楊鳳英，吉 鵬

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

下閘蓄水是水電工程建設(shè)中重要的里程碑，是水電工程順利投產(chǎn)發(fā)電的保證。大型水電工程受工程形象、移民搬遷、工程安全、近壩庫(kù)岸穩(wěn)定、下游供水、初期發(fā)電效益等多種因素影響，下閘蓄水條件復(fù)雜，一般初期蓄水期為導(dǎo)流設(shè)施下閘至蓄水至死水位。江坪河水電站水庫(kù)初期蓄水期為導(dǎo)流洞下閘水庫(kù)開始蓄水起，至水庫(kù)蓄水至正常蓄水位止。根據(jù)水庫(kù)蓄水期間的具體特點(diǎn)，水庫(kù)初期蓄水期分為2個(gè)階段：①?gòu)膶?dǎo)流洞下閘起至水庫(kù)蓄水至死水位427 m止，此階段水庫(kù)蓄水主要受導(dǎo)流洞封堵施工和首臺(tái)機(jī)組發(fā)電目標(biāo)制約；②從死水位427 m起至水庫(kù)蓄水至正常蓄水位470 m止，此階段水庫(kù)蓄水主要受大壩安全制約。由于大壩安全和導(dǎo)流洞封堵施工安全對(duì)蓄水位控制提出了嚴(yán)格要求，何時(shí)下閘、如何蓄水，成為江坪河水電站下閘蓄水方案研究的重點(diǎn)。

1 工程概況

江坪河水電站是溇水干流水電規(guī)劃的龍頭梯級(jí)，壩址位于湖北省鶴峰縣走馬鎮(zhèn)，控制流域面積2 140 km2，占全流域面積的42.4%，多年平均流量81.8 m3/s。江坪河水電站開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪，正常蓄水位470 m，死水位427 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容6.78億m3，庫(kù)容系數(shù)27%，汛期6月～7月為下游預(yù)留2億m3防洪庫(kù)容，防洪限制水位459.70 m，電站裝機(jī)容量450 MW，是華中地區(qū)不可多得的具有多年調(diào)節(jié)性能的水電工程。

2 工程形象面貌

江坪河水利樞紐主要建筑物包括混凝土面板堆石壩、2條洞式溢洪道和1條泄洪放空洞、引水系統(tǒng)和岸坡式地面廠房。江坪河混凝土面板堆石壩壩頂高程476 m，最大壩高219 m，溢洪道堰頂高程448 m，泄洪放空洞底板高程370 m， 地面廠房安裝2臺(tái)225 MW水輪發(fā)電機(jī)組，采用隧洞導(dǎo)流方式，設(shè)有1條導(dǎo)流洞，進(jìn)水口底板高程293.5 m。

截至2019年10月底，大壩已全斷面填筑至設(shè)計(jì)高程472 m，面板混凝土已澆筑至高程430 m，大壩高程375 m以下具備擋水條件，泄洪放空洞已具備運(yùn)行條件，1號(hào)溢洪道已具備運(yùn)行條件，2號(hào)溢洪道已完成絕大部分工作，部分尾工不制約下閘蓄水，引水發(fā)電系統(tǒng)土建工程和金結(jié)安裝已完工，部分尾工不制約下閘蓄水，下游河道護(hù)岸及霧化區(qū)防護(hù)工程已完成，擋水沿線高程430 m以下的交通洞及施工支洞、地質(zhì)探洞均已封堵完成，具備擋水條件，庫(kù)區(qū)淹沒線以下移民搬遷工作已完成，水保環(huán)保工程不制約下閘蓄水。因此，整個(gè)工程形象面貌滿足導(dǎo)流洞2019年11月上旬下閘蓄水條件。根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃，下閘后堵頭施工需要約8個(gè)月時(shí)間。

3 下閘蓄水的主要制約因素

3.1 水庫(kù)蓄水位控制

為滿足導(dǎo)流洞堵頭施工安全，永久堵頭混凝土澆筑期間由封堵閘門(或臨時(shí)堵頭)擋水，要求遭遇時(shí)段11月～次年4月20年一遇洪水時(shí)，水庫(kù)水位不超過414.4 m。

