官帽舟水電站下閘蓄水方案研究

韓小妹，陳松濱，朱 峰

(1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120;2.中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610)

官帽舟水電站位于四川省樂山市馬邊河，電站裝機(jī)容量120MW，壩址多年平均流量為63.4m3/s，水庫總庫容9733萬m3，水庫正常蓄水位674m、死水位640m。樞紐主要建筑物包括瀝青混凝土心墻土石壩、溢洪道、泄洪放空洞、長(zhǎng)引水發(fā)電系統(tǒng)、生態(tài)流量引水發(fā)電系統(tǒng)。

泄洪放空洞由導(dǎo)流洞改建而成，進(jìn)口采用龍?zhí)ь^結(jié)合型式。導(dǎo)流洞封堵和龍落尾同時(shí)施工，下閘蓄水時(shí)無法通過泄洪放空洞過流，因而無法采取文獻(xiàn)[1-5]的分期蓄水方案。瀝青混凝土心墻土石壩最大壩高為108m，上、下游壩殼料以泥質(zhì)粉砂巖為主，如果初期蓄水速度過快，可能引起心墻和壩殼變形增大，導(dǎo)致心墻致產(chǎn)生裂縫，因此官帽舟水電站初期蓄水風(fēng)險(xiǎn)較大。

針對(duì)無法分期蓄水、蓄水速度快、壩殼料為軟

巖的瀝青心墻高壩的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)通過多種蓄水方案、導(dǎo)流洞封堵方案分析比較，提出了合理的下閘蓄水時(shí)間、下閘蓄水方案和封堵方案。官帽舟水電站初期下閘蓄水的順利實(shí)施，為類似無法分期蓄水的高壩小庫工程下閘蓄水提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 下閘蓄水時(shí)間分析

官帽舟水電站溢洪道堰頂高程662m，引水隧洞進(jìn)水口底板高程631m。泄洪放空洞采用龍?zhí)ь^形式，由導(dǎo)流隧洞改建而成，其進(jìn)口底板高程為620m，泄洪放空洞縱剖面如圖1所示。根據(jù)施工組織進(jìn)度安排，下閘蓄水后導(dǎo)流洞封堵體和泄洪放空洞龍?zhí)ь^末尾段流道底板需要施工，正常情況下泄洪放空洞不宜泄洪。因此在電站未發(fā)電前，溢洪道堰頂高程662m以下無泄水通道。

圖1 泄洪放空洞半結(jié)合導(dǎo)流洞縱剖面

1.1 河道來水分析

工程主汛期在6～9月，壩址下游19km的馬邊水文站1957～2013年系列資料顯示最大洪水發(fā)生的月份統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 馬邊水文站年最大流量發(fā)生頻率統(tǒng)計(jì)

官帽舟水電站多年平均發(fā)電量4.761億kW·h，其中汛期(5～11月)發(fā)電量3.555億kW·h，汛期發(fā)電量比重占全年的75%左右。根據(jù)河流來水情況，為盡早、盡多發(fā)揮電站效益，汛前下閘蓄水經(jīng)濟(jì)上是比較合理的。

1.2 施工組織進(jìn)度分析

截至2015年4月16日，本工程首部樞紐與蓄水有關(guān)的主要工程項(xiàng)目大壩、溢洪道、放空洞、發(fā)電進(jìn)水口、生態(tài)電站進(jìn)水口等主要水工建筑物已基本建設(shè)完成，水庫淹沒范圍的移民搬遷和庫底清理已完成，工程已具備蓄水條件。

導(dǎo)流洞封堵時(shí)，正常情況下泄洪放空洞無法正常泄洪，如果在汛前蓄水，需要在主汛期起點(diǎn)6月1日之前完成導(dǎo)流洞封堵，泄洪放空洞龍落尾流道底板混凝土澆筑強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。鑒于導(dǎo)流洞封堵體施工空間作業(yè)狹小，大體積混凝土澆筑、混凝土廊道澆筑、回填灌漿、接觸灌漿、混凝土廊道回填和龍落尾流道底板混凝土澆筑，且龍落尾流道底板混凝土凝結(jié)時(shí)間需要超過90d以上[6-9]。因此官帽舟水電站下閘蓄水應(yīng)安排在主汛期(6～9月)之后。

