印尼西索肯抽水蓄能電站下水庫生態(tài)底孔的優(yōu)化與設計

卞 全，吳 麗

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)04—0038—05

印尼西索肯抽水蓄能電站下水庫生態(tài)底孔的優(yōu)化與設計

卞 全，吳 麗

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

印尼西索肯抽水蓄能電站的下水庫由碾壓混凝土重力壩、溢流表孔和底孔組成；底孔的功能是在水庫蓄水和正常運行時，為下游提供生態(tài)供水、灌溉流量和降低庫水位。原底孔設計方案存在下閘封堵不落實等問題，故對其進行了替代方案的比較和論證；推薦采用加大進口豎井斷面、增設閘門槽的設計方案。另外，為充分利用生態(tài)流量多發(fā)電，最終將底孔與小電站結合起來，經濟效益明顯。

印尼西索肯;抽水蓄能電站;下水庫;生態(tài)底孔;閘門槽;優(yōu)化;設計

1 工程概況

西索肯抽水蓄能電站是印度尼西亞的第一個抽水蓄能項目，位于雅加達市東南150 km的西索肯河流域上游，壩址距萬隆市區(qū)約30 km。

工程項目由上、下水庫2座RCC(碾壓混凝土)重力壩及引水發(fā)電系統(tǒng)組成。上庫壩的最大壩高75.5 m，壩頂長度為375 m；下庫壩的最大壩高98 m，壩頂長度為294 m。引水發(fā)電系統(tǒng)包含2個進水口，2條長1.2 km的引水隧洞，2座調壓井，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臺單機容量為260 MW的機組，總裝機容量1 040 MW。

2 可研設計的建筑物布置及設計

2.1 基本資料

印度尼西亞地處熱帶，全年氣候溫暖濕潤。壩址處平均氣溫23～25 ℃，濕度86%～88%，通常每年6—10月為旱季，雨季為11月—翌年5月。旱季月平均降雨10～100 mm；雨季月平均降雨50～350 mm。

上、下水庫[1]庫容各約1 000萬m3，水泵的最大流量為89.1 m3/s，水輪機的最大流量為108 m3/s。抽水蓄能電站的運行方式：每天從下水庫抽水至上水庫，抽水約7.8 h，發(fā)電運行約6.5 h。

下水庫壩址以上流域面積為374 km2, 天然徑流量為4.5～25.3 m3/s。壩址處水面以下的河床寬約35 m，兩岸岸坡坡度小于40°。壩址巖性為凝灰角礫巖，少量的安山巖、頁巖和砂巖互層。根據水文成果，設計洪水采用1萬年重現期，流量為1 100 m3/s；校核洪水采用最高洪水位，流量為1 350 m3/s。

原設計方案的壩頂高程503.00 m，防浪墻頂高程503.50 m，最高洪水位499.50 m，正常高水位499.50 m，最低運行水位495.00 m，50年泥沙淤積高程為484.00 m。壩頂寬8 m，RCC壩的下游壩坡坡度為1∶0.74。

2.2 總體布置與原底孔設計

(1) 下水庫的總體布置

下水庫采用RCC重力壩，泄水建筑物由溢流表孔和底孔構成。其中，溢流表孔位于壩段中央，由溢流堰、陡槽和挑流鼻坎組成。2孔閘控溢流表孔，每孔10 m寬，中墩為縫墩，總寬4 m，弧門高13.5 m。底孔緊鄰溢流表孔的右側布置，位于8號壩段。

(2) 底孔的設計目的和規(guī)模

底孔的功能：在初期蓄水期間和運行期間，為下游居民提供生態(tài)和灌溉流量的環(huán)保要求。另外，在緊急狀況下，配合表孔泄洪，先將庫水位降低至堰頂490.00 m；然后，底孔單獨運行，將庫水位從490.00 m降至泥沙淤積高程484.00 m。

經調查，水庫下游灌溉取水口的引用流量為7 m3/s，底孔按照下泄生態(tài)流量設計，泄流能力大于7 m3/s。

(3) 原底孔方案(方案1)的布置

在水庫蓄水期間，為下泄7 m3/s生態(tài)流量，底孔進口只能在較低高程；而在正常運行期間，底孔進口須在泥沙淤積高程以上、最低運行水位以下，以免泥沙堵住進口而無法泄流[2]。原底孔的縱剖面見圖1。

