豐滿水電站重建工程建設(shè)期非常情況下游供水措施研究

劉亞蓮

1 工程概況

豐滿水電站重建工程是按恢復(fù)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，并利用原豐滿三期電站。水庫正常蓄水位263.50 m，死水位242.00 m，豐滿三期電站安裝2 臺140 MW 機組，施工導(dǎo)流方案為老壩作為上游圍堰擋水，在左岸新建一條泄洪兼導(dǎo)流洞，利用保留的原三期2 臺機組發(fā)電與泄洪兼導(dǎo)流洞聯(lián)合導(dǎo)流。建設(shè)期老壩正常運行，三期機組正常發(fā)電，工程仍承擔(dān)防洪、供水、發(fā)電任務(wù)。供水任務(wù)主要為生產(chǎn)、生活、灌溉、城市供水等，要求最小放流量為161 m3∕s，在春灌期最小放流量為361 m3∕s，通過豐滿下游永慶反調(diào)節(jié)水庫調(diào)節(jié)，對下游均勻供水，滿足下游供水要求。樞紐布置示意如圖1所示。

圖1 樞紐布置示意圖

2 建設(shè)期非常情況下游供水通道分析

在新建溢流壩及新建機組未投入使用前，非常情況時具備泄流通道功能的建筑物如下：

（1）原三期電站。保留的原三期電站布置在左岸，為引水式地面發(fā)電廠房，進水口底板高程為215.00 m，機組單機引用流量297 m3∕s。

（2）原三期泄洪洞。原三期泄洪洞與三期引水洞共用進水口，在引水洞調(diào)壓井前分叉，出口在新壩與下游圍堰之間，出口為弧形工作閘門擋水，為有壓隧洞，弧門后為明流洞。因原三期泄洪洞穿過新壩壩基，新壩蓄水前需要進行封堵。

（3）新建泄洪兼導(dǎo)流洞。泄洪兼導(dǎo)流洞布置在左岸，在三期引水洞的山里側(cè)，為有壓隧洞，進口底板高程224.00 m，原設(shè)計進口前端巖坎頂高程245.00 m，最大泄量1 937 m3∕s。進口設(shè)檢修門、事故門各1 扇，出口設(shè)1 扇工作弧門。

（4）原溢流壩。原溢流壩布置11 個表孔，堰頂高程252.00 m。

上述的4 個通道中，原溢流壩在正常擋水，如非常情況下使用其泄流供水，因其擋水水頭高、流速大，對下游的新建大壩影響很大，另外溢流堰頂高程較高，低水位時不能放流，原溢流壩不能采用。原三期泄洪洞出口布置在新壩與下游圍堰之間，如非常情況下使用其泄流供水，對新建工程基坑的干地施工有一定影響，但影響遠(yuǎn)小于上游過流，經(jīng)采取措施基本可行。原三期電站及新建泄洪兼導(dǎo)流洞完全能滿足過流要求。因此，非常情況下，原三期電站、原三期泄洪洞、新建泄洪兼導(dǎo)流洞可作為泄流通道。

3 建設(shè)期增加非常情況下供水措施必要性

泄洪兼導(dǎo)流洞于2013 年5 月開工，2015 年6 月具備過流條件。根據(jù)工程進展及特點，建設(shè)期保證下游供水可劃分為泄洪兼導(dǎo)流洞投入運行前和泄洪兼導(dǎo)流洞投入運行后兩個階段。

（1） 泄洪兼導(dǎo)流洞投入運行前，即2014 年9月15 日至2015 年6 月30 日，該時段大壩下游圍堰開始填筑、原豐滿一二期機組退出運行，新建泄洪兼導(dǎo)流洞尚不具備泄流條件，此期間下游供水通道僅有豐滿三期發(fā)電廠1 條。當(dāng)三期發(fā)電機組因故障停機不能正常運用時，水庫將不能向下游供水。

