豐滿水電站施工期下游供水庫水位控制

董延超，石亮亮，王 強，陳俊杰

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林長春130021）

豐滿水電站施工期下游供水庫水位控制

董延超，石亮亮，王 強，陳俊杰

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林長春130021）

豐滿水電站全面治理（重建）工程施工期必須保證不間斷地向下游供水，為保障下游供水安全，泄洪兼導流洞將作為非常時期保下游供水的備用通道。為滿足施工期啟用泄洪兼導流洞為下游供水，依據(jù)泄洪兼導流洞模型試驗成果、供水和隧洞運行要求，并考慮水庫冰凍期冰凍厚度影響，最終確定保下游供水水庫控制水位，為施工期水庫合理調(diào)度提供依據(jù)。

施工期；啟用泄洪兼導流洞；保下游供水；庫水位控制

1 概況

豐滿電站全面治理（重建）工程位于吉林省吉林市的松花江干流上，是按恢復電站原任務(wù)和功能，在原豐滿大壩下游120 m處新建一座大壩，并利用原豐滿三期工程。工程以發(fā)電為主，兼顧防洪、城市及工業(yè)供水、灌溉、生態(tài)環(huán)境保護，并具有旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖效益。電站樞紐主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪系統(tǒng)、左岸泄洪兼導流洞、壩后式引水發(fā)電系統(tǒng)、過魚設(shè)施及利用的原三期電站組成。

泄洪兼導流洞運行期承擔泄洪任務(wù)，施工期承擔施工導流和保下游供水緊急供水任務(wù)。泄洪兼導流洞為有壓洞，全長846.02 m，由進口明渠段、井前壓力段、進口閘門井、有壓洞身段、出口閘室段及消能防沖段等部分組成。進口巖坎頂高程245.00 m，巖坎下游坡比1∶1，明渠底板高程224.00 m，有壓洞為內(nèi)徑10.5 m圓形斷面，末端出口為8.8 m×8.8 m矩形斷面，出口閘室底板高程193.00 m，采用挑流消能方式，挑坎高程193.00 m。進口閘室設(shè)一道檢修平板閘門和一道事故平板閘門，出口閘室設(shè)一道工作弧門。泄洪兼導流洞縱剖面布置見圖1。

2 工程進展情況及保下游供水問題

2.1 工程進展情況

截止到2015年10月，豐滿重建工程大壩、廠房、消力池的開挖已基本完成，正在進行大壩、廠房、消力池混凝土澆筑、壓力鋼管安裝、部分壩段固結(jié)灌漿、越冬保溫層施工工作。河床溢流壩和引水壩段澆筑至高程188.90 m，兩岸擋水壩段澆筑至高程198.80 m，廠房1號機組澆筑至170.00 m，泄洪兼導流洞除進口巖坎部位外其他部位全部完工?？紤]保障下游供水實際需要，泄洪兼導流洞進口巖坎于2015年8月上旬拆除至高程245.56 m，拆除寬度為78 m，巖坎斜坡噴錨支護措施尚未完成。

圖1 泄洪兼導流洞縱剖面示意圖

2.2 保下游供水問題

豐滿重建工程施工期和永久運行期，均必須保證不間斷地向下游供水，施工期與永久運行期下游各業(yè)用水要求一致，為滿足下游環(huán)境、松花江沿岸城市居民和企業(yè)的取水要求，需泄放流量為161 m3/s。

豐滿三期電廠兩臺機組過流量為594 m3/s，原泄洪洞預留放流通道泄流量為161 m3/s，豐滿三期電廠和原泄洪洞泄流量均滿足下游供水要求，可作為保下游供水通道。2015年9月泄洪兼導流洞完工后，原泄洪洞于2015年汛后可不再使用，保下游供水有豐滿三期電廠和泄洪兼導流洞兩條通道。

施工期正常情況下，豐滿三期機組發(fā)電泄流是向下游供水的途徑，電站機組承擔調(diào)峰任務(wù)，間歇發(fā)電，下泄水流經(jīng)永慶反調(diào)節(jié)庫做到不間斷供水；施工期三期電廠不能正常運用的非常情況下，泄洪兼導流洞作為備用通道承擔向下游供水任務(wù)，也需經(jīng)永慶反調(diào)節(jié)庫做到不間斷供水，避免棄水。施工期三期電廠不能正常運行和泄洪兼導流洞無法啟用的特殊情況下，未封堵的原泄洪洞可做為應(yīng)急通道，進行應(yīng)急放水，但由于三期泄洪洞出口位于大壩和廠房基坑圍堰上游，通過原三期泄洪洞泄流時會造成水淹基坑，將帶來較大損失。

因泄洪兼導流洞進水口巖坎與原設(shè)計進水口巖坎高程245.00 m和寬93.00 m相比發(fā)生改變，對進水口的泄流流量和庫水位控制要求產(chǎn)生影響，為啟用泄洪兼導流洞泄流保證下游供水，依據(jù)2015年進口巖坎和隧洞施工現(xiàn)狀，需開展施工期啟用泄洪兼導流洞保下游供水庫水位控制研究。

