考慮生態(tài)流量的水電站下閘蓄水方案研究

梁現(xiàn)培，鄔 志，蔡建國(guó)，鄧 淵，張志鵬

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 311122)

水電開發(fā)不可回避帶來不利的生態(tài)影響，包括河道減水對(duì)下游水生生態(tài)的影響、大壩阻隔對(duì)魚類的影響、水庫下泄低溫水影響、庫區(qū)水文情勢(shì)改變對(duì)水生生態(tài)、陸生生態(tài)影響等。其中河道減水相關(guān)的下泄生態(tài)環(huán)境流量問題一直備受關(guān)注。

西部某水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，距巧家縣城45 km，工程樞紐攔河壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程834 m，最大壩高289 m。

1 施工導(dǎo)流方案和問題提出

本工程施工導(dǎo)流采用全年斷流圍堰、隧洞導(dǎo)流方式[1]。施工導(dǎo)流階段劃分為初期導(dǎo)流、中期導(dǎo)流和后期導(dǎo)流三個(gè)階段。

1)初期導(dǎo)流階段——圍堰擋水，導(dǎo)流洞導(dǎo)流。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，Qp=2%=28 700 m3/s，上游圍堰堰頂高程658 m，下游圍堰堰頂高程628 m，1～4號(hào)導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程585 m，5號(hào)導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程605 m，出口高程均為574 m。

2)中期導(dǎo)流階段——大壩封拱灌漿超過堰頂高程，壩體具備擋水條件，導(dǎo)流洞部分下閘至全部導(dǎo)流洞下閘之前，Qp=1%=31 100 m3/s。

3)后期導(dǎo)流階段——仍由壩體擋水，從全部導(dǎo)流洞下閘封堵至全部導(dǎo)流泄水建筑物封堵，Qp=0.5%=33 400 m3/s。

該水電站工程導(dǎo)流泄水建筑物較為復(fù)雜。左、右岸分別布置3條和2條導(dǎo)流洞，參與初中期導(dǎo)流，洞室斷面17.5 m×22 m(寬×高)，布置如圖1所示；壩體設(shè)置6個(gè)導(dǎo)流底孔，參與中后期導(dǎo)流，底檻高程均為630.00 m，1～5號(hào)導(dǎo)流底孔孔口尺寸為5.5 m×10 m，孔身斷面尺寸為5.5 m×11 m；6號(hào)導(dǎo)流底孔孔口尺寸為5 m×7 m，孔身斷面尺寸為5 m×10.5 m。壩身布置6個(gè)表孔和7個(gè)深孔，參與后期導(dǎo)流，布置如圖2所示。表孔堰頂高程810.00 m，孔口斷面尺寸為14 m×15 m；深孔布置在表孔閘墩下方，底檻高程為726.11～714.18 m，孔口尺寸5.5 m×8 m。

圖1 導(dǎo)流洞平面布置圖

圖2 大壩壩身導(dǎo)流底孔、泄洪深孔、泄洪表孔立面布置圖

導(dǎo)流洞封堵之后，水庫水位未到達(dá)導(dǎo)流底孔進(jìn)口高程前，工程的下泄流量減小，甚至完全斷流，會(huì)對(duì)下游生態(tài)環(huán)境造成的影響。為此需要考慮河道生態(tài)流量，針對(duì)施工導(dǎo)流過程展開仔細(xì)研究，建立合理的導(dǎo)流泄水建筑物下閘方案。

2 導(dǎo)流泄水建筑物封堵期間下游供水要求

經(jīng)調(diào)查，本工程電站壩址下游-下游水電站水庫汛限水位時(shí)的庫尾區(qū)間段內(nèi)沒有從河道取水的設(shè)施，無工、農(nóng)業(yè)和生活用水要求。因此，壩下河段生態(tài)需水主要考慮維持金沙江干流水生生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和維持河流水環(huán)境質(zhì)量的水量，施工期間下游河道不允許出現(xiàn)脫水情況。

關(guān)于生態(tài)流量泄放，要求初期蓄水期間應(yīng)通過優(yōu)化下游電站運(yùn)行調(diào)度，保證下游電站水庫運(yùn)行水位與本工程壩址尾水相銜接，在水位銜接情況下，按640 m3/s流量下泄，水位不銜接時(shí)，按1 160 m3/s流量下泄。

