由 麗 華， 譚 煒

(四川省紫坪鋪開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

1 工程概況

紫坪鋪工程位于岷江上游映秀至都江堰河段，水庫(kù)正常蓄水位877 m，死水位817 m，總庫(kù)容11.12億m3，正常水位庫(kù)容9.98億m3，具有不完全年調(diào)節(jié)功能；可為都江堰灌區(qū)1 400萬(wàn)畝農(nóng)田灌溉提供水源保證，同時(shí)向成都市提供城市生活及工業(yè)用水50 m3/s，環(huán)保用水20 m3/s，年增城市生活及工業(yè)用水6.94億m3，環(huán)保用水3.15億m3。工程度汛標(biāo)準(zhǔn)采用千年一遇洪水(洪峰流量Q=8 300 m3/s)設(shè)計(jì)，可能最大洪水(洪峰流量Q=12 700 m3/s)校核。紫坪鋪水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位871.20 m，校核洪水位883.1 m，汛限水位850 m。當(dāng)水庫(kù)水位不超過(guò)861.6 m或入庫(kù)流量不超過(guò)百年一遇洪水時(shí)，水庫(kù)以下游金馬河青城大橋斷面10年一遇過(guò)流量(Q=3710 m3/s)為控制標(biāo)準(zhǔn)，水庫(kù)下泄流量和白沙河來(lái)水量疊加，不得超過(guò)此泄流量，下游防洪標(biāo)準(zhǔn)由10年一遇提升至100年一遇；當(dāng)水庫(kù)水位超過(guò)861.6 m或入庫(kù)流量大于等于百年一遇洪水流量時(shí)，水庫(kù)以現(xiàn)有泄流能力敞泄，以保樞紐工程安全為防洪主要任務(wù)。

擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，壩頂高程884.00 m，壩高156 m。主要泄水建筑物包括1號(hào)、2號(hào)泄洪排沙洞、沖砂放空洞和溢洪道。1號(hào)、2號(hào)泄洪排沙洞洞內(nèi)最大流速45 m/s，單洞最大泄流量1 667 m3/s，兩條隧洞互為備用。沖砂放空洞是工程主要的泄流沖砂設(shè)施，也是主要的水庫(kù)調(diào)度設(shè)施之一。工作閘門(mén)前為內(nèi)徑4.4 m的有壓管道，出口設(shè)弧形工作閘門(mén)，其后為洞長(zhǎng)63.3m的城門(mén)洞型(5.8 m×4.5 m)明流隧洞連接開(kāi)敞式反弧挑坎。工作閘門(mén)孔口底板高程757.70 m，孔口尺寸3.0 m×3.0 m，汛限水位850.00 m時(shí)的洞身流速為20.26 m/s，工作閘門(mén)孔口處流速34.22 m/s。

2 關(guān)鍵技術(shù)及運(yùn)用

2.1 枯水期的水庫(kù)調(diào)度

2.1.1 面臨的問(wèn)題

作為成都市和都江堰灌區(qū)重要的水源地，紫坪鋪工程設(shè)計(jì)之初在壩址下游規(guī)劃了反調(diào)節(jié)水庫(kù)，后因種種原因該水庫(kù)未建，致使工程缺乏向下游供水的專(zhuān)用設(shè)施，樞紐供水功能不完善?？菟?，水庫(kù)通過(guò)機(jī)組過(guò)流向下游供水。用電低谷時(shí)段，機(jī)組下泄流量不能滿(mǎn)足下游用水需求時(shí)，不得不利用高流速泄洪洞向下游補(bǔ)水，致使泄洪隧洞被迫承擔(dān)常規(guī)供水功能。為保證下游河道安全，節(jié)約庫(kù)水資源，泄洪洞在不同水位下頻繁局開(kāi)供水；另一方面，因紫坪鋪電站為500 kV線路單回輸出，GIS開(kāi)關(guān)站設(shè)備在“5·12”汶川地震后至今尚未檢修，上述設(shè)施和設(shè)備在故障、事故或檢修期間，電站將長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，只能通過(guò)泄洪設(shè)施向下游供水、配水。高流速泄洪排沙洞長(zhǎng)時(shí)間局開(kāi)使用，運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較大，而新建專(zhuān)用供水隧洞，滿(mǎn)足枯水期供水、配水要求也不經(jīng)濟(jì)。若沖砂放空洞具有向下游靈活、精準(zhǔn)的供水功能，將豐富紫坪鋪水庫(kù)在枯水期的調(diào)度手段，節(jié)約庫(kù)水資源，保障供水安全，節(jié)省新建供水隧洞的工程費(fèi)用。

