江坪河水電站水庫下閘蓄水方案研究

楊鳳英，吉 鵬

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

下閘蓄水是水電工程建設中重要的里程碑，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，下閘蓄水條件復雜，一般初期蓄水期為導流設施下閘至蓄水至死水位。江坪河水電站水庫初期蓄水期為導流洞下閘水庫開始蓄水起，至水庫蓄水至正常蓄水位止。根據(jù)水庫蓄水期間的具體特點，水庫初期蓄水期分為2個階段：①從導流洞下閘起至水庫蓄水至死水位427 m止，此階段水庫蓄水主要受導流洞封堵施工和首臺機組發(fā)電目標制約；②從死水位427 m起至水庫蓄水至正常蓄水位470 m止，此階段水庫蓄水主要受大壩安全制約。由于大壩安全和導流洞封堵施工安全對蓄水位控制提出了嚴格要求，何時下閘、如何蓄水，成為江坪河水電站下閘蓄水方案研究的重點。

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，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)庫容6.78億m3，庫容系數(shù)27%，汛期6月～7月為下游預留2億m3防洪庫容，防洪限制水位459.70 m，電站裝機容量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225 MW水輪發(fā)電機組，采用隧洞導流方式，設有1條導流洞，進水口底板高程293.5 m。

截至2019年10月底，大壩已全斷面填筑至設計高程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行條件，1號溢洪道已具備運行條件，2號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，下游河道護岸及霧化區(qū)防護工程已完成，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，整個工程形象面貌滿足導流洞2019年11月上旬下閘蓄水條件。根據(jù)施工進度計劃，下閘后堵頭施工需要約8個月時間。

3 下閘蓄水的主要制約因素

3.1 水庫蓄水位控制

為滿足導流洞堵頭施工安全，永久堵頭混凝土澆筑期間由封堵閘門(或臨時堵頭)擋水，要求遭遇時段11月～次年4月20年一遇洪水時，水庫水位不超過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m2，蓄水水位越高，壩體和面板對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，導致裂縫產(chǎn)生。為確保大壩安全，水庫蓄水過程中應嚴格控制水位上升速率，選擇合適的蓄水位停留一段時間，對大壩的應力、變形、滲漏等情況觀測后，再進一步蓄水。綜合壩體結(jié)構(gòu)計算分析、大壩施工進度安排等因素，參考類似工程經(jīng)驗，水庫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，當水位達到427 m高程，暫停蓄水，至少維持該水位觀測2個月；④ 427～448 m高程，蓄水上升速率按≤1.0 m/d控制；當水位達到448 m高程，暫停蓄水，至少維持該水位觀測15 d；⑤448～459.70 m高程，蓄水上升速率按≤0.5 m/d控制；當水位達到459.70 m高程，暫停蓄水，至少維持該水位觀測15 d；⑥459.70～470 m高程，蓄水上升速率按≤0.3 m/d控制。

3.3 首臺機組投產(chǎn)時間

根據(jù)江坪河水電站工程進度安排，首臺機組計劃于2020年7月投產(chǎn)發(fā)電，機組調(diào)試時間按1個月考慮，水庫應于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，淋溪河對江坪河進行反調(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

江坪河水庫庫容大，蓄至正常蓄水位歷時長，綜合考慮大壩安全、封堵施工安全、機組發(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，嚴格控制蓄水進程和上升速率，同時蓄水進程須根據(jù)大壩監(jiān)測分析資料穩(wěn)妥推進。

(2)在充分確保工程安全的前提下，滿足首臺機組發(fā)電節(jié)點目標，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)水庫蓄水期間，須保障下游用水要求。

5 下閘時機選擇

5.1 封堵閘門操作分析

根據(jù)工程實際施工情況及總體進度計劃，導流洞最早于2019年11月上旬具備下閘條件。江坪河導流洞封堵閘門設計操作水頭9.30 m，啟閉機平臺高程348 m，導流洞下閘設計流量采用下閘時段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)計算分析，若4月～10月下閘，封堵閘門前庫水位上升速度過快，不能滿足閘門操作水頭要求，且下閘后庫水位上升至啟閉機平臺所需時間較短，人員及設備無法及時撤離；若11月～次年3月下閘，可以滿足封堵閘門操作水頭要求，人員及設備也可安全撤離。因此，江坪河水電站下閘時間應安排在11月～次年3月。