3 考慮河道生態(tài)流量的導(dǎo)流洞與導(dǎo)流底孔下閘封堵方案研究

3.1 導(dǎo)流洞下閘方案

導(dǎo)流洞與導(dǎo)流底孔下閘過程中，為同時(shí)滿足下游供水要求(生態(tài)流量需求)，進(jìn)行了下閘程序分析[2-4]。根據(jù)施工進(jìn)度安排，第11年4月中旬水庫蓄水前，必須封堵5條導(dǎo)流洞，考慮到導(dǎo)流洞有5個(gè)堵頭的施工和尾水隧洞的改建項(xiàng)目，工作面多，工序復(fù)雜、施工干擾突出、施工條件差，為減小施工強(qiáng)度，推薦導(dǎo)流洞分批下閘封堵方案。

第一批1、5號(hào)導(dǎo)流洞下閘后，仍有2～4號(hào)導(dǎo)流洞泄流。第二批2～4號(hào)導(dǎo)流洞計(jì)劃于第10年11月中旬下閘，導(dǎo)流洞下閘過程中既要考慮下閘難度，又要考慮下游生態(tài)流量，因此需研究導(dǎo)流洞的下閘程序，為此研究了3條洞同時(shí)下閘、2號(hào)洞下閘后再下閘3、4號(hào)洞和逐次下閘等3個(gè)下閘程序方案，比較成果見表1。

表1 第二批導(dǎo)流洞(2～4號(hào))下閘程序比較表

由表1可知，三個(gè)下閘方案均存在導(dǎo)流洞下閘后下游斷水現(xiàn)象，但斷水時(shí)間很短，斷水時(shí)間均小于10 h，且各下閘方案斷水歷時(shí)相差不大?？紤]到屆時(shí)下游水電站已正常運(yùn)行，而11月份下游水電站水庫運(yùn)行水位達(dá)600.00 m，大壩下游水位已高于天然河道水位。因此短暫的斷水，不會(huì)造成下游河道脫水問題，逐次下閘方案的4號(hào)導(dǎo)流洞下閘水頭明顯大于另兩個(gè)下閘方案，下閘難度更大。但考慮到本工程第二批2～4號(hào)導(dǎo)流洞下閘時(shí)，上游電站已投產(chǎn)運(yùn)行，可短時(shí)間控制下泄流量，滿足最后一條導(dǎo)流洞下閘時(shí)的水頭控制要求，為盡可能減少斷水時(shí)間，滿足生態(tài)流量泄放要求，選擇逐次下閘程序方案。

表2 導(dǎo)流洞下閘、封堵程序表

3.2 導(dǎo)流底孔下閘方案

導(dǎo)流底孔均布置在壩體630.00 m高程，6個(gè)導(dǎo)流底孔封堵閘門均采用鋼閘門，其中只有6號(hào)導(dǎo)流底孔為滿足下泄生態(tài)流量要求，在出口設(shè)置弧形閘門控制泄流。因此6號(hào)導(dǎo)流底孔安排在最后下閘，1～6號(hào)導(dǎo)流底孔整體下閘順序按照左右岸基本對(duì)稱的原則，首先1號(hào)孔和5號(hào)孔同時(shí)下閘、再逐個(gè)下閘3、4、2號(hào)孔，最后由6號(hào)孔出口弧門按生態(tài)流量下泄。

第10年11月中旬2～4號(hào)導(dǎo)流洞下閘至第11年4月導(dǎo)流洞堵頭施工期，受導(dǎo)流洞封堵閘門允許擋水水頭及庫區(qū)移民搬遷進(jìn)度控制，庫水位須控制在660.35 m以下。而為了滿足水庫蓄水及首批機(jī)組發(fā)電要求，第11年5月底水庫水位需要上升至760.0 m。

一方面蓄水進(jìn)度要求盡快達(dá)到發(fā)電高程，另一方面，4月上旬下游水電站壩前水庫平均運(yùn)行水位僅為564.1 m(壩址處河底高程為575 m左右)，如果完全下閘蓄水，壩址下游河床存在脫水段，不滿足環(huán)評(píng)要求。

因此必須考慮導(dǎo)流底孔下閘水頭的可行性、下游生態(tài)流量限制要求、水庫蓄水進(jìn)度節(jié)點(diǎn)、下游水庫運(yùn)行水位等條件，設(shè)計(jì)和研究導(dǎo)流底孔的下閘程序?？紤]上述邊界條件，擬定如下兩個(gè)導(dǎo)流底孔下閘過程中生態(tài)流量泄放方案：

1)導(dǎo)流底孔下閘程序方案一。不考慮下游電站庫水位與本工程尾水銜接條件。從導(dǎo)流底孔下閘開始至壩體深孔滿足運(yùn)行期生態(tài)流量1 160 m3/s為止，力爭(zhēng)全程按1 160 m3/s下泄。據(jù)此思想，擬定導(dǎo)流底孔下閘程序。