1.3 大壩預(yù)沉降穩(wěn)定期分析

在P=75%頻率徑流下，壩址10月徑流量為55.4m3/s，12月徑流量為24.1m3/s，而次年1和2月徑流流量最小，分別為18.8m3/s和20.6m3/s，雖然次年1月徑流量最小，水庫蓄水上升速度最慢，導(dǎo)流洞下閘閘門及封堵體的封堵壓力最小，但是考慮到工程需要盡早發(fā)揮發(fā)電效益，因此主汛期后下閘蓄水時(shí)間主要由大壩預(yù)沉降穩(wěn)定期控制。官帽舟水電站瀝青混凝土心墻土石壩壩殼填筑大量泥質(zhì)粉砂巖，壩體沉降變形穩(wěn)定期長(zhǎng)。2015年4月16～24日監(jiān)測(cè)的壩頂日沉降量為2mm/d，619m高程最大沉降累計(jì)位移753mm，表明壩體的沉降變形速率仍較大，沉降未穩(wěn)定。如果2015年12月中下旬下閘蓄水，將增加8個(gè)月大壩沉降期，有利于大壩的沉降穩(wěn)定，減小水庫蓄水期間大壩沉降變形，對(duì)大壩的心墻受力更有利。

綜合以上情況分析，確定2015年12月中下旬下閘蓄水。

2 下閘蓄水方案

2.1 蓄水速度

按照四川省發(fā)改委水電工程驗(yàn)收政策要求，引水系統(tǒng)安全鑒定和機(jī)組啟動(dòng)驗(yàn)收需要在水庫下閘蓄水之后進(jìn)行。發(fā)電機(jī)組調(diào)試到正常發(fā)電需要10～40d，根據(jù)施工組織進(jìn)度安排，下閘蓄水后，無法通過放空洞、電站進(jìn)水口下泄水流，需一次連續(xù)蓄到溢洪道堰頂，通過溢洪道下泄水庫流量。

根據(jù)下閘蓄水時(shí)間(12月中、下旬)來水情況，選擇5個(gè)典型年進(jìn)行分析：豐水年1967年(10%)、豐偏枯1971年(25%)、平水年2000年(50%)、枯偏豐1982年(75%)、枯水年1987年(90%)。按照12月10日、12月20日分別開始蓄水計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 蓄至溢洪道堰頂高程(662m)的蓄水時(shí)間成果

從表2可以看出，若12月10日開始蓄水，蓄水至溢洪道堰頂高程662m，根據(jù)文獻(xiàn)[10]要求，按75%來水保證率，需要35d；若12月20日開始蓄水，蓄水至662m高程，按75%來水保證率，需要39d。645m高程以下平均蓄水上升速度約為3.68m/d，645～662m高程的蓄水上升速率約為1.10m/d。

2.2 蓄水方案

根據(jù)實(shí)際施工形象、工程布置，導(dǎo)流洞封堵施工和泄洪放空洞改建施工等綜合分析，擬定了3個(gè)蓄水方案：泄洪放空洞泄流、控制蓄水速度方案；自然來水蓄水不防應(yīng)急方案；自然來水蓄水防應(yīng)急方案。

2.2.1 泄洪放空洞泄流、控制蓄水速度方案

導(dǎo)流洞封堵閘門下閘后在未遭遇洪水的情況，蓄水至625m水位，利用泄洪放空洞閘門局部開啟泄流，控制水庫水位上升速度在2m/d，2015年枯期水庫控制水位不超過662m運(yùn)行，在水庫水位達(dá)到溢洪道堰頂高程662m后，關(guān)閉泄洪放空洞閘門，溢洪道閘門全開敞泄，當(dāng)壩體滲透穩(wěn)定和壩體邊坡穩(wěn)定時(shí)，才安排導(dǎo)流洞永久堵頭和泄洪放空洞改建段施工。在蓄水上升過程中，當(dāng)壩體出現(xiàn)滲透異常時(shí)，需要臨時(shí)開啟泄洪放空洞泄洪，降低庫水位，確保大壩安全。