沖砂放空洞工作閘門(mén)設(shè)計(jì)為全開(kāi)全關(guān)的運(yùn)行模式，不能調(diào)節(jié)下泄流量。閘門(mén)在設(shè)計(jì)竣工體型下局部開(kāi)啟，高速水流將對(duì)出口明渠段襯砌產(chǎn)生空蝕破壞(圖1)，對(duì)工程運(yùn)行安全造成影響。優(yōu)化沖砂放空洞洞室結(jié)構(gòu)，在閘門(mén)局開(kāi)工況下，避免空蝕破壞，實(shí)現(xiàn)對(duì)下泄流量靈活和精準(zhǔn)地控制，擴(kuò)展其供水功能具有重大意義。

圖1 2006年12月沖砂放空洞工作閘門(mén)局開(kāi)原型試驗(yàn)中邊墻襯砌空蝕破壞

2.1.2 主要技術(shù)措施與運(yùn)用

沖砂放空洞工作閘門(mén)局部開(kāi)啟運(yùn)行時(shí)，高速水流易對(duì)襯砌產(chǎn)生空蝕破壞的洞段為沖0+541.86 m～沖0+547.61 m，經(jīng)多次試驗(yàn)研究，采取以下方式對(duì)該洞段體型進(jìn)行優(yōu)化：設(shè)置梯形突擴(kuò)收縮式摻氣坎，摻氣坎以上原洞身結(jié)構(gòu)體型不變，摻氣坎后洞身寬度突擴(kuò)至5.8 m。2009年對(duì)該洞段體型進(jìn)行了改造，并開(kāi)展了工作閘門(mén)多開(kāi)度下的泄流試驗(yàn)。原型試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，工作閘門(mén)以0.3及0.5開(kāi)度運(yùn)行時(shí)，摻氣設(shè)施下游底板過(guò)流面壓力分布正常，摻氣側(cè)坎后通氣順暢，水流摻氣效果良好，未發(fā)現(xiàn)空化水流，閘門(mén)小開(kāi)度泄流運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)量級(jí)處于安全范圍，閘室運(yùn)行狀態(tài)良好，成功實(shí)現(xiàn)了工作閘門(mén)多開(kāi)度下安全、長(zhǎng)時(shí)間、變流量的泄水運(yùn)行目的。

這一優(yōu)化解決了隧洞在局開(kāi)工況下高速水流對(duì)襯砌的空蝕破壞問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了閘門(mén)局開(kāi)運(yùn)行的功能，泄流量得到靈活、精準(zhǔn)的控制。2010年至2015年紫坪鋪電站送出線路500 kV紫景線線路檢修期間(枯水期)，通過(guò)閘門(mén)局開(kāi)向下游供水，確保供水安全的同時(shí)，減少了棄水，增加了發(fā)電效益。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年線路檢修期間平均節(jié)約水量1.5億m3，可增加發(fā)電量約4 000萬(wàn)kWh，已累計(jì)帶來(lái)約3 200萬(wàn)元的發(fā)電收入。

2.2 汛期的水庫(kù)調(diào)控

2.2.1 面臨的問(wèn)題

按照設(shè)計(jì)要求，紫坪鋪水庫(kù)汛期以單一的汛限水位對(duì)運(yùn)行安全進(jìn)行約束，以隨時(shí)準(zhǔn)備防御PMF洪水為目的進(jìn)行防洪調(diào)度，未考慮年份來(lái)水情況及流域內(nèi)實(shí)時(shí)水雨情信息，僅以庫(kù)水位及入庫(kù)流量判斷洪水標(biāo)準(zhǔn)并作為防洪調(diào)控指標(biāo)；紫坪鋪水庫(kù)的防洪安全泄量(2 393 m3/s)考慮的是下游各防洪控制斷面的同頻率遭遇峰值情況，防洪調(diào)度都按單一安全泄量值控制泄洪。按照上述單一指標(biāo)進(jìn)行水庫(kù)防洪調(diào)度面臨以下主要問(wèn)題：

