西北口水库进行砼面板坝试验开始到2000年年底，我国已建造了100余座堆石坝，随着我国水电事业的发展，现代面板堆石坝设计及施工技术的日趋成熟，面板堆石坝的安全性已经得到了公认：砼面板堆石坝有很高的安全度，特别是抗震方面。对于在面板堆石坝坝身上修建溢洪道是否安全，关键在于堆石坝的变形，由于堆石坝的变形可能引起坝身溢洪道的开裂，危及到大坝安全和溢洪道的正常运行，基于这些问题，国内外的专家做了专门研究，国际著名的坝工专家库克和谢腊德对坝面上设置溢洪道提出的意见为：现代的砼面板堆石坝的总沉降量是相当小的，且这样小的位移绝大部分发生在施工期的最初几年内，虽然有闸门的溢洪道不能承受任何变形，但这种小变形对不设闸门的溢洪道却不会造成明显的危害，压实堆石形成的地基与陡坡风化岩基一样安全；坝面溢洪道在泄槽单宽流量在25.5～32.5m3/s的洪峰流量的短期作用下是现实可行的，且可以节省大量的投资；大坝下游坡及作为溢洪道基础的堆石体采用与上游坡一样的结构和施工方法，可使下游溢洪道基础的变形与上游面板基本相同；因此在砼面板堆石坝身上建造溢洪道是可靠的。
有关实测资料表明堆石坝体施工期的沉降量很小，蓄水期的沉降量更小，用沉降量与坝高之比表示相对沉降，一般的工程施工期均不超过0.5%，而运行期仅接近或小于0.1%；国内外的工程实例表明，具备适当条件的大坝在坝身上修建溢洪道是安全可靠的。如在坝身上修建溢洪道最早的国家是澳大利亚，1971年2月完工的塞沙那电站的大坝（坝高110m）左岸修建了右导墙在堆石坝身上的溢洪道，泄量为2000m3/s，运行情况良好；1992年1月建成的克罗蒂坝（坝高83m，坝顶长240m）坝身溢洪道宽12.2m，最大泄量245m3/s（单宽流量20m3/s.m），自建成以来已泄洪多次，其中两次泄洪持续时间达1个月之久，堰上水头0.7m，经过观测溢洪道部位的大坝变形和迎水面处的大坝变形相近，溢洪道运行正常；还有印度尼西亚的巴吐皮西坝（坝高32m），其坝顶布置一个溢洪道，用于泄放千年以上的洪水，泄量为800m3/s，该工程1978年竣工，到1986年为止没有泄过水，堆石坝变形很小，溢洪道底板上没有发现任何明显裂缝；
新疆榆树沟水库在国内首次采用了布置在堆石坝体上的溢洪道，坝身溢洪道采用开敞式溢流堰体，堰上不设闸门，最大洪水时下泄单宽流量约21m3/s-m；整个溢洪道在纵向上采用等宽布置，长243m，宽为22m；榆树沟大坝坝高67.5m，坝顶长300m，坝坡为1:1.4，于2000年10月建成，同期开始蓄水；2001年6月库水位基本达到正常高水位，经观测和检查溢洪道堰顶沉降量为7mm，没有出现裂缝，2002年8月溢洪道首次泄洪，经检查溢洪道正常。
4、桐柏溢洪道方案的优化
右岸导流泄放洞于2001年4月9日开始出口段明挖，从导流泄放洞开挖中揭露的地质情况看，砾岩遇水和空气泥化现象较严重，而且导流洞在山体里，而溢洪道还在表面。同时，溢洪道模型试验表明右岸溢洪道采用挑流消能时，当下泄流量为220.7m3/s时，挑流鼻坎底脚部位掏深超过20m，如下泄431.2m3/s的校核流量时，冲刷更严重，根据右岸溢洪道和坝身溢洪道地质条件比较，坝身溢洪道比右岸溢洪道更安全可靠；参考新疆已建成一座坝身溢洪道的砼面板堆石坝工程，条件基本相似，本工程的泄洪方式为右岸导流泄放洞和坝身溢洪道联合泄洪，导流泄放洞在正常蓄水位EL141.17m最大泄量为172.9 m3/s，即二十年一遇以下的洪水由导流泄放洞泄放，超过二十年一遇以上的洪水才使用坝身溢洪道，坝身溢洪道使用频率低；即使是千年一遇洪峰流量496m3/s时，单宽流量仅为18m3/s.m，比库克建议的数值要小；下库坝于2001年10月开始预填筑，计划于2004年4月填筑到顶，2005年4月蓄水，坝体有充足的沉降时间。因此，桐柏工程采用坝身溢洪道具备得天独厚的有利条件，技术上可行，经济上和右岸溢洪道方案相比节约投资几百万元，为节省工程投资，特别是避开右岸不利的工程地质条件，降低地质风险，目前将坝身溢洪道方案取代右岸溢洪道方案是可行的。
以两院院士潘家铮为团长的世界银行特别咨询专家团（下称特咨团）在桐柏工地进行了咨询活动，在2001年12月中旬的第二次咨询活动中，得知设计单位华东勘测设计研究院在桐柏工程对坝身溢洪道做了较深的研究，针对右岸溢洪道的地质情况及当今混凝土面板堆石坝的施工技术水平，特咨团也倾向于采用坝身溢洪道方案；中国水电顾问有限公司于2002年3月下旬在浙江省天台县主持召开了浙江桐柏抽水蓄能电站下水库溢洪道设计变更审查会议，基本同意设计推荐的坝身溢洪道方案。目前坝身溢洪道按进度正常施工。
参考文献：
[1] 蒋国澄等，混凝土面板堆石坝工程，湖北科学技术出版社，1997.12
[2] 凤炜，榆树沟溢流混凝土面板堆石坝设计与施工，土石坝工程，2001.3
作者简介：:赵贤学(1962-)，男，安徽泗县人，浙江桐柏抽水蓄能发电有限责任公司高级工程师
寻 明(1935-)，男，湖南长沙人，浙江桐柏抽水蓄能发电有限责任公司土建首席专家顾问，教授级高工
作者单位：浙江桐柏抽水蓄能发电有限责任公司