有綜合利用要求的抽水蓄能電站下水庫防洪設計

席偉彥，周開濤，趙海鏡，戴 莉

(1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761)

抽水蓄能電站下水庫的防洪設計，需考慮上水庫水體在發(fā)電下泄時產(chǎn)生的洪水。對于有綜合利用要求的抽水蓄能電站下水庫，需要根據(jù)電站建設后的運行要求及洪水調(diào)節(jié)計算成果，在確保下游地區(qū)防洪安全和大壩安全以及抽水蓄能電站正常運行的前提下，研究制定電站建成后下水庫的調(diào)度運行方式并確定擋水建筑物高程。

目前，在抽水蓄能電站的具體運行調(diào)度[1-4]、以增大綜合效益中的一項或幾項為目標的調(diào)度運行方式[5-8]、尋求水庫補水與排沙協(xié)調(diào)關系的抽水蓄能電站水沙優(yōu)化調(diào)度[9]等方面已有一定的研究進展，而對有綜合利用要求的已建抽水蓄能電站下水庫防洪設計方法進行系統(tǒng)探討的成果尚不多見。本文以某典型抽水蓄能電站為例，對有綜合利用要求的抽水蓄能電站下水庫防洪設計方法進行探討。

1 工程概況

山東省某抽水蓄能電站裝機容量1 200 MW(4×300 MW)，滿發(fā)利用小時5 h，電站建成后在系統(tǒng)中承擔調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務。上水庫正常蓄水位628.00 m，死水位598.00 m；下水庫正常蓄水位289.00 m，死水位266.00 m。為保證抽水蓄能電站正常發(fā)電，在下水庫內(nèi)設置抽水蓄能電站保證發(fā)電庫容，相應保證發(fā)電水位為273.50 m。下水庫利用的已建水庫是一座以防洪、灌溉為主，兼有養(yǎng)殖、發(fā)電等綜合利用的中型水庫，控制流域面積154 km2，現(xiàn)狀正常蓄水位289.00 m，死水位266.00 m，汛期限制水位284.50 m，防洪高水位為290.46 m，屬多年調(diào)節(jié)水庫。

2 設計洪水

2.1 下水庫設計洪水

抽水蓄能電站所在河流上無水文站。根據(jù)《山東省小型水庫洪水核算辦法(試行)》和《山東省大、中型水庫防洪復核洪水計算辦法》的規(guī)定，采用瞬時單位線法、推理公式法計算電站下水庫設計洪水，采用推理公式法計算電站上水庫的設計洪水，計算得到的設計洪水成果和已建水庫除險加固階段設計洪水成果相差不大。經(jīng)過與鄰近流域及山東省其他水電站設計洪水成果進行比較及合理性分析，本階段采用已建水庫除險加固階段設計洪水成果(見表1)。

表1 下水庫設計洪水成果

2.2 上水庫設計洪水

電站上水庫流域面積較小，建庫后上水庫集雨面積為0.34 km2。依據(jù)本地區(qū)設計點雨量，采用推理公式法計算天然設計洪峰流量、降雨徑流關系法推算天然設計洪量，成果見表2。

表2 上水庫設計洪水成果

3 洪水調(diào)節(jié)計算分析

3.1 洪水設計標準

(1)工程等別。工程裝機容量為1 200 MW，根據(jù)GB50201—2014《防洪標準》和DL5180—2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》，初步確定本工程為一等工程、大(1)型規(guī)模。

(2)建筑物等別。工程永久性主要建筑物(包括上水庫擋水建筑物、下水庫擋水及泄水建筑物、輸水系統(tǒng)主要建筑物、地下廠房等)為1級建筑物，永久性次要建筑物(進廠交通洞、通風兼安全洞等)為3級建筑物，臨時性建筑物為4級建筑物。永久性主要建筑物邊坡為A類樞紐工程區(qū)邊坡，邊坡級別為Ⅰ級；永久性次要建筑物邊坡為A類樞紐工程區(qū)邊坡，邊坡級別為Ⅱ級。