2.2.1.1 帶來(lái)工程安全運(yùn)行隱患

受岷江上游各級(jí)水庫(kù)建成蓄水影響，紫坪鋪水庫(kù)攔蓄800～1 100 m3/s小洪水漸成常態(tài)。由于汛限水位850 m的嚴(yán)格控制，汛期正常來(lái)水或常遇小洪水時(shí)，即使機(jī)組滿(mǎn)發(fā)泄流，也將有300 m3/s左右的來(lái)水需經(jīng)泄洪設(shè)施下泄，致使沖砂放空洞或兩條泄洪排沙洞頻繁使用。高流速隧洞長(zhǎng)時(shí)間頻繁運(yùn)用，其安全性和耐久性將受到嚴(yán)重影響，給工程運(yùn)行安全帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.1.2 增大水庫(kù)防洪調(diào)度難度

紫坪鋪工程的泄洪排沙洞為高流速隧洞，其出口挑流鼻坎較高，當(dāng)庫(kù)水位超過(guò)842 m，閘門(mén)開(kāi)度在0.3度以下運(yùn)行時(shí)(Q泄≤288 m3/s)，不能形成挑射水流，結(jié)合段出口將形成有壓水躍封閉洞口，加大水流內(nèi)部負(fù)壓，增大洞內(nèi)空蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，泄洪排沙洞只能在閘門(mén)開(kāi)度0.3以上運(yùn)行。如果只發(fā)生一場(chǎng)小洪水(Q入庫(kù)≤3 070 m3/s)，泄洪排沙洞局開(kāi)泄洪，洞內(nèi)水流狀態(tài)較差，易致襯砌氣蝕破壞。全開(kāi)泄洪時(shí)，泄洪排沙洞泄流量(庫(kù)水位850 m時(shí)Q泄=1 251.49 m3/s)與機(jī)組發(fā)電及沖砂放空洞下泄流量之和超過(guò)2 000 m3/s，對(duì)下游沖擊加大；如果上游仍在發(fā)生強(qiáng)降水，則存在前期泄流少、后期泄流大、水庫(kù)水位易快速抬高的結(jié)果。按照固定的安全泄量進(jìn)行調(diào)洪，將限制紫坪鋪水庫(kù)的下泄流量，不能騰出更多防洪庫(kù)容，影響到水庫(kù)防洪安全并降低洪水資源化水平。

2.2.1.3 降低汛后水庫(kù)滿(mǎn)蓄率

紫坪鋪水庫(kù)建成運(yùn)行以來(lái)，就存在下游都江堰丘陵灌區(qū)囤蓄水庫(kù)與紫坪鋪水庫(kù)在汛后爭(zhēng)蓄的矛盾。紫坪鋪水庫(kù)在首先滿(mǎn)足下游綜合用水需求后，蓄滿(mǎn)自身水庫(kù)的水量無(wú)法得到充分保證，枯水年份顯得尤為突出。汛期按照單一的汛限水位運(yùn)行，易造成前期棄水過(guò)多而汛后無(wú)水可蓄，水庫(kù)不能及時(shí)回蓄至興利庫(kù)容的被動(dòng)局面，對(duì)都江堰灌區(qū)的春灌和成都市的供水、環(huán)保和發(fā)電產(chǎn)生較大影響。

2.2.2 主要技術(shù)措施與運(yùn)用

3.2.2.1 錯(cuò)峰固定下泄與壩下游的區(qū)間流量湊泄相結(jié)合的汛期水庫(kù)調(diào)度方法

結(jié)合紫坪鋪工程特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)安全泄量和所需防洪庫(kù)容的重新復(fù)核，考慮下游岷江支流白沙河洪水與岷江干流洪水相遇的不利情況，將白沙河洪水流量按湊泄的方式控制紫坪鋪水庫(kù)下泄流量，形成錯(cuò)峰固定下泄與下游白沙河流量湊泄相結(jié)合的汛期紫坪鋪水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行技術(shù)(見(jiàn)表1)。實(shí)踐證明，通過(guò)科學(xué)調(diào)度，提高了紫坪鋪工程防洪調(diào)控能力，增強(qiáng)了對(duì)下游區(qū)間突發(fā)性水污染事件的應(yīng)急調(diào)控能力。