（2）泄洪兼導(dǎo)流洞投入運行后，即2015 年7 月1 日至2019 年5 月31 日，該時段進行大壩和廠房、新建機組安裝、老壩缺口拆除和魚道等項目施工，新建泄洪兼導(dǎo)流洞完工具備泄流條件，此期間原泄洪洞已進行永久封堵，下游供水通道為豐滿三期發(fā)電廠、泄洪兼導(dǎo)流洞共2 條泄水通道。當(dāng)水庫水位降低至泄洪兼導(dǎo)流洞進口巖坎以下，其不具備啟用條件，且三期發(fā)電機組因故障停機不能正常運用時，水庫將不能向下游供水。

豐滿重建工程面臨著復(fù)雜的建設(shè)條件，一方面要確保新建工程的正常建設(shè)，另一方面要保證原豐滿水庫的各項功能正常發(fā)揮，同時，還要考慮兩者之間的相互影響問題。原豐滿工程向下游供水通道有一期8 臺機組、二期2 臺機組、三期2 臺機組、三期泄洪洞，供水保障通道多，保證率高?？裳须A段，豐滿水庫保證下游供水是通過三期電站發(fā)電泄流實現(xiàn)的，三期發(fā)電引水洞進口底板高程215.00 m，對庫水位具有較強的適應(yīng)性。但建設(shè)期為滿足導(dǎo)流要求，三期電站2 臺機組年利用小時數(shù)比重建前大幅增加，增大機組運維難度，一旦發(fā)生故障，不能向下游供水，將對下游產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此，確保下游供水，是重建工程建設(shè)期的重中之重，開展非常情況下供水措施研究是非常必要的。

4 建設(shè)期非常情況下游供水措施

4.1 泄洪兼導(dǎo)流洞投入運行前原三期泄洪洞供水措施

4.1.1 原三期泄洪洞改造方案分析

2014 年9 月15 日 至2015 年6 月30 日 期 間，新建泄洪兼導(dǎo)流洞尚在建設(shè)中，不具備泄流條件，只有三期發(fā)電向下游供水，為提高下游供水保障，此期間只有原三期泄洪洞具備泄水的可行性。原三期泄洪洞洞徑9.20 m，新壩蓄水前需要進行永久封堵。為滿足施工工期短、能夠供水放流、后續(xù)永久封堵施工時三期停機時間短等要求，經(jīng)綜合考慮，在永久封堵體上游設(shè)置臨時封堵段。臨時封堵段內(nèi)預(yù)留過流通道，三期發(fā)電運行時，利用原弧門擋水，非常情況情況下開啟弧門放流。

4.1.2 臨時封堵體布置

臨時封堵體設(shè)置在永久封堵體上游，總長40.00 m。封堵體內(nèi)預(yù)留過流通道，長15.00 m，過流孔口尺寸寬3.2 m、高3.4 m。臨時閘室長5.00 m、寬5.2 m、高3.4 m，為方便布置當(dāng)水閘門，在閘室下游10.00 m 范圍布置中墩，將過流孔口分隔成2孔，單孔尺寸寬1.6 m、高2.6 m，閘室安裝兩扇封水閘門。為防止水流沖刷封堵混凝土，滿足臨時閘門安裝精度要求，閘室擋水門位置上、下游各1 m范圍內(nèi)預(yù)埋鋼襯。為防止掏刷，在封堵段末端10.00 m 長度范圍設(shè)置漸變段，將過流斷面由矩形漸變?yōu)榘雸A形與原襯砌平順過度。在豐滿三期電廠獨立改造工程完成前，完成臨時封堵體施工，原三期泄洪洞臨時封堵段平面如圖2 所示。

