谢大军

(中国电力工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

我国西南的云、贵、川地区大多数电厂贮灰场都是山谷型干式贮灰场，其特点是流域面积大、山洪量大、高差大，其中贵州发耳电厂大荒地灰场和习水二郎电厂小溪沟灰场就是典型的代表，本文通过大荒地灰场设计实例，分析和总结了山谷干式贮灰场排洪系统设计方法，为今后超大洪量的山谷型干式贮灰场排洪系统设计提供思路和方法，以提高设计技术水平，提高设计效率，缩短设计工期，达到事半功倍的效果。

1 发耳电厂大荒地灰场排洪系统设计

1.1 大荒地灰场概况

发耳电厂位于贵州省六盘水市水城县发耳乡，贮灰场为大荒地灰场，电厂4×600 MW机组按设计煤种计算的年灰渣和石膏量约为215万t。灰渣和石膏均采用汽车运输至灰场碾压贮放。灰渣堆放采用自下而上的堆灰方式，灰场规划最终堆灰高程1 165 m，总库容约为3 800万m3。

1.2 灰场自然条件

大荒地灰场位于发耳乡湾河南岸，距电厂直线距离约1.5 km。地貌为构造剥蚀中低山斜坡构成的山间斜坡谷地，谷地底部为岩脚寨小河。沿岩脚寨小河河谷两侧及斜坡地带为第四系残坡积层，下伏基岩为龙潭组砂、泥岩夹煤线及峨眉山玄武岩。场地区域地质稳定，成库条件较好，适宜建库。

灰场地表水系较发育，主要由三条冲沟汇入沟谷，经沟口排入湾河，灰场流域面积16.142 km2, 山洪成果见表1所列。

表1 大荒地灰场设计山洪成果表

1.3 灰场排洪系统设计方案

大荒地灰场山洪量大、高差大。作为超大洪量的山谷干式贮灰场，设计考虑的是要保证干灰场的基本运行条件，正常情况下，灰场内基本是无水状态，即使有雨，也可通过库内灰渣吸水，以及自然蒸发，保持场内处于相对的干式运行环境。而在洪(雨)季节，库内也不能有大量洪(雨)水进入，应使场内保持处于相对的干式运行环境，否则，大量洪(雨)水进入灰场，将改变灰场运行环境，对灰渣堆放和灰渣子坝的加高造成影响，并有可能造成洪水翻越灰渣坝体，垮坝，产生泥石流的严重事故。因此，设计方案首先应考虑如何拦截和排泄洪水，以改善灰场运行条件，确保灰场安全运行。按照DL/T 5339—2018《火力发电厂水工设计规范》等规范，灰场排洪设计方案设想：因灰场库尾汇水面积大，且库尾来洪量占全灰场的86%以上，为拦截洪水，拟在灰场尾部修建拦洪坝，使灰场尾部来水不进入灰场内，而通过排洪卧管－消力池直接出灰场外。同时，在灰场最终堆灰标高以上，设置场外截洪沟；另外，鉴于灰场本身范围内汇水量也较大，场内再设置另外一套排洪系统，以组成灰场的立体式拦排洪系统，保证灰场的干式运行环境。

1.3.1 灰场排洪系统设计标准

按照DL/T 5339—2018《火力发电厂水工设计规范》[1]的要求，干灰场的设计标准如表2所列。根据灰场规划布置图、灰场库容曲线初步拟定灰场拦洪坝坝高，排洪卧管管径，然后通过调洪演算来验证拟定的排洪系统布置、排水形式、拦洪坝坝高及排洪卧管管径的安全性和经济性，如不合理则调整拟定的形式及尺寸，再进行调洪演算，直至达到满足要求。

表2 山谷灰场灰坝设计标准

按照上述标准，大荒地排洪系统设计标准确定为：按洪水重现期100 a设计，洪水重现期500 a校核。根据规范，场外截洪沟设计标准为：按洪水重现期10 a设计。

1.3.2 拦洪坝坝高与排洪卧管直径优化研究

大荒地灰场库尾拦洪坝后的汇水面积占整个灰场汇水面积的86%以上，因此，场外排洪系统(拦洪坝－排洪卧管－消力池)的设计是关键，为降低工程初期投资，需要对拦洪坝坝高和排洪卧管管径进行优化设计。为了优化坝高与卧管管径，需进行调洪计算，以排洪卧管管径为参照，计算不同排洪卧管直径相应的水库最高洪水位和相应的拦洪坝坝高。

1.3.2.1 调洪计算原理及方法

排洪卧管水流流态呈现三种类型，即明流、半压力流、压力流，流态不同排洪卧管泄洪流量的计算则不同。

1)排洪卧管泄流流量Q计算公式

明流状态：即H/D＜1.2，按宽顶堰算：

式中：H为堰上水头，m；D为卧管管径，m；g为重力加速度；m为流量系数；σs为淹没系数；b为卧管进口宽度，m。

半压力流状态：即当 1.5≥H/D≥1.2，按明满流水流计算：

式中：a为折减系数，取0.73；μ为流量系数，取0.59；W为卧管面积，m2。

压力流状态：即当H/D＞1.5，按压力流计算：

式中：Z为库水位与卧管出口高程差，m；h=D/2，m。

2) 调洪计算水量平衡方程计算：

式中：QF为时段初的洪水流量，m3/s；QFP为时段末的洪水流量，m3/s；Q为卧管时段初的泄洪流量，m3/s；QP为卧管时段末的泄洪流量，m3/s；VR为时段初水库蓄水量，m3；VRP为时段末水库蓄水量，m3；Δt为时间间隔，s。