1、5、4、3號(hào)導(dǎo)流底孔分批次下閘過程中，由剩余導(dǎo)流導(dǎo)流底孔敞泄，可滿足1 160 m3/s流量下泄要求。2號(hào)導(dǎo)流底孔下閘前，需6號(hào)底孔單孔泄量達(dá)到1 160 m3/s，相應(yīng)要求大壩上游水位到708.4 m，由于1～5號(hào)導(dǎo)流底孔啟閉機(jī)平臺(tái)高程為691 m，為不淹啟閉機(jī)平臺(tái)，2號(hào)導(dǎo)流底孔需在大壩上游水位蓄至691 m之前下閘，考慮一定的安全余度，編制了2號(hào)孔在水位上升至688.0 m和680.0 m時(shí)下閘兩個(gè)方案。兩方案下閘水位對(duì)應(yīng)的6號(hào)導(dǎo)流底孔的敞泄流量分別為980.4 m3/s和900.3 m3/s。此時(shí)上游相鄰水電站已發(fā)電，若按上游水電站滿發(fā)流量計(jì)算，本工程大壩上游水位從688.0、680.0 m蓄至708.4 m分別約為2 d和2.6 d；多年平均流量情況下，約10 d?？紤]降低下閘難度，2號(hào)底孔選用680 m下閘方案。2號(hào)底孔下閘后，大壩上游水位繼續(xù)蓄水至708.4 m，6號(hào)底孔下泄流量達(dá)到1 160 m3/s，6號(hào)底孔出口弧門開始控制下泄流量保持在1 160 m3/s。水位繼續(xù)上升至724.0 m時(shí)，由6號(hào)底孔和泄洪深孔聯(lián)合控制下泄流量保持在1 160 m3/s。水位繼續(xù)上升至732.04 m，此時(shí)泄洪深孔下泄流量達(dá)到1 160 m3/s，關(guān)閉6號(hào)底孔出口弧門，然后靜水下閘6號(hào)底孔進(jìn)口閘門。第11年11月中旬開始進(jìn)行1～6號(hào)導(dǎo)流底孔的封堵。方案一的1～6號(hào)導(dǎo)流底孔下閘過程及泄量變化見表3。

表3 方案一導(dǎo)流底孔下閘、封堵程序表

2)導(dǎo)流底孔下閘程序方案二?？紤]下游電站庫水位與本工程尾水銜接條件。下游水電站庫水位在580 m以上時(shí)，壩址下游河道不會(huì)斷流，可按640 m3/s下泄，當(dāng)下游水電站庫水位消落至580 m以下時(shí)，按1 160 m3/s下泄。

2號(hào)導(dǎo)流底孔需在6號(hào)底孔單孔下泄流量達(dá)到640 m3/s以后下閘，查6號(hào)底孔泄流曲線，相應(yīng)大壩上游水位658.8 m，低于2號(hào)底孔啟閉機(jī)平臺(tái)高程691 m，具備下閘條件。在大壩上游水位蓄至658.8 m時(shí)2號(hào)底孔下閘，6號(hào)底孔出口弧門按流量640 m3/s控制下泄；當(dāng)下游水電站庫水位消落至580 m以下時(shí)，6號(hào)底孔按1 160 m3/s下泄，根據(jù)蓄水過程，下游水電站庫水位從598 m開始消落至580 m的時(shí)間約為25 d，按多年平均來流量測(cè)算，此時(shí)上游水位已蓄至728.18 m，泄洪深孔也已參與過流，滿足6號(hào)底孔與深孔聯(lián)合控泄1 160 m3/s的最低水位要求；6號(hào)底孔與泄洪深孔按1 160 m3/s流量控泄，水位繼續(xù)上升至732.05 m，此時(shí)泄洪深孔下泄流量達(dá)到1 160 m3/s，關(guān)閉6號(hào)底孔出口弧門，然后靜水下閘6號(hào)底孔進(jìn)口封堵閘門，第11年11月中旬開始進(jìn)行1～6號(hào)導(dǎo)流底孔的封堵。方案二的1～6號(hào)導(dǎo)流底孔詳細(xì)下閘過程及下泄流量變化見表4。

3.3 小 結(jié)

方案一不考慮下游水電站庫水位條件，在多年平均流量情況下，約有10 d內(nèi)下泄流量在900～1 160 m3/s之間，略低于1 160 m3/s；若能協(xié)調(diào)上游水電站在此時(shí)段內(nèi)機(jī)組滿發(fā)，則下泄流量低于1 160 m3/s的時(shí)間僅為2.6 d，基本上可實(shí)現(xiàn)全程按1 160