5.2 施工組織進度分析

導流洞下閘封堵后水庫開始蓄水，庫水位低于泄洪放空洞進水口底板高程370 m之前，無泄流條件，超過370 m高程后，水庫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間是下閘后4.4個月，若2020年1月及以后下閘，永久堵頭混凝土施工進入汛期，遭遇20年一遇施工期標準洪水時，即使通過泄洪放空洞泄水，起調(diào)水位按370 m考慮，壩前最高水位也達到420.32 m，超過封堵閘門(或臨時堵頭)設計擋水水位414.4 m。因此，下閘時間不宜安排在2020年1月及以后。

5.3 首臺機組發(fā)電目標分析

在上述分析結(jié)果的基礎上，以2020年7月首臺機組發(fā)電為目標，對2019年11月、12月下閘方案進行研究，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機組發(fā)電目標。

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

6 導流洞下閘～死水位427 m蓄水方案

由于各種原因，導流洞已過流運行11年，超期服役，雖進行補強加固處理，仍存在不利因素，從降低導流洞封堵施工風險角度，堵頭施工期應盡可能降低水位，控制水庫蓄水速度。然而為滿足2020年7月首臺機組發(fā)電目標及提高蓄水保證程度，應盡快蓄水，以保證2020年6月庫水位蓄至死水位427 m。為協(xié)調(diào)導流洞封堵施工風險與首臺機組發(fā)電目標的矛盾，需重點研究泄洪放空洞何時下閘、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月底水庫最低需分別蓄至340.83、358.61、385.17 m。考慮到泄洪放空洞只能對底板高程370 m以上的水位進行控制，因此，泄洪放空洞閘門應于3月下閘控制水位。

在2019年11月上旬導流洞下閘，同時滿足第3節(jié)水位控制要求的基礎上，以2020年7月首臺機組發(fā)電為目標，對泄洪放空洞閘門3月上旬、中旬、下旬下閘進行計算。結(jié)果表明，導流洞11月上旬下閘、泄洪放空洞3月中旬下閘至4月底控制庫水位不超過410 m情況下，可以滿足首臺機組發(fā)電目標。

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

(1)2019年11月1日導流隧洞下閘后，水庫開始蓄水，高程370 m以下對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，控制庫水位不高于410 m，期間水庫水位從370 m蓄水至400 m，蓄水速率控制不大于2 m/d；水庫水位從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)條件復雜等特點，混凝土面板堆石壩壩頂高程476 m，河床趾板基礎高程257 m，庫水位蓄至死水位427 m、溢洪道堰頂高程448 m、防洪限制水位459.7 m時，蓄水高度已達到170、191、202.7 m。為保證大壩安全，宜在不同的蓄水水位進行多階段觀測運行，待大壩和面板穩(wěn)定后，再進一步蓄水。為此，在上述第6節(jié)從導流洞下閘至死水位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，對死水位427 m至正常蓄水位470 m的蓄水過程擬定了5個方案：①“連續(xù)分級蓄水”方案，該方案不考慮長時間分段水位控制，只滿足第3節(jié)所述的蓄水速度控制和停留觀測時間要求，直至庫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年時間)，之后再蓄水至正常蓄水位，這是滿足機組發(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水位運行期間可利用溢洪道敞泄，無需頻繁操作閘門控制水位，運行調(diào)度非常便利，且在該水位下機組受阻容量很小，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數(shù)，考慮庫水位蓄至死水位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個月，之后再進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，采用長系列時歷法進行滑動計算，對上述各個方案水庫初期蓄水歷時和初期發(fā)電效益進行計算。計算成果見表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個方案中方案二在死水位427 m停留的時間最長，水位控制最嚴格，導致最大可利用調(diào)節(jié)庫容和最大可利用容量最小，相應的初期發(fā)電效益較差；方案一、三、四最大可利用調(diào)節(jié)庫容和最大可利用容量差別不大，初期發(fā)電效益相對較好；方案五按多水位分段蓄水，縮短了427 m水位停留時間，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，同時也有利于分階段監(jiān)測和分析不同蓄水位情況下的大壩運行安全狀況。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；當水位達到427 m高程時暫停蓄水，維持該水位觀測3個月，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；當水位達到448 m高程時暫停蓄水，維持該水位觀測3個月，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；當水位達到459.70 m高程時暫停蓄水，維持該水位觀測至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

江坪河水庫下閘蓄水條件復雜，限制因素多，蓄水歷時長，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可操作性較強的下閘蓄水方案。2019年11月上旬江坪河水庫正式下閘蓄水后，蓄水過程正按推薦方案穩(wěn)步推進，本工程下閘蓄水方案的研究思路和方法對類似工程具有一定借鑒意義。