圖2 泄洪放空洞龍落尾蓄水期應(yīng)急加固

該方案能采用泄洪放空洞控制水庫水位上升速度，有利于減小蓄水對(duì)壩體變形影響和觀察壩體滲漏等異常情況，有利于岸坡穩(wěn)定。

雖然導(dǎo)流洞進(jìn)口閘門和上游非結(jié)合段按照正常蓄水位設(shè)計(jì)，但是導(dǎo)流洞進(jìn)口閘門和上游非結(jié)合段是臨時(shí)工程，且上游非結(jié)合段按照設(shè)排水孔和外水壓力折減進(jìn)行設(shè)計(jì)，隨著水庫水位上升，上游非結(jié)合段漏水量大，影響導(dǎo)流洞封堵。

該方案蓄水過程中可能遭遇小洪水，當(dāng)P=20%洪水流量46.6m3/s，泄洪放空洞需要下泄最大流量為32m3/s，而導(dǎo)流洞堵頭和改建段均未施工，泄流將引起龍?zhí)ь^舌頭底板和導(dǎo)流洞頂拱沖毀，跌水回流將沖毀龍落尾處導(dǎo)流洞底板，甚至沖毀上部龍?zhí)ь^側(cè)墻與下部導(dǎo)流洞側(cè)墻之間1m厚度的薄襯砌，漏出巖石凌空面，而泥質(zhì)粉砂巖圍巖抗沖性能差，因此甚至將會(huì)危及整個(gè)龍?zhí)ь^、甚至泄洪閘門井的安全。該風(fēng)險(xiǎn)對(duì)工程是災(zāi)難性的，不能接受。

綜合上述分析表明，該方案不宜采用。

2.2.2 自然來水蓄水不防應(yīng)急方案

按照自然來水進(jìn)行蓄水，連續(xù)蓄水至溢洪道堰頂高程662m后，溢洪道閘門全開敞泄。2015年汛后控制水庫水位不超過665m運(yùn)行。蓄水過程中若壩體出現(xiàn)滲透破壞、壩體邊坡有異常時(shí)，臨時(shí)開啟泄洪放空洞泄洪。導(dǎo)流洞封堵閘門下閘后立即組織開展導(dǎo)流洞永久堵頭和泄洪放空洞改建段施工，泄洪放空洞龍落尾處導(dǎo)流洞底板不進(jìn)行保護(hù)，爭(zhēng)取縮短導(dǎo)流洞封堵和泄洪放空洞改建施工時(shí)間，降低水庫蓄水后大壩出現(xiàn)異常的風(fēng)險(xiǎn)。

本方案的優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)流洞封堵和泄洪放空洞龍落尾底板改造施工時(shí)間最短，即約需要90d，同時(shí)導(dǎo)流洞盡快封堵、泄洪放空洞龍落尾盡快改造，早日能過流，盡早消除下閘蓄水的風(fēng)險(xiǎn)。

由于初期蓄水時(shí)水庫水位上升速度很快，蓄水對(duì)壩體變形和瀝青混凝土心墻受力不利，蓄水過程中一旦大壩出現(xiàn)嚴(yán)重異常，需要緊急開啟泄洪放空洞泄水，將沖毀泄洪放空洞龍?zhí)ь^末尾改建段，甚至?xí)＜褒執(zhí)ь^和泄洪放空洞閘門井。因此本方案不宜推薦采用。

2.2.3 自然來水蓄水防應(yīng)急方案

水庫蓄水方案與方案二相同。但是為了防止在蓄水上升過程中，壩體出現(xiàn)異常，需要緊急開啟泄洪放空洞應(yīng)急泄洪。為了盡量降低泄洪放空洞泄洪跌水對(duì)龍落尾處底板的沖毀破壞程度，在導(dǎo)流洞封堵閘門下閘后立即組織開展導(dǎo)流洞臨時(shí)堵頭封堵施工，12d完成臨時(shí)堵頭封堵，導(dǎo)流洞的安全得到保證。然后在泄洪放空洞龍?zhí)ь^末尾、導(dǎo)流洞底板處布設(shè)水墊混凝土，防止導(dǎo)流洞底板被沖毀，在泄洪放空洞末尾舌尖下部導(dǎo)流洞內(nèi)布設(shè)鋼拱架，防止泄洪脈動(dòng)沖毀龍?zhí)ь^舌尖；然后開展永久堵頭和泄洪放空洞結(jié)合段改建施工。若導(dǎo)流洞堵頭和泄洪放空洞改建段基本完成后，水庫繼續(xù)蓄水至正常蓄水位。泄洪放空洞龍落尾底部加固縱剖面如圖2所示。