(3)洪水設計標準。電站裝機容量1 200 MW，永久性壅水、泄水建筑物級別為1級，而上、下水庫庫容較小，工程失事后對下游危害不大，根據(jù)GB 50201—2014《防洪標準》及DL 5180—2003《水電樞紐工程等級劃分及設計安全標準》的規(guī)定，壅水、泄水建筑物的洪水設計標準可根據(jù)電站廠房的級別確定。因此確定上水庫和下水庫壅水建筑物、下水庫泄水建筑物、輸水系統(tǒng)和廠房系統(tǒng)涉及防洪的主要建筑物的設計洪水標準為200年一遇，校核洪水標準為1 000年一遇。下游消能防沖建筑物按100年一遇洪水設計。

3.2 調(diào)洪原則

(1)下水庫調(diào)洪計算采用壩址天然洪水，采用靜態(tài)庫容，不考慮預報預泄。

(2)考慮下水庫在水位283.50 m以下沒有泄洪設施，來水量只能蓄在下水庫；在水位283.50 m以上時才可以通過溢洪道下泄水量，起調(diào)水位宜高于283.50 m。2011年，考慮下游的防洪及其他要求，有關文件明確該已建水庫從2012年起調(diào)整汛期限制水位為284.50 m。目前，該水庫在汛期均按照這一水位運行。近年來，水庫下游發(fā)生了較大變化，該水位的設置主要是考慮下游防洪要求，且對抽水蓄能電站的專用庫容沒有影響。抽水蓄能電站建成后不改變水庫原汛期限制水位，洪水調(diào)節(jié)的最低起調(diào)水位采用284.50 m。當發(fā)電運行水量800萬m3全部在下水庫。即，上水庫水位為死水位598.00 m時，由下水庫水位～庫容曲線可得下水庫水位為287.50 m。因此下水庫洪水調(diào)節(jié)的起調(diào)水位為284.50～287.50 m的任何可能水位。

(3)根據(jù)已建水庫除險加固工程初步設計報告，為保障水庫下游村民2 400余人的生命財產(chǎn)安全，當遭遇20年一遇以下洪水時，水庫泄量不超過500 m3/s。據(jù)此確定該已建水庫的防洪高水位為290.46 m，當水庫水位超過防洪水位290.46 m時水庫敞泄。

(4)考慮系統(tǒng)調(diào)峰運行的要求，該抽水蓄能電站下水庫洪水調(diào)節(jié)時考慮機組發(fā)電流量在不同時段與洪水疊加的工況；隨著天然洪水進入下水庫，應及時開閘泄洪，泄放入庫洪水，嚴格控制下水庫水位，保證抽水蓄能電站正常發(fā)電，也可避免發(fā)電水量超泄及人造洪峰現(xiàn)象。

(5)為避免對下游造成人造洪水，洪水調(diào)節(jié)過程中，在洪峰到來之前，下泄流量不大于入庫洪水流量；洪峰之后，下泄流量不大于洪峰流量。

3.3 下水庫洪水調(diào)節(jié)計算成果

該抽水蓄能電站下水庫洪水位通過電站發(fā)電與洪水過程疊加分析確定，即考慮天然洪水與發(fā)電流量遭遇的情況，其中發(fā)電流量考慮5 h發(fā)電過程。

經(jīng)洪水調(diào)節(jié)計算，20年一遇、設計和校核標準下選取不同洪水與發(fā)電過程組合后發(fā)生的最高庫水位分別為290.00、291.30 m和292.20 m(見表3)。

表3 下水庫洪水調(diào)節(jié)成果

3.4 對庫區(qū)淹沒范圍的影響分析

調(diào)洪計算結果顯示，原已建水庫100年一遇設計洪水位為290.62 m，抽水蓄能電站建成后下水庫設計標準提高到200年一遇，設計洪水位為291.30 m；原已建水庫1 000年一遇校核水位為292.10 m，本次計算由于發(fā)電下泄流量疊加，水位為292.20 m。發(fā)生20年一遇洪水時，按現(xiàn)狀的調(diào)度方式計算的20年一遇洪水位為290.00 m，低于除險加固報告中的20年一遇洪水位290.46 m。

下水庫庫區(qū)電纜采用30年一遇洪水標準，水庫移民采用20年一遇洪水標準，耕地采用5年一遇洪水標準。根據(jù)調(diào)洪計算得到的壩前水位，對頻率為3.33%、5%、20%的洪水進行回水計算，結果表明，抽水蓄能電站按以上調(diào)洪原則進行洪水調(diào)節(jié)，未增大原已建水庫庫區(qū)淹沒范圍。