3 泄洪兼導流洞模型試驗研究成果

1）泄流能力及水位流量關(guān)系

模型試驗觀測了運行期泄洪兼導流洞出口弧門敞泄和局開的泄流能力。運行期泄洪兼導流洞敞泄和出口閘門開度e=2m時水位流量關(guān)系見表1和表2，運行期泄洪兼導流洞泄流能力曲線，見圖2。

2）水流流態(tài)

運行期泄洪兼導流洞敞泄時，庫水位低于247.56 m時，隧洞內(nèi)為明流流態(tài)；庫水位在247.56～251.64 m區(qū)間時，隧洞內(nèi)為明滿流過渡流態(tài)；庫水位在251.64 m以上時，隧洞內(nèi)為滿流流態(tài)。為避免洞內(nèi)出現(xiàn)明滿流過渡現(xiàn)象，運行期泄洪兼導流洞可采用控制出口弧門開度使洞內(nèi)形成滿流流態(tài)。庫水位246.51 m和247.20 m，出口弧門開度e=2 m和e=3 m時，泄洪兼導流洞洞內(nèi)均為滿流流態(tài)。

表1 洪兼導流洞敞泄水位流量關(guān)系成果表

表2 泄洪兼導流洞出口閘門局開（e=2 m）水位流量關(guān)系成果表

圖2 運行期泄洪兼導流洞泄流能力曲線

3）進口巖坎流速

運行期泄洪兼導流洞敞泄時，試驗觀測了低庫水位時進水口巖坎斜坡與集渣坑位置水面交接處的流速，進水口巖坎斜坡流速見表3。

4 啟用泄洪兼導流洞保下游供水庫水位控制

4.1 泄洪兼導流洞保下游供水運行要求

1）因明滿流過渡流態(tài)是一種復雜且不穩(wěn)定的不良流態(tài)，會對隧洞過流能力、結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)產(chǎn)生不利影響，為使洞內(nèi)呈現(xiàn)單一壓力狀態(tài)，施工期保下游供水時泄洪兼導流洞按明流或有壓流泄流。

表3 進水口巖坎斜坡平均流速成果表

2）明流運行時，根據(jù)低水位泄流模型試驗成果，進口巖坎斜坡平均流速大于11 m/s，進口巖坎斜坡目前噴錨支護措施尚未完成，高流速易發(fā)生沖刷破壞，且冰凍期泄洪兼導流洞進水口易被冰塊堵塞，施工期非常時期啟用泄洪兼導流洞保下游供水除特殊情況外不建議使用明流泄流。

3）有壓流運行時，通過控制出口弧門開度保證泄洪兼導流洞為有壓流?？紤]出口閘門自身安全應(yīng)避免其長時間在振動區(qū)運行，同時應(yīng)防止泄洪兼導流洞泄流時出口結(jié)構(gòu)發(fā)生空蝕破壞。

4.2 計算基本參數(shù)確定

1）進水口巖坎尺寸

根據(jù)工程施工實際情況，進口巖坎采用坎頂高程245.56 m，坎寬78 m。

2）進水口巖坎綜合流量系數(shù)

參考泄洪兼導流洞水工模型試驗成果，進行試驗數(shù)據(jù)流量系數(shù)的對比分析，考慮試驗精度、坎后斜坡坡度、坎頂表面糙率等因素，當巖坎上水深小于1.8 m時，進口巖坎綜合流量系數(shù)取為0.385；當巖坎上水深大于等于1.8 m時，進水口巖坎綜合流量系數(shù)取為0.44。

3）隧洞泄流量選擇

為滿足下游供水要求，啟用泄洪兼導流洞保下游供水時，泄流量應(yīng)大于161 m3/s。依據(jù)模型試驗成果，保證泄洪兼導流洞為有壓流泄流，且弧門開度避開1.0 m振動區(qū)時，隧洞最小泄流量按出口弧門開度2 m、泄流量419 m3/s控制?？紤]泄洪兼導流洞有壓過流流態(tài)好，泄流量采用出口弧門控制方便，隧洞流量達到有壓泄流條件后,就不再采用明流泄流方式。泄洪兼導流洞明流泄流時，隧洞泄流量按161～419 m3/s控制。

4.4 不同流態(tài)庫水位控制確定

通過分析模型試驗泄洪兼導流洞泄流能力，泄洪兼導流洞明流和閘門控泄剛好達到有壓流泄流時，隧洞泄流量均由進口巖坎過流能力控制，水庫水位計算可按泄洪兼導流洞進口巖坎泄流能力進行推求。推求庫水位時，進水口巖坎泄流能力按寬頂堰流（非淹沒流)計算。為防止泄洪兼導流洞出口結(jié)構(gòu)發(fā)生空蝕破壞，有壓流泄流時，閘門出口水流空化數(shù)應(yīng)大于0.3。泄洪兼導流洞明流和有壓流泄流庫水位計算結(jié)果見表4和表5。