底孔為壩體內的埋管型式，設置上部進水口和下部進水口；下部臨時進口的中心高程為423.50 m，上部永久進口的底高程為484.00 m。下部進水口的前端設1道固定攔污柵、封堵門槽及門槽頂部封板，孔口尺寸為4 m(寬)×3.2 m(高)。而上部進水口的前端設有1道固定攔污柵，后接豎井，2個豎井的內尺寸均為1.8 m(寬)×2 m(高)，混凝土壁厚0.5 m。

圖1 下水庫原底孔的縱剖面圖 單位：m

臨時與永久共用的壩內埋管內徑為1.8 m，長約55 m。在壩內埋管后部設置了分岔，岔管后為2個支管，每個支管均設1套檢修蝶閥(?1 800 mm)和1套固定錐閥(?700 mm)。每個支管能單獨承擔下泄生態(tài)流量的要求，另一個支管作為備用。錐閥的閥門室位于壩外平臺上，右岸有對外路直通壩址，方便閥門操作和檢修底孔閥門。

(4) 原底孔的運行及閘門封堵方式

在蓄水前，下部的進口攔污柵及封堵門槽的頂部封板安裝就位[2]。在水庫蓄水期間，開啟底孔的下游固定錐閥，以下泄生態(tài)流量。當庫水位蓄水至484.00 m高程時，底孔的下部進水口應永久封堵，由上部進水口過流以下泄生態(tài)流量。

底孔的下部進口前端設有攔污柵，用于阻擋水庫蓄水期間的樹根、樹枝等雜物進入底孔內；攔污柵后，設置了1道封堵門槽及門槽頂部封板(鋼板)，封板厚8 mm。當水庫蓄水至484.00 m時，由潛水員潛入至下部進口426.30 m附近，撬掉門槽頂封板的螺栓，打開并移走門槽頂部的封板；然后從壩頂由起重機將封堵閘門吊入水下的門槽中，因門槽及導軌僅3.5 m高，須由潛水員協(xié)助完成閘門就位、完成封堵作業(yè)。

3 原方案存在的問題

在下水庫下閘蓄水時，底孔的作用水頭約60 m；此時，潛水員須下潛到60 m深的動水中完成底孔閘門的封堵作業(yè)；而且要求下閘封堵必須一次成功，不能出現門槽頂鋼板打不開、閘門卡在門槽中、嚴重漏水等問題，否則將造成無法順利蓄水的嚴重后果[2]。

(1) 潛水員的操作問題

根據目前掌握的資料[3]，潛水員的下潛工作深度一般不超過50 m；當潛入深度超過50 m時，需要非常優(yōu)秀的潛水員和完善的安全保證設備，同時潛水員從入水到出水的時間不超過1 h。而對于超過60 m潛入深度的工作，潛水員還需呼吸氦氧才能潛水、作業(yè)，氦氧是按呼吸次數來計費的，費用非常昂貴。

(2) 動水中無導向的落門問題

底孔下部進水口的封堵門是通過在壩面上的移動式起重機吊放的，而原方案的封堵門并無導向軌道。下水庫的底孔緊靠溢流表孔右側，蓄水過程中水庫的表層是流動的，落門時封堵門體會發(fā)生位移和擺動；而在門體下放過程中，閘門一直在動水中，壩頂人員無法觀察到門體，下閘過程全靠潛水員的輔助。因此，落門過程無法完全控制,過程存在較大的不確定性。

總之，深達60 m的水下作業(yè)條件，不但潛水員的水下作業(yè)費用過高，而且能否順利完成動水中無導向地下閘門入槽，存在很大的不確定性和風險。

4 替代方案的比較研究

在工程咨詢過程中，由于地震加速度參數調整，下壩的壩體斷面發(fā)生了較大修改，下壩生態(tài)底孔的方案比較也須按修改的壩體斷面進行研究和比選[2]。底孔方案比選的前提和基本原則為：① 下壩底孔的替代方案應滿足原設計的功能和規(guī)模。② 應盡可能少地增加工程量和投資。