表1 紫坪鋪水庫(kù)主汛期(6～8月)調(diào)度運(yùn)行技術(shù)方案

說(shuō)明：1)水庫(kù)上游來(lái)水小于1 100 m3/s時(shí)，4臺(tái)機(jī)組發(fā)電參與泄洪，同時(shí)維持水庫(kù)汛期運(yùn)行水位不低于起調(diào)水位。2)水庫(kù)上游來(lái)水大于1 100 m3/s且?guī)焖坏陀诜篮楦咚?61.6 m時(shí)，沖砂洞全開(kāi)，并根據(jù)洪水情況開(kāi)啟1號(hào)洞(或2號(hào)洞)并控制閘門(mén)開(kāi)度使總泄量不超過(guò)2 500 m3/s；庫(kù)水位逐漸升高但低于防洪高水位時(shí)，當(dāng)水庫(kù)泄流能力大于2 500 m3/s時(shí)按固定泄量2 500 m3/s下泄。3)水位超過(guò)防洪高水位861.6 m時(shí)，保持2臺(tái)機(jī)組參與泄洪，沖砂洞與1號(hào)洞(或2號(hào)洞)敞泄，為保證大壩安全不控制下泄流量；當(dāng)庫(kù)水位超過(guò)500年一遇洪水位869 m時(shí)，機(jī)組不參與泄洪。4)庫(kù)水位超過(guò)870 m時(shí)開(kāi)啟溢洪道，以滿(mǎn)足泄流通過(guò)溢洪道挑越下游河道內(nèi)的F3斷層，確保壩基和下游庫(kù)岸邊坡安全。5)洪峰過(guò)壩后，所有泄洪建筑物保持原溢流狀態(tài)，直到庫(kù)水位降至870 m時(shí)，關(guān)閉溢洪道閘門(mén)。6)當(dāng)水位降至水庫(kù)汛期運(yùn)行水位，氣象及水情預(yù)報(bào)表明近期無(wú)大的降雨和洪水時(shí)，先關(guān)閉已開(kāi)啟的泄洪洞，然后再關(guān)閉沖砂洞，水庫(kù)恢復(fù)正常運(yùn)行方式。

按照表1調(diào)度，紫坪鋪水庫(kù)汛期起調(diào)水位可由850 m提高至851 m。

2013年7月，紫坪鋪工程遭遇“7·9”特大暴雨洪災(zāi)。災(zāi)害期間，岷江上游發(fā)生了1964年100年一遇洪水后的第二大洪水。此次洪水過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，為典型的近壩區(qū)的暴雨山洪，部分降水直接落于庫(kù)區(qū)，洪水陡漲陡落(圖2)。洪水過(guò)程初始時(shí)刻庫(kù)水位851.3m，初始基流為770 m3/s左右，第一輪強(qiáng)降雨后產(chǎn)生1 314 m3/s的首輪洪峰，第二輪更強(qiáng)降雨緊隨其后，產(chǎn)生4 231 m3/s的最大洪峰。隨著降雨逐漸減弱，來(lái)水流量緩慢消退至760 m3/s左右。為保證下游河道及成都市中心城區(qū)安全，洪水過(guò)程前期調(diào)度以攔蓄洪水為主，后期逐量緩慢泄洪。通過(guò)流量湊泄的適時(shí)調(diào)控，錯(cuò)峰調(diào)度，共計(jì)攔蓄洪水2.6億m3，削減最高洪峰3 700 m3/s，避免了最大洪峰與下游白沙河洪水洪峰疊加，使下游洪水由40年一遇降為10年一遇，相當(dāng)于將涌入都江堰內(nèi)江寶瓶口的洪水水位消減了3～4 m，避免了水淹都江堰市，最大限度減輕了都江堰灌區(qū)和成都市的防洪壓力，保證了下游地區(qū)千百萬(wàn)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，受到了國(guó)務(wù)院工作組、四川省委、省政府領(lǐng)導(dǎo)的高度評(píng)價(jià)。

2013年7月18日至22日，紫坪鋪下游白沙河遭遇山洪泥石流，造成成都市飲用原水濁度嚴(yán)重超標(biāo)。應(yīng)成都市要求，紫坪鋪水庫(kù)緊急調(diào)用庫(kù)水進(jìn)行稀釋。通過(guò)對(duì)白沙河洪水流量、入庫(kù)流量和稀釋用水量的綜合分析，緊急開(kāi)啟沖砂放空洞(Q=300 m3/s)下泄庫(kù)水，歷時(shí)52 h，累計(jì)增供清水5 650萬(wàn)m3，及時(shí)稀釋了大幅度超標(biāo)的原水，化解了此次成都市的用水危機(jī)。

3.2.2.2 后汛期逐步抬高水庫(kù)運(yùn)行水位的水位調(diào)控方法

綜合暴雨成因、實(shí)測(cè)降雨、峰現(xiàn)時(shí)間和量級(jí)等情況分析，由于9月1日后形成洪水的暴雨天氣成因顯著不同、洪水量級(jí)明顯減小，將紫坪鋪水庫(kù)主汛期與后汛期的分界日定為9月1日。主汛期(6月～8月)，以全面的水情測(cè)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)為支撐，通過(guò)逐步抬高水庫(kù)運(yùn)行水位，通過(guò)錯(cuò)峰固定下泄和下游區(qū)間流量湊泄相結(jié)合的方法，錯(cuò)峰調(diào)度，有效調(diào)控洪水，確保下游防洪安全；后汛期(9月)，根據(jù)后汛期水庫(kù)水位回蓄控制指標(biāo)(表2)要求和水情、天氣預(yù)報(bào)情況，在保證樞紐工程和下游防汛安全的前提下，通過(guò)科學(xué)預(yù)測(cè)、良好協(xié)調(diào)和優(yōu)化調(diào)度，提前蓄水，可減少棄水量，增加發(fā)電收益，提高水庫(kù)的綜合效益。

圖2 7月8日-7月17日洪水過(guò)程及調(diào)度示意圖

表2 后汛期紫坪鋪水庫(kù)調(diào)度水位控制指標(biāo)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，從10月1日起蓄水，僅有2009年和2012年能按時(shí)蓄至正常蓄水位877 m，其余年份均不能回蓄至正常蓄水位，尤其是2007年還將出現(xiàn)降至817 m死水位無(wú)水可蓄的局面。

通過(guò)后汛期逐步提高庫(kù)水位實(shí)現(xiàn)提前蓄水，紫坪鋪工程的綜合效益得到明顯提高。在確保水庫(kù)度汛安全的前提下，2013年～2015年9月蓄水，產(chǎn)生的效益明顯高于往年(表3)。圖3為2015年后汛初期(9月)蓄水與10月初蓄水時(shí)，洪水資源化情況。

3 結(jié) 語(yǔ)

為科學(xué)利用日益匱乏的水資源，緩解向下游供水的供需矛盾，增強(qiáng)紫坪鋪工程的綜合效益，通過(guò)改造沖砂放空洞體型增加其調(diào)水、配水功能，優(yōu)化汛期紫坪鋪水庫(kù)調(diào)控方式，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行的安全、靈活和精準(zhǔn)目標(biāo)。紫坪鋪工程安全高效運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)的成功應(yīng)用，促進(jìn)了工程防洪、供水、灌溉、發(fā)電等效益的發(fā)揮，對(duì)應(yīng)對(duì)下游突發(fā)水安全事件，降低大中型水庫(kù)汛期運(yùn)行調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)提高水資源利用效益和對(duì)大中型水利水電工程中高水頭泄流設(shè)施的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有良好借鑒意義。

表3 后汛期蓄水后紫坪鋪水庫(kù)效益增長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)表

圖3 2015年紫坪鋪水庫(kù)后汛期(9月初起)蓄水與非汛期(10月初起)蓄水過(guò)程線