3.2 蓄水上升速率控制

江坪河混凝土面板堆石壩是目前在巖溶地區(qū)、深厚覆蓋層上建造的世界第三高壩，最大壩高219 m，混凝土面板總面積7.08萬(wàn)m2，蓄水水位越高，壩體和面板對(duì)水位上升速率越敏感，若初期蓄水速度過快，可能引起變形增大，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。為確保大壩安全，水庫(kù)蓄水過程中應(yīng)嚴(yán)格控制水位上升速率，選擇合適的蓄水位停留一段時(shí)間，對(duì)大壩的應(yīng)力、變形、滲漏等情況觀測(cè)后，再進(jìn)一步蓄水。綜合壩體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析、大壩施工進(jìn)度安排等因素，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，水庫(kù)蓄水上升速率控制要求如下：①370 m高程以下，無泄流條件，按天然入庫(kù)徑流自然上升；②370～400 m高程，蓄水上升速率按≤2 m/d控制；③400～427 m高程，蓄水上升速率按≤1.5 m/d控制，當(dāng)水位達(dá)到427 m高程，暫停蓄水，至少維持該水位觀測(cè)2個(gè)月；④ 427～448 m高程，蓄水上升速率按≤1.0 m/d控制；當(dāng)水位達(dá)到448 m高程，暫停蓄水，至少維持該水位觀測(cè)15 d；⑤448～459.70 m高程，蓄水上升速率按≤0.5 m/d控制；當(dāng)水位達(dá)到459.70 m高程，暫停蓄水，至少維持該水位觀測(cè)15 d；⑥459.70～470 m高程，蓄水上升速率按≤0.3 m/d控制。

3.3 首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)時(shí)間

根據(jù)江坪河水電站工程進(jìn)度安排，首臺(tái)機(jī)組計(jì)劃于2020年7月投產(chǎn)發(fā)電，機(jī)組調(diào)試時(shí)間按1個(gè)月考慮，水庫(kù)應(yīng)于2020年6月蓄水至死水位427 m。

3.4 下游用水需求

江坪河水電站與下游淋溪河水電站銜接，淋溪河對(duì)江坪河進(jìn)行反調(diào)節(jié)，可滿足江坪河泄放的生態(tài)基流?？紤]到淋溪河水電站尚未建成，江坪河水電站蓄水期間需下泄生態(tài)流量8.11 m3/s。

4 下閘蓄水原則

江坪河水庫(kù)庫(kù)容大，蓄至正常蓄水位歷時(shí)長(zhǎng)，綜合考慮大壩安全、封堵施工安全、機(jī)組發(fā)電及下游用水等因素，確定下閘蓄水原則如下：

(1)以確保工程蓄水安全為前提，嚴(yán)格控制蓄水進(jìn)程和上升速率，同時(shí)蓄水進(jìn)程須根據(jù)大壩監(jiān)測(cè)分析資料穩(wěn)妥推進(jìn)。

(2)在充分確保工程安全的前提下，滿足首臺(tái)機(jī)組發(fā)電節(jié)點(diǎn)目標(biāo)，發(fā)揮工程初期效益。

(3)根據(jù)工程施工形象面貌控制蓄水水位，確保蓄水過程中的防洪度汛安全。

(4)水庫(kù)蓄水期間，須保障下游用水要求。

5 下閘時(shí)機(jī)選擇

5.1 封堵閘門操作分析

根據(jù)工程實(shí)際施工情況及總體進(jìn)度計(jì)劃，導(dǎo)流洞最早于2019年11月上旬具備下閘條件。江坪河導(dǎo)流洞封堵閘門設(shè)計(jì)操作水頭9.30 m，啟閉機(jī)平臺(tái)高程348 m，導(dǎo)流洞下閘設(shè)計(jì)流量采用下閘時(shí)段10年一遇的月平均流量。根據(jù)歷年來水特性分析，4月～10月、11月～次年3月壩址各月10%頻率平均流量分別為380～118 m3/s、83.3～25.7 m3/s。經(jīng)計(jì)算分析，若4月～10月下閘，封堵閘門前庫(kù)水位上升速度過快，不能滿足閘門操作水頭要求，且下閘后庫(kù)水位上升至啟閉機(jī)平臺(tái)所需時(shí)間較短，人員及設(shè)備無法及時(shí)撤離；若11月～次年3月下閘，可以滿足封堵閘門操作水頭要求，人員及設(shè)備也可安全撤離。因此，江坪河水電站下閘時(shí)間應(yīng)安排在11月～次年3月。

5.2 施工組織進(jìn)度分析

導(dǎo)流洞下閘封堵后水庫(kù)開始蓄水，庫(kù)水位低于泄洪放空洞進(jìn)水口底板高程370 m之前，無泄流條件，超過370 m高程后，水庫(kù)來水通過泄洪放空洞下泄。根據(jù)堵頭施工工期分析，永久堵頭混凝土澆筑最早完成時(shí)間是下閘后4.4個(gè)月，若2020年1月及以后下閘，永久堵頭混凝土施工進(jìn)入汛期，遭遇20年一遇施工期標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，即使通過泄洪放空洞泄水，起調(diào)水位按370 m考慮，壩前最高水位也達(dá)到420.32 m，超過封堵閘門(或臨時(shí)堵頭)設(shè)計(jì)擋水水位414.4 m。因此，下閘時(shí)間不宜安排在2020年1月及以后。