3.5 擋水建筑物高程確定

已建水庫原設計水位為289.00 m，設計洪水位為290.62 m，校核洪水位為292.10 m。作為抽水蓄能電站下水庫后，根據(jù)下水庫調(diào)洪演算結果，下水庫正常蓄水位為289.00 m，設計洪水位為291.30 m，校核洪水位為292.20 m。由于設計洪水位與校核洪水位相比原嵩山水庫均略有提高，且建筑物級別提高，需對大壩壩頂高程進行復核計算。經(jīng)計算確定下水庫大壩高程在原有292.50 m高程的基礎上加高1.00 m，為293.50 m。

4 水庫防洪調(diào)度運行方式

4.1 已建水庫原防洪調(diào)度運行方式

已建水庫汛期限制水位最高不應超過284.50 m。當水庫水位低于或等于20年一遇洪水位(290.46 m)時，控制泄量不大于500 m3/s；當水庫水位高于20年一遇原洪水位(290.46 m)時，敞開閘門泄洪。在泄洪過程中，應確保不對下游造成人造洪水。即，下泄流量不大于洪峰流量。

4.2 抽水蓄能電站建成后的水庫調(diào)度運行方式

根據(jù)嵩山水庫原防洪調(diào)度方式，結合抽水蓄能電站建設后的運行要求及洪水調(diào)節(jié)計算成果，在確保地區(qū)防洪安全、大壩安全、抽水蓄能電站正常運行，盡可能不增大庫區(qū)淹沒范圍的前提下，制定以下防洪調(diào)度運行方式。

4.2.1汛期

(1)上水庫水位為死水位598.00 m時，即抽水蓄能電站的發(fā)電水量全部在下水庫時，下水庫的最高蓄水位不能超過287.50 m。

(2)當上水庫水位為正常蓄水位628.00 m時，即抽水蓄能電站發(fā)電水量全在上水庫時，下水庫水位不能超過284.50 m，下水庫水位超過284.50 m時需局部開啟溢洪道閘門泄放多余的水量，且泄放流量不能大于下游河道的安全行洪標準。

(3)當下水庫水位低于或等于20年一遇防洪高水位(290.46 m)時，控制泄量不大于500 m3/s；當水庫水位高于20年一遇防洪高水位(290.46 m)時，敞開閘門泄洪；以確保不對下游造成人造洪水，即下泄流量不大于洪峰流量。

(4)當下水庫水位超過設計洪水位291.30 m時，電站應立即停止發(fā)電。

4.2.2非汛期

當上水庫水位為正常蓄水位628.00 m時，下水庫正常蓄水最低蓄水位不能低于266.00 m；當上水庫水位為死水位598.00 m時，下水庫正常蓄水最低蓄水位不能低于273.50 m，以保證蓄水量能滿足抽水蓄能電站5 h的發(fā)電水量。

當上水庫水位為正常蓄水位628.00 m時，下水庫正常蓄水最高蓄水位不能高于286.20 m；當上水庫水位為死水位598.00 m時，下水庫正常蓄水最高蓄水位不能高于289.00 m，以保證下水庫的工程安全和抽水蓄能電站的發(fā)電庫容要求。

5 結 語

本文以某典型抽水蓄能電站為例，對有綜合利用要求的抽水蓄能電站下水庫防洪設計方法進行了探討，總結出如下幾點體會，供同類工程參考。

(1)考慮上水庫發(fā)電下泄洪水，制定合理的防洪調(diào)度運行方式。原則是既要保證下水庫本身的防洪安全，又要兼顧下水庫興利利用；還要保證大壩下游防護對象在發(fā)生防洪標準以下洪水時的安全。

(2)對于下水庫為已建水庫的情況，為不增大水庫移民投資，在制定調(diào)度原則進行洪水調(diào)節(jié)計算時，還要考慮后續(xù)的回水計算結果，盡可能不增大庫區(qū)淹沒范圍。

(3)根據(jù)調(diào)洪計算結果確定擋水建筑物高程，以確定是否需要對已建下水庫大壩進行加高改建。