圖2 原三期泄洪洞臨時封堵段平面圖（單位：cm）

4.1.3 大壩下游圍堰臨時缺口

因原三期泄洪洞出口在新壩與下游圍堰之間，在原泄洪洞泄流前，需將下游圍堰拆除臨時缺口過流。圍堰頂高程196.50 m，缺口斷面為倒梯形，底寬42.00 m，上口寬53.00 m，側(cè)向邊坡1∶2，缺口拆除底高程193.83 m。為防止圍堰底部和側(cè)向過流沖刷，缺口及左右側(cè)20 m 范圍內(nèi)鋪設(shè)0.5 m 厚鋼筋石籠防護。

4.2 泄洪兼導(dǎo)流洞投入運行后進口巖坎降低非常情況供水措施

4.2.1 新建泄洪兼導(dǎo)流洞進口巖坎降低方案分析

2015 年7 月1日至2019 年5 月31日期間，泄 洪兼導(dǎo)流洞已投入運行，因泄洪兼導(dǎo)流洞是在汛前完工，巖坎作為泄洪洞的上游圍堰，不具備開挖再降低巖坎高程的條件，進口前端巖坎頂高程245.00 m。為滿足庫水位低于245.00 m 時，泄洪兼導(dǎo)流洞仍能滿足供水要求，綜合考慮庫水位的調(diào)度情況、施工難度及供水流量等因素，確定降低進口巖坎高程。

4.2.2 進口巖坎高程和寬度

泄洪兼導(dǎo)流洞有壓泄流時，具有洞內(nèi)流態(tài)較好，可避免冬季冰凍對泄流的影響，啟用泄洪兼導(dǎo)流洞為下游供水時，考慮最低庫水位為死水位242.00 m，泄洪兼導(dǎo)流洞采用有壓式過流，為避開出口弧門的振動區(qū)及防止小開度沖刷混凝土底板，弧門開度控制在2 m。

初擬巖坎頂高程238.00、239.00、239.50 m 三個方案，巖坎寬度分別為27、49、56 m，經(jīng)水力學(xué)計算，選定巖坎高程239.50 m 方案。在庫水位242.00 m、出口弧門開度2 m 時，隧洞有壓式過流的泄流量為395 m3∕s，滿足下游供水要求。

4.2.3 降低進口巖坎設(shè)計

進口巖坎采取梯形斷面開挖，將巖坎降至高程239.50 m，底部開挖寬度56.00 m，為防止開挖巖面起伏影響泄流能力，巖坎前緣開挖底高程為239.00 m，側(cè)向開挖邊坡采用1∶1.5。為保證后期石渣不進入洞內(nèi)，將集渣坑內(nèi)石渣全部清除。新建泄洪兼導(dǎo)流洞進口巖坎剖面如圖3 所示。

圖3 新建泄洪兼導(dǎo)流洞進口巖坎剖面圖

4.3 泄洪兼導(dǎo)流洞冬季啟用措施

新建泄洪兼導(dǎo)流洞出口設(shè)1 扇8.8 m×8.8 m-76 m弧形工作閘門，弧門底檻及出口挑坎高程為193.00 m，其高程在下游水位變動區(qū)內(nèi)。本工程處于嚴(yán)寒地區(qū)，冬季出口回水區(qū)流道結(jié)冰，原設(shè)計泄洪兼導(dǎo)流洞冬季不運行，不考慮防結(jié)冰措施。為滿足建設(shè)期泄洪兼導(dǎo)流洞在冬季非常情況下啟用向下游供水，在弧門底檻部位設(shè)置了可靠性較高的電加熱融冰裝置。

4.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

融冰裝置主要由2 套拐臂式提升吊架及其配套驅(qū)動升降的手拉葫蘆、1 臺電加熱箱、1 套自動溫控裝置等組成。電加熱箱通過其箱內(nèi)的液態(tài)防凍傳熱介質(zhì)將熱量傳遞給電熱箱壁后再傳遞給箱外的冰體或低溫水體，達(dá)到底檻周圍不結(jié)冰目的，滿足泄洪兼導(dǎo)流洞啟用前關(guān)閉弧門充水的要求。