表4 隧洞明流泄流最低和最高庫水位計算表

表5 隧洞有壓流泄流最低庫水位計算表

由上述計算分析可見，庫水位范圍控制在246.70～247.53 m時，泄洪兼導流洞能夠以明流泄流，泄流量為162～420 m3/s，滿足保下游供水要求；最低庫水位控制為247.53 m，泄洪兼導流洞控制出口弧門開度2 m能夠以有壓流泄流，泄流量為420.00 m3/s，滿足保下游供水要求。

4.5 不同時段庫水位控制確定

豐滿水電站全面治理（重建）工程位于中溫帶大陸性季風氣候區(qū)，冬季嚴寒而漫長，泄洪兼導流洞進口水庫水面封凍形成冰蓋，進口巖坎處冰層厚度將直接影響泄洪兼導流洞泄流量，因此非冰凍期和冰凍期不同時段需要分別進行控制庫水位的確定。

1）非冰凍期庫水位控制確定

非冰凍期隧洞明流泄流時，庫水位范圍為246.70～247.53 m；非冰凍期隧洞有壓流泄流時，控制出口弧門開度2 m，最低控制庫水位范圍為247.53 m。

2）冰凍期庫水位控制確定

冰凍期隧洞明流泄流時，由于進口水流水位較低，冰塊將塌陷并隨水流進入隧洞，隧洞內(nèi)將出現(xiàn)堵塞進口、水位雍高、撞擊破壞結(jié)構(gòu)以及明滿流過渡等不利狀況，因此，隧洞不能使用明流泄流。

依據(jù)豐滿水庫壩前冰厚觀測資料統(tǒng)計最大冰厚0.85 m、壩前調(diào)查最大冰厚1 m以及水庫周邊地區(qū)水文站實測最大冰厚1.50 m，考慮施工期啟用泄洪兼導流洞作為保下游供水應(yīng)急預案的實施時段為2015—2018年，歷時較短，因此泄洪兼導流洞進口最大冰厚按1 m計算。冰凍期隧洞有壓流泄流時，控制庫水位在非冰凍期控制庫水位的基礎(chǔ)上加高1 m，即控制出口弧門開度2 m，最低控制庫水位為248.53 m。

6 結(jié)語

1）施工期啟用泄洪兼導流洞保下游供水時，根據(jù)庫水位情況，隧洞可采用明流或有壓式過流。

2）明流過流時，非冰凍期，進口巖坎支護措施完成情況下，庫水位控制在246.70～247.53 m時，相應(yīng)泄流量為162～420 m3/s。冰凍期，因冰凍引起的不利影響，不能使用明流泄流。目前根據(jù)施工面貌，巖坎下游斜坡沒有支護措施的實際情況，非冰凍期和冰凍期均不能使用明流泄流。

3）有壓流過流時，出口弧門開度控制在2 m時，非冰凍期，水庫最低庫水位需控制在247.53 m，相應(yīng)的泄流量為420 m3/s；冰凍期，考慮最大冰厚1 m，水庫最低庫水位需控制在248.53 m。

4）施工期啟用泄洪兼導流洞保下游供水庫水位控制研究，為水庫的調(diào)度提供了可靠依據(jù)，保下游供水方案實施時，需結(jié)合工程現(xiàn)場實際情況綜合考慮，合理調(diào)度。

［1］中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司.豐滿水電站全面治理（重建）工程施工期水庫調(diào)度方案［R］.長春：中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，2010，12.

［2］中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司.豐滿水電站全面治理（重建）工程泄洪兼導流洞水工模型試驗報告［R］.長春：中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，2013，11.

［3］DL/T5195-2004水工隧洞設(shè)計規(guī)范［S］.2002.

［4］劉志明，溫續(xù)余等.水工設(shè)計手冊.第7卷泄水與過壩建筑物［M］.北京：中國水利電力出版社，2014.

［5］張從聯(lián)，鐘偉強，江洧.泄洪洞有壓流問題試驗研究與初探［J］.華南理工大學學報(自然科學版)，2003（7）：70 -73.

通過計算可知，堤防除險加過后，堤基滲透穩(wěn)定坡降為0.16，遠小于允許值0.25,滿足設(shè)計要求。滲流穩(wěn)定計算斷面簡圖見圖1。

3 結(jié)論

堤防設(shè)計中，堤基和堤身滲透穩(wěn)定不容忽視，堤基和堤基的防滲措施既提高堤防本身抵抗?jié)B透破壞的能力，也降低滲流對堤防的破壞能力。土工膜防滲適用于不透水料缺乏地區(qū)，其主要優(yōu)點為質(zhì)量輕、施工簡便、運輸方便、價格低廉等，目前已經(jīng)廣泛用于堤防除險加固設(shè)計中。

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圖1 滲流穩(wěn)定計算標準橫斷面簡圖

［3］GB50290-98，土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.

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[收稿日期]2016-04-15

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1002－0624（2016）09－0009－04

2016-04-29