4.1 加大豎井采用閘門槽下閘(方案2)

(1) 布置思路

與原設計方案(方案1)相比，方案2的進口結構及布置基本不變，僅加大永久進口豎井的斷面尺寸，將閘門槽和導軌設于豎井內，以便閘門有導向地落閘；取消潛水員深水下潛，無需人工水下輔助安裝閘門。此方案雖進口豎井體型相對復雜，但技術上是可解決的，屬常規(guī)施工和封堵方法。

(2) 方案布置

封堵閘門槽位于底孔豎井的前部，自豎井頂488.00 m到臨時進口422.50 m。閘門槽孔口跨度5.3 m，順水流長1.4 m。在閘門槽的前端，設置有臨時攔污柵。加大豎井采用閘門槽下閘方案見圖2。

圖2 加大豎井采用閘門槽下閘方案的底孔縱剖面圖 單位：m

(3) 臨時底孔的后期封堵

當水庫蓄水到488.00 m、溢流表孔能夠泄洪時，將封堵閘門從壩頂沿豎井內的閘門槽下閘至底部422.50 m，完成臨時進口的封堵。

4.2 永久與施工期供水分置的壩內斜埋管(方案3)

永久供水采用壩內埋管方式(內徑1.8 m)，施工期供水也采用壩內埋管(內徑0.8 m)，布置于另一個壩段內，在壩體上游側設置臨時閥門室。臨時放水功能結束后，關閉臨時閥門并將壩體上游的短廊道連同閥門室采用混凝土回填封堵。

這種布置方式的優(yōu)點是：施工簡單方便，不影響壩體混凝土分區(qū)設計，對RCC壩體混凝土施工影響?。坏卓追舛路绞胶唵慰尚?、技術風險較小。而缺點是：2個埋管的出口流速接近10 m/s，需考慮下游消能及防護；另外，利用閥門直接關閉和封堵高水頭水流，對閥門要求較高，閥門價格較貴。

4.3 永久與施工期供水結合的壩內埋管(方案4)

為解決臨時供水管的下游消能問題，以便有效地封堵閘門和節(jié)省鋼管，采取壩內永久和臨時埋管結合的布置方案。永久埋管為傾斜式，內徑1.8 m，位于壩體下游側，對RCC壩的施工干擾小。

施工期供水：在壩體上游段增加短廊道，內設蝶閥，高水頭水流經過出口錐閥的消能后再進入下游。

施工期埋管(內徑0.8 m)與永久埋管(內徑1.8 m)采用岔管連接。

4.4 方案比較及結論

原方案1的布置，因底孔存在下閘封堵的技術問題、實施風險大，故不能采用。

方案3布置的方式較為常規(guī)，雖減少了土建工程量，但增加了壩內鋼管量。雖技術可行，但經常運行的底孔出流對大壩下游有較大的沖擊；同時利用閥門直接關閉和封堵高水頭水流，有一定風險，且對閥門要求較高、閥門價格較貴。

方案4的鋼管斜埋于壩體碾壓區(qū)后部，對RCC的快速施工有一定影響。同時因岔管前的臨時供水管道無法封堵，后期可能存在滲流問題；而且蝶閥價格較貴。

方案2從技術上根本解決了水庫蓄水期底孔的下閘封堵問題；雖增大了進水豎井的結構,增加了投資,但不存在技術問題,施工簡單,運行可靠,技術風險小,且對原設計改動小,利于盡快招標，加快建設速度。而且，適應小電站的進口布置和甩負荷運行。

總體而言，方案2的下閘方式是常規(guī)方法，在施工技術和工藝上有保證；故最終推薦加大豎井,采用閘門槽下閘的布置方案。

5 底孔最終方案的布置

下水庫所處河道的多年平均流量為14.7 m3/s；而在抽水蓄能電站的運行中，水流在上、下水庫之間是循環(huán)流動的，不需要調用徑流；因此，下水庫要經常宣泄多余的天然徑流?？紤]到下水庫所在的河道流量穩(wěn)定，應充分利用下水庫多余的流量，并滿足下游灌溉需求。因直接利用水頭和流量布置小電站，經濟效益良好。