融冰裝置的每套（共2 套）拐臂式提升吊架系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)吊桿和活動吊桿組成。回轉(zhuǎn)吊桿的固定端以固定支鉸安裝在弧門左右支臂系上游側(cè)的聯(lián)系梁上，回轉(zhuǎn)吊桿的自由端與活動吊桿的中部以活動支鉸的方式聯(lián)系?；顒拥鯒U下部以活動支鉸與電加熱箱的一側(cè)吊耳聯(lián)系（共2 個吊耳），活動吊桿上部可與設(shè)置在弧門上支臂上鎖定裝置來實現(xiàn)提升吊架鎖定與解鎖。2 臺手拉葫蘆分別固定掛接在上部支臂間的連接板的錨鉤上，手拉葫蘆通過升降拉繩與位于回轉(zhuǎn)吊桿中下部的吊點聯(lián)結(jié)。由此構(gòu)成了能夠手動提升電加熱箱的四桿系統(tǒng)。自動溫控裝置安裝在弧門啟閉機室內(nèi)，電加熱箱內(nèi)設(shè)有電加熱元件、箱內(nèi)熱感應(yīng)元件，通過導(dǎo)線將傳熱介質(zhì)溫度信息傳送到自動溫控裝置，控制電加熱元件的啟停。新建泄洪兼導(dǎo)流洞出口融冰裝置結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

4.3.2 工作過程

當(dāng)初冬融冰裝置投入使用時，考慮底檻部位最大冰厚1.2 m，需先將弧門提升1.5 m 至2.0 m 的開度，操作手拉葫蘆，使活動吊桿提升約2 cm 后，解除鎖定，然后操作手拉葫蘆落提升吊架，帶動加熱箱體下落至弧門底檻上，而后宜保持起升葫蘆有一定的松弛狀態(tài)，此時即可啟動融冰裝置，實現(xiàn)融冰裝置融冰工作。

當(dāng)初春融冰裝置退出運行時，需先可靠切除融冰裝置電源，操作手拉葫蘆，提升回轉(zhuǎn)吊桿使活動吊桿帶動電加熱箱離開弧門底檻，至活動吊桿上部起升到鎖定裝置高度，投入鎖定，使提升吊架連帶電加熱箱可靠鎖定在下支臂下方，再微落手拉葫蘆使其處在自由狀態(tài)，完成融冰裝置解除融冰工作。此時，需將弧門作全關(guān)操作。電加熱箱不影響弧門起升泄水工作。融冰裝置宜在次年正溫時解除使用。

圖4 新建泄洪兼導(dǎo)流洞出口融冰裝置結(jié)構(gòu)圖

4.3.3 融冰效果

2015 年12 月至2016 年3 月，融冰裝置在冬季運行期間，裝置周圍約0.8 m 的范圍內(nèi)無結(jié)冰現(xiàn)象，保證了冬季最寒冷的時期弧門運行區(qū)域無冰，且未發(fā)生斷電、漏電等情況，總體效果較好。

5 結(jié) 語

豐滿重建工程在建設(shè)期仍然承擔(dān)原工程的下游供水任務(wù)，為提高非常情況下供水保證率，根據(jù)工程實際情況，進行了下游供水措施研究，采取分時段增加供水措施。

（1）泄洪兼導(dǎo)流洞投入運行前，在原三期泄洪洞增加臨時封堵段，在臨時封堵段預(yù)留過流通道，在泄洪兼導(dǎo)流洞投入運行后，該通道退出運行，進行永久封堵。

（2）泄洪兼導(dǎo)流洞投入運行后，將新建泄洪兼導(dǎo)流洞進口明渠的巖坎高程繼續(xù)降低至死水位以下，提高了泄洪兼導(dǎo)流洞的過流保證率。在出口弧門增加了防結(jié)冰措施，保證弧門能夠在冬季運行。

上述措施實施后，提高了非常情況供水保障能力，更好地完成建設(shè)期原工程的供水任務(wù)。