本方案既考慮導(dǎo)流洞進(jìn)口閘門和非結(jié)合段為臨時(shí)工程，盡早施工封堵體，以便盡早消除導(dǎo)流洞封堵體的初期蓄水時(shí)漏水風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)考慮到蓄水速度快，瀝青混凝土心墻土石壩漏水和變形裂縫的風(fēng)險(xiǎn)，需要緊急采用泄洪放空洞泄洪，泄洪放空洞龍?zhí)ь^末尾段導(dǎo)流洞采用了水墊混凝土和鋼拱架保護(hù)，導(dǎo)流洞底板和側(cè)墻沖毀程度處于可控狀態(tài)。

本方案自然來水蓄水，初期蓄水速度快，對(duì)壩體和心墻變形不利。龍落尾的加固延遲了永久封堵體施工7d，增加了初期蓄水7d風(fēng)險(xiǎn)時(shí)間。

2.2.4 推薦蓄水方案

通過3種蓄水方案的風(fēng)險(xiǎn)分析，自然來水蓄水防應(yīng)急方案綜合考慮了大壩、導(dǎo)流洞和泄洪放空洞的蓄水風(fēng)險(xiǎn)，使得風(fēng)險(xiǎn)基本可控，因此推薦采用自然來水蓄水防應(yīng)急方案。

本方案還應(yīng)抓緊機(jī)組安裝調(diào)試和啟動(dòng)驗(yàn)收準(zhǔn)備，確保2016年1月中上旬首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，第二臺(tái)機(jī)組盡可能在2016年2月中上旬投產(chǎn)發(fā)電。水庫蓄水初期運(yùn)行期間盡早讓兩臺(tái)機(jī)組發(fā)電消落水位，將水庫水位控制在665m高程以下運(yùn)行，以增加調(diào)洪庫容。

3 導(dǎo)流洞封堵方案

3.1 導(dǎo)流洞非結(jié)合段設(shè)計(jì)

導(dǎo)流洞進(jìn)口導(dǎo)0±000.00～導(dǎo)0+201.270位于泄洪放空洞北部，導(dǎo)0+201.270～導(dǎo)0+350.50(結(jié)合段起點(diǎn))位于泄洪放空洞正下方，在平面上與泄洪閘門井和泄洪龍?zhí)ь^完全重合。

導(dǎo)流洞進(jìn)口閘門按照擋正常蓄水位設(shè)計(jì)。導(dǎo)流洞非結(jié)合段全部采用鋼筋混凝土全斷面襯砌。其中進(jìn)口導(dǎo)0+000.00～導(dǎo)0+020.00段隧洞按照全水頭設(shè)計(jì)，其襯砌厚度為2.0m；導(dǎo)0+020.00～導(dǎo)0+350.50段按照水頭折減設(shè)計(jì)，隧洞襯砌厚度為1m，邊墻和頂拱均設(shè)置排水孔。

3.2 封堵方案

導(dǎo)流洞原設(shè)計(jì)封堵體位于龍落尾下部，因此鍵槽位于龍落尾下部附近的“導(dǎo)0+287.00～導(dǎo)0+298.00”段，鍵槽上游起點(diǎn)距離泄洪放空洞龍?zhí)ь^流道底板最近距離9.33m。在下閘蓄水安全鑒定分析中，通過滲流分析，繞滲距離僅9.33m，容易滲透失穩(wěn)。

考慮到導(dǎo)0+201.270～導(dǎo)0+350.50(結(jié)合段起點(diǎn))位于泄洪放空洞正下方，泄洪閘門井下部的導(dǎo)流洞為凌空面，一旦泄洪閘門井底板變形失穩(wěn)，泄洪放空洞泄洪功能失效。

由于官帽舟水庫庫容小，壩高108m，蓄水速度快，導(dǎo)流洞洞內(nèi)施工空間狹小，一旦封堵體施工進(jìn)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，封堵體會(huì)漏水，甚至射流，無法進(jìn)行二次封堵。