上述水量平衡方程式中仅时段末的卧管泄流量QP和水库蓄水量VRP为未知量，然而这两个未知量都是时段末水库水位ZRP的函数，采用迭代方法可同时计算出未知量ZRP、QP和VRP。

1.3.2.2 调洪计算成果

根据以上调洪计算公式计算可知，当采用明流方式泄洪时，至少需要2根D=6.0 m的排洪卧管，显然极不经济，应采用有压流泄洪方式；经试算，当采用有压流泄洪方式时，坝高与卧管管径的匹配关系如下：

方案A：拦洪坝坝高H=12 m，匹配排洪卧管(1根)管径D=5.0 m。

方案B：拦洪坝坝高H=20 m，匹配排洪卧管(1根)管径D=4.5 m。

方案C：拦洪坝坝高H=30 m，匹配排洪卧管(1根)管径D=4.0 m。

方案D：拦洪坝坝高H=35 m，匹配排洪卧管(1根)管径D=3.5 m。

1.3.2.3 拦洪坝坝高与排洪卧管直径优化结果

场外排洪系统经调洪演算和技术经济比较后，其优化计算结果见表3所列。

表3 大荒地灰场场外排洪系统设计方案技术经济表

综合以上计算结果，方案B最为有利。优化后，拦洪坝坝顶标高初步确定为1 120 m，最大坝高约20 m，坝长约55 m，拦洪坝采用块石混凝土重力坝；排洪卧管采用现浇钢筋混凝土圆管，管径D=4.5 m。

1.3.3 灰场排洪系统水工模型试验研究

大荒地灰场属于典型的山区河流沟谷，洪峰流量和洪水总量都巨大(当洪水重现期为100 a一 遇 时，Q=244 m3/s，W= 84.7×104m3)。高差大(H=80 m)，洪水的排泄对灰场影响很大，为保证发耳电厂贮灰场排洪设施安全运行，必须了解清楚排洪卧管的水力流态、内压、冲刷、消能情况，优化管径和拦洪坝坝高，以便准确地进行设计，因此，进行贮灰场排洪系统水工模型试验研究是十分必要的。

灰场排洪系统水工模型试验需要解决的具体关键技术问题和内容如下：

1)优化并确认拦洪坝坝高和排洪卧管的关系；

2)研究并提供在不同洪水水位时排洪卧管内的水力流态、内水压、泄流能力、冲刷、空蚀等情况，提出工程处理措施；

3)提出排洪卧管进口段保证泄洪平顺的工程措施；

4)研究并提出场内、场外排洪卧管合并的可行性，并保证排洪卧管的洪水不得经由竖井最低进水窗口溢出至灰场内；

5)优化并确认排洪卧管出口段消能措施，提供消力池几何尺寸及优化方案，检验消力池消能效果；

6)提供高速水流对结构的要求。

试验先后完成了数模计算和物模试验，并针对试验中发现的问题进行了修改－优化－试验，其试验研究最终结果为：排洪系统选择D=4.5 m管径的有压卧管的泄流能力能满足设计要求，是合适的。

1.3.4 灰场排洪系统设计工程措施

根据灰场排洪系统水工模型试验研究成果，为了改善排洪卧管的水力流态，消除卧管内负压、涡漩等不良现象，满足消能要求，施工图设计采取工程措施：1)根据排洪卧管全段水压分布值，场内排洪竖井不宜与该卧管组成统一的排洪系统，否则，洪水可能通过该竖井排水窗口进入灰场内，所以，灰场排洪系统设计分为场外和场内两套系统布置，场外排洪系统采用拦洪坝－有压排洪卧管－消力池系统和场外截洪沟系统拦洪；场内排洪系统采用竖井－无压排洪卧管－连接井和库底排水盲沟系统；2)根据试验修改方案，卧管纵向各转折点的夹角控制在8°以内，以消除管底的负压，改善卧管流态；3)在拦洪坝进水口前顶部增设了消涡结构，以减小进口立轴吸气漩涡对排洪卧管流态的不利影响，消涡结构的尺寸按试验成果确定；4)按试验研究成果，减小了消力池平面尺寸，卧管出口段布置一段抛物线过渡段，避免在出口处形成淹没出流，影响泄洪能力；消力池后水流速度较小，布置海漫过渡。