5.3 首臺(tái)機(jī)組發(fā)電目標(biāo)分析

在上述分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，以2020年7月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電為目標(biāo)，對(duì)2019年11月、12月下閘方案進(jìn)行研究，結(jié)果表明，由于存在水位控制，2019年11月、12月各旬下閘均可滿足首臺(tái)機(jī)組發(fā)電目標(biāo)。

綜合以上情況分析，為有利于導(dǎo)流洞封堵施工安全，確定2019年11月上旬下閘蓄水。

6 導(dǎo)流洞下閘～死水位427 m蓄水方案

由于各種原因，導(dǎo)流洞已過流運(yùn)行11年，超期服役，雖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理，仍存在不利因素，從降低導(dǎo)流洞封堵施工風(fēng)險(xiǎn)角度，堵頭施工期應(yīng)盡可能降低水位，控制水庫(kù)蓄水速度。然而為滿足2020年7月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電目標(biāo)及提高蓄水保證程度，應(yīng)盡快蓄水，以保證2020年6月庫(kù)水位蓄至死水位427 m。為協(xié)調(diào)導(dǎo)流洞封堵施工風(fēng)險(xiǎn)與首臺(tái)機(jī)組發(fā)電目標(biāo)的矛盾，需重點(diǎn)研究泄洪放空洞何時(shí)下閘、如何控泄。

根據(jù)壩址歷年來水分析，遭遇枯水年份(保證率75%)，為保證6月初蓄至死水位，1月底、2月底、3月底水庫(kù)最低需分別蓄至340.83、358.61、385.17 m?？紤]到泄洪放空洞只能對(duì)底板高程370 m以上的水位進(jìn)行控制，因此，泄洪放空洞閘門應(yīng)于3月下閘控制水位。

在2019年11月上旬導(dǎo)流洞下閘，同時(shí)滿足第3節(jié)水位控制要求的基礎(chǔ)上，以2020年7月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電為目標(biāo)，對(duì)泄洪放空洞閘門3月上旬、中旬、下旬下閘進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，導(dǎo)流洞11月上旬下閘、泄洪放空洞3月中旬下閘至4月底控制庫(kù)水位不超過410 m情況下，可以滿足首臺(tái)機(jī)組發(fā)電目標(biāo)。

綜合考慮3.2節(jié)蓄水速率控制要求，從導(dǎo)流洞下閘至庫(kù)水位蓄至死水位427 m，蓄水方案如下：

(1)2019年11月1日導(dǎo)流隧洞下閘后，水庫(kù)開始蓄水，高程370 m以下對(duì)蓄水上升速率沒有控制。

(2)在2020年3月中旬以前，泄洪放空洞敞開泄流。

(3) 2020年3月中旬～2020年4月底，泄洪放空洞下閘控泄蓄水，控制庫(kù)水位不高于410 m，期間水庫(kù)水位從370 m蓄水至400 m，蓄水速率控制不大于2 m/d；水庫(kù)水位從400 m蓄水至410 m，蓄水速率控制不大于1.5 m/d。