5.1 底孔結合小電站的最終布置

下壩底孔管路位于9號壩段，在溢流表孔壩段的右側；采用壩內埋管方式，小電站的設計引用流量為18 m3/s，底孔的主管管徑為2 300 mm。而底孔的岔管位于壩體下游，與主管和小電站的管路夾角為60°。底孔結合小電站的布置見圖3。

底孔的臨時進口和出口中心高程為423.75 m。壩體內設置4.5 m(寬)×3.2 m(高)的進口攔污柵，后設4.5 m×3.2 m的封堵閘門及門槽。

圖3 底孔結合小電站設計的平面及縱剖面圖 單位：m

底孔的永久進口為豎井結構，進口中心高程為487.00 m，布置有小電站的進口攔污柵、封堵閘門槽、檢修閘門和進水豎井；因封堵閘門運用早于檢修閘門，故小電站的檢修閘門與封堵閘門槽共用。

在壩體下游，底孔的主管分設2個岔管，支管的管徑為1.8 m，間距為3.2 m。每個支管依次安裝有?1 800 mm的檢修蝶閥和?700 mm的工作筒閥。經過控制閥門的消能后，進入下游河道。

岔管下游，布置了小電站的壓力鋼管及廠房。小電站的水輪機安裝高程為420.80 m，發(fā)電機高程為428.80 m，廠房尺寸為22.5 m(長)×17 m(寬)×23 m(高)，施工工期為26個月，與抽水蓄能電站一起投產。小電站的設計水頭71 m，滿發(fā)引用流量18 m3/s，裝機容量5.43×2 MW，單機最小引用流量為5.4 m3/s，多年平均發(fā)電量0.453億kWh，預計每年發(fā)電收益達296萬美金。

5.2 運行方式

當天然徑流小于5.4 m3/s時，小電站不運行，由底孔的筒閥控制泄流，下泄生態(tài)流量7 m3/s；當天然徑流為5.4～18 m3/s時，底孔關閉，小電站運行，由機組向下游泄放生態(tài)流量。當天然徑流大于18 m3/s時，底孔關閉，小電站滿負荷運行，多余流量由表孔泄放。

6 結 語

印尼西索肯抽水蓄能電站下水庫采用RCC重力壩，底孔的功能是在水庫蓄水期間和投入商業(yè)運行后，為下游提供生態(tài)、灌溉流量和降低庫水位。經過比較和論證, 設計采用加大進口豎井斷面、增設閘門槽的方案。為充分利用生態(tài)流量多發(fā)電，將底孔與小電站結合起來，經濟效益明顯。

[1] 卞全,吳麗.印尼西索肯抽水蓄能電站上水庫溢洪道的優(yōu)化與設計[J].西北水電,2015,(3):27-32.

[2] 卞全,董翌為,安盛勛.印尼西索肯抽水蓄能電站生態(tài)底孔更新報告[R].西安:西北勘測設計研究院,2013,12.

[3] 龔錦涵.重視飽和潛水技術的發(fā)展為海洋開發(fā)事業(yè)服務[J].中華航海醫(yī)學與高氣壓醫(yī)學雜志,2003,(10):3-5.

Optimization and Design of Ecological Bottom Outlet of Lower Reservoir,Cisokon Pumped Storage Power Plant

BIAN Quan, WU Li

(Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

The lower reservoir of Cisokon Pumped Storage Power Plant consists of RCC gravity dam, overflow surface outlet and bottom outlet. The bottom outlet is to release water downstream for ecology, irrigation and reservoir water reduction when the reservoir impounds and operates normally. In the original design of the bottom outlet, the potential risks of gate plugging not closed tightly may exist. Therefore, the alternative scheme is compared and argued. The design scheme of enlarging the shaft section at inlet and providing gate slot is proposed. Additionally, the bottom outlet and the lower installed capacity station are integrated to fully utilize the ecological flow for more power generation. This optimization results in outstanding economic benefit.Key words: Cisokon; pumped-storage power plant; lower reservoir; ecological bottom outlet; gate slot; optimization; design

2015-02-17

卞全(1972- )，男，河南省桐柏縣人，教授級高工，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計、研究及項目管理工作.

TV652.11

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10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.010