2 发耳电厂大荒地灰场排洪系统设计成果及应用

大荒地灰场排洪系统于2006年春季开工建设，至2008年春季完成，经历了2个施工雨季考验，施工基本顺利，未发生任何大的事故。2009年雨季，发耳地区持续不间断下雨48 h出现洪水重现期50 a的洪峰，灰场排洪系统发挥了巨大作用，大量洪水经拦洪坝拦截后，通过排洪卧管排至灰场外，场外最高洪水位距拦洪坝顶约10 m左右；洪水期间，灰场内安全运行环境良好，灰场内未发生洪水位超高和长期滞留情况。

本次洪峰后，受到灰场上游水土流失严重的影响，大量具有推移质的砂石在卧管底部表面以滚动、滑动、跳跃或层移方式运动，且颗粒较大，对卧管底部磨损破坏严重，卧管底部宽1.5 m左右范围，混凝土被冲磨破坏厚度约0～200 mm，后采用C45以上高性能抗磨蚀混凝土材料进行了修补完善，对防撞系统进行了改造，增加拦渣低坝和拦渣网 。

现在大荒地灰场已安全运行多年，灰渣子坝已加高至第8级，最大堆灰标高已至1 136.00 m左右，最大高度约96 m。每年雨季，设计都要求电厂及时加强对排洪系统检查和维护，清除淤堵物，发现异常情况，应及时记录，提出检测报告，并及时请相关单位评估，提出处理意见，及时修补破坏的排洪系统。目前，据电厂反馈情况，灰场排洪系统运行良好。

习水二郎电厂小溪沟灰场自然条件类似大荒地灰场，2013年开展施工图设计时，灰场排洪系统设计参考和借鉴发耳电厂大荒地灰场排洪系统设计思路，并结合四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室所做的小溪沟灰场排洪系统水工模型试验研究报告，灰场排洪系统仍然设置场外和场内两套系统，场外排洪系统采用拦洪坝－排洪卧管－消力池系统和场外截洪沟系统拦洪，设计标准为：按洪水重现期100 a设计，500 a校核。拦洪坝采用C20块石混凝土重力坝，排洪卧管采用C40以上高性能抗冲磨现浇钢筋混凝土圆管，管径D=3.0 m；消力池也采用现浇钢筋混凝土结构，消力池按模型试验成果，宽10 m，长35 m，深5.0 m设计。场外截洪沟仍按洪水重现期10 a的标准设计。

场内排洪系统采用排洪(水)竖井－排洪卧管－集水池(兼作消力池)－排水明沟系统设计。设计标准：按洪水重现期100 a设计，500 a校核。

习水二郎电厂小溪沟灰场于2016年投入使用，灰场排洪系统运行正常，稳定、安全，业主满意。

3 超大洪量的山谷干贮灰场排洪系统设计思路和方法

发耳电厂大荒地灰场和习水二郎电厂小溪沟灰场均属于超大洪量的山谷干式贮灰场，自然条件都是沟谷型地形，来洪量大，高差大。通过具体工程设计，总结、分析出超大洪量、高落差的山谷型干式贮灰场排洪系统一般性的设计思路和方法，并提出需要解决的问题和以后设计需要提高的内容。

超大洪量、高落差的山谷型干式贮灰场排洪系统设计思路和方法为：

1)灰场排洪系统宜设置场外和场内两套排洪设施；

2)场外排洪系统宜设置拦洪坝—排洪卧管—消力池和截洪沟；

3)场内排洪系统宜设置排洪(水)竖井—排洪卧管—消力池；

4)山谷贮灰场选择时，超大洪量基本可以不作为否定条件;

5)初步设计时，拦洪坝坝高和卧管管径应通过调洪演算，进行技术经济比较后确定;

6)施工图开展前，宜先进行水工模型试验研究，验证确认拦洪坝坝高和排洪卧管管径；研究卧管内的水力流态、内水压、泄流能力、冲刷、空蚀、消能等情况，为施工图设计提供依据和特殊工程措施；

7)由于排洪卧管直径大，堆灰高度高，而且现阶段无压实灰渣和石膏拱效应理论研究和设计实例，因而设计的卧管壁厚较大，投资较高，建议以后应加大压实灰渣和石膏拱效应理论研究和实践，有效降低排洪卧管的工程投资；

8)对于水土流失严重的山区形河流贮灰场，当采用库尾拦洪坝－排洪卧管的排洪方案时，在拦洪坝前，应设置防撞、防冲、拦渣设施，以减少块石、砂砾对拦洪坝和排洪卧管的冲撞；

9)对于超大洪量、高落差，地形、地质条件复杂的山区形河流贮灰场，施工前应做好相应的施工措施和方案，并有相应的防洪、渡汛、塌方等意外的处理预案，保证施工顺利进行。

4 结语

通过发耳电厂大荒地灰场和习水二郎电厂小溪沟灰场设计实例，结合灰场实际运行情况，分析和总结了超大洪量的山谷干式贮灰场排洪系统设计特点，解决了超大洪量的山谷型干式贮灰场排洪系统设计的技术难题，并提出了超大洪量的山谷型干式贮灰场排洪系统一般性的设计规律和方法，为今后超大洪量的山谷型干式贮灰场排洪系统设计提供思路，以达到提高设计技术水平和设计效率，缩短设计工期，达到事半功倍的效果。