為了防止封堵體漏水引起難以二次封堵，且保證泄洪閘門井底部有堅(jiān)實(shí)可靠基礎(chǔ)和龍落尾有足夠長(zhǎng)的繞滲長(zhǎng)度，設(shè)置1段臨時(shí)封堵體、2段永久封堵體，其中臨時(shí)封堵體位于1#永久封堵體上游，1#封堵體和2#封堵體分別位于泄洪閘門井底部和龍落尾下部。永久封堵體按照封堵廊道分期施工，控制大體積混凝土溫度應(yīng)力變形，廊道四周能進(jìn)行固結(jié)灌漿兼作回填灌漿。官帽舟導(dǎo)流洞封堵方案如圖3所示。

2015年12月26日，臨時(shí)封堵體澆筑完畢，施工人員未按期進(jìn)行臨時(shí)封堵體的頂拱回填灌漿施工，而是進(jìn)行1#永久封堵體廊道底板和側(cè)墻澆筑施工。在臨時(shí)封堵體澆筑過程中，臨時(shí)封堵體僅有微小滲水量，影響永久封堵體施工，施工人員關(guān)閉了蝶閥。2016年1月7日，1#永久封堵體底板完成3～5m，廊道兩邊側(cè)墻澆筑5m高時(shí)，臨時(shí)封堵體頂部突然出現(xiàn)3股射流，射程約7m，射流流量約0.41m3/s，在導(dǎo)流洞出口就能明顯聽到射流瀑布聲音。從射流水持續(xù)渾濁判斷，導(dǎo)流洞進(jìn)口粘土圍堰從導(dǎo)流洞上游非結(jié)合段的排水孔或者襯砌的裂縫流出。

由于突然出現(xiàn)射流，原設(shè)計(jì)的1#永久封堵體(封堵廊道)調(diào)整為臨時(shí)封堵體，混凝土大體積澆筑，在1#永久封堵體僅有二排環(huán)向固結(jié)灌漿兼回填灌漿。2016年1月15日1#封堵體～導(dǎo)流洞結(jié)合段起點(diǎn)處側(cè)墻和頂拱排水孔開始出現(xiàn)滲水，主要是點(diǎn)滲，部分部位出現(xiàn)線滲，還未達(dá)到面滲。由于1#封堵體～導(dǎo)流洞結(jié)合段是按照折減水頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過分析，此段不宜進(jìn)行固結(jié)灌漿封排水孔，只能加快施工進(jìn)度。此時(shí)，電站2#機(jī)組開始正常發(fā)電消落庫水位，大壩初期蓄水和導(dǎo)流洞封堵的風(fēng)險(xiǎn)開始下降。在1月20日完成1#封堵體混凝土澆筑和固結(jié)灌漿。在2月24日完成2#永久封堵體廊道，3月4日～10日完成固結(jié)灌漿及回填灌漿。3月11～15日完成龍落尾流道底板混凝土澆筑。在1月15日～3月15日期間沒有出現(xiàn)新的滲水、漏水和變形等異?，F(xiàn)象。

圖3 官帽舟導(dǎo)流洞封堵縱剖面

4 總結(jié)

2015年12月16日大壩下閘蓄水，2016年1月14日水庫蓄到663m，超過溢洪道堰頂水位。2016年1月15日開始，一臺(tái)機(jī)組正式運(yùn)營，開始消落水庫水位，1月20日水庫水位消落到651m左右。其后在導(dǎo)流洞封堵施工期間，水庫水位基本保持在650～653m。

在初期蓄水過程中，壩體滲流量小，滲流清澈，壩體滲透穩(wěn)定，壩體表面和壩體內(nèi)部變形穩(wěn)定，未出現(xiàn)不均勻變形引起的裂縫。壩體初期蓄水正常，無需進(jìn)行啟動(dòng)泄洪放空洞應(yīng)急泄洪。導(dǎo)流洞封堵過程設(shè)置了1道臨時(shí)封堵體和2道永久封堵體，雖然臨時(shí)封堵體施工過程中一度出現(xiàn)射流漏水異?，F(xiàn)象，但是封堵設(shè)計(jì)方案合理預(yù)留了風(fēng)險(xiǎn)控制措施，施工完成后的導(dǎo)流洞封堵體基本不滲水。目前官帽舟水電站各樞紐建筑物已正常運(yùn)行19個(gè)月，最大滲流量?jī)H為5.7L/S。