(4)2020年5月初開始水庫(kù)水位從410 m蓄至死水位427 m，期間蓄水速率控制不大于1.5 m/d。

7 死水位427 m～正常蓄水位470 m蓄水方案

江坪河水電站具有大壩高、面板面積大、工程地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，混凝土面板堆石壩壩頂高程476 m，河床趾板基礎(chǔ)高程257 m，庫(kù)水位蓄至死水位427 m、溢洪道堰頂高程448 m、防洪限制水位459.7 m時(shí)，蓄水高度已達(dá)到170、191、202.7 m。為保證大壩安全，宜在不同的蓄水水位進(jìn)行多階段觀測(cè)運(yùn)行，待大壩和面板穩(wěn)定后，再進(jìn)一步蓄水。為此，在上述第6節(jié)從導(dǎo)流洞下閘至死水位427 m蓄水方案確定的情況下，根據(jù)第3節(jié)水位控制要求，對(duì)死水位427 m至正常蓄水位470 m的蓄水過程擬定了5個(gè)方案：①“連續(xù)分級(jí)蓄水”方案，該方案不考慮長(zhǎng)時(shí)間分段水位控制，只滿足第3節(jié)所述的蓄水速度控制和停留觀測(cè)時(shí)間要求，直至庫(kù)水位蓄至正常蓄水位；②“427 m分段蓄水”方案，該方案蓄至死水位427 m之后，停留至2021年4月底(約1年時(shí)間)，之后再蓄水至正常蓄水位，這是滿足機(jī)組發(fā)電要求的下限水位方案；③“448 m分段蓄水”方案，考慮到在448 m水位運(yùn)行期間可利用溢洪道敞泄，無需頻繁操作閘門控制水位，運(yùn)行調(diào)度非常便利，且在該水位下機(jī)組受阻容量很小，該方案蓄至溢洪道堰頂高程448 m之后，停留至2021年4月底(約1年時(shí)間)，之后再蓄水至正常蓄水位；④“459.7 m分段蓄水”方案，該方案蓄至防洪限制水位459.7 m之后，停留至2021年8月底(約1年時(shí)間)，之后再蓄水至正常蓄水位，這是滿足防洪度汛安全要求的上限水位方案；⑤“多水位分段蓄水”方案，為更好的兼顧蓄水安全和初期發(fā)電效益之間的關(guān)系，增加停留水位控制級(jí)數(shù)，考慮庫(kù)水位蓄至死水位427 m、溢洪道堰頂高程448 m、防洪限制水位459.7 m后均停留約3個(gè)月，之后再進(jìn)一步蓄水至正常蓄水位，其中蓄水至427 m后，維持水位427 m至2020年8月底；蓄水至448 m后，維持水位448 m至2020年12月底；蓄水至459.7 m后，維持水位459.7 m至2021年8月底。

根據(jù)壩址1959年～2016年共58 a逐旬徑流系列，采用長(zhǎng)系列時(shí)歷法進(jìn)行滑動(dòng)計(jì)算，對(duì)上述各個(gè)方案水庫(kù)初期蓄水歷時(shí)和初期發(fā)電效益進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算成果見表1。

江坪河水電站下閘蓄水方案的主要影響因素是工程安全，5個(gè)方案中方案二在死水位427 m停留的時(shí)間最長(zhǎng)，水位控制最嚴(yán)格，導(dǎo)致最大可利用調(diào)節(jié)庫(kù)容和最大可利用容量最小，相應(yīng)的初期發(fā)電效益較差；方案一、三、四最大可利用調(diào)節(jié)庫(kù)容和最大可利用容量差別不大，初期發(fā)電效益相對(duì)較好；方案五按多水位分段蓄水，縮短了427 m水位停留時(shí)間，初期發(fā)電效益較方案二有較大幅度的增加，該方案既能滿足蓄水安全要求，又兼顧了初期發(fā)電效益，同時(shí)也有利于分階段監(jiān)測(cè)和分析不同蓄水位情況下的大壩運(yùn)行安全狀況。因此，推薦采用方案五，即“多水位分段蓄水”方案。

表1 江坪河初期蓄水計(jì)算成果

綜合考慮3.2節(jié)蓄水速率控制要求，從死水位427 m至正常蓄水位427 m，蓄水方案如下：

(1) 2020年5月初開始水庫(kù)水位從410 m蓄至死水位427 m，期間蓄水速率控制不大于1.5 m/d；當(dāng)水位達(dá)到427 m高程時(shí)暫停蓄水，維持該水位觀測(cè)3個(gè)月，至2020年8月底。

(2)2020年9月初開始從水位427 m蓄水至448 m，蓄水速率控制不大于1.0 m/d；當(dāng)水位達(dá)到448 m高程時(shí)暫停蓄水，維持該水位觀測(cè)3個(gè)月，至2020年12月底。

(3) 隨后從水位448 m蓄水至汛限水位459.70 m，蓄水速率控制不超過0.5 m/d；當(dāng)水位達(dá)到459.70 m高程時(shí)暫停蓄水，維持該水位觀測(cè)至2021年8月底。

(4)2021年9月初從水位459.70 m蓄水至正常蓄水位470 m，蓄水速率控制不大于0.3 m/d。

8 結(jié) 語(yǔ)

江坪河水庫(kù)下閘蓄水條件復(fù)雜，限制因素多，蓄水歷時(shí)長(zhǎng)，在確保工程安全的前提下，綜合考慮工程形象面貌、蓄水位控制、下游生態(tài)、初期發(fā)電等因素，研究提出了江坪河水庫(kù)可操作性較強(qiáng)的下閘蓄水方案。2019年11月上旬江坪河水庫(kù)正式下閘蓄水后，蓄水過程正按推薦方案穩(wěn)步推進(jìn)，本工程下閘蓄水方案的研究思路和方法對(duì)類似工程具有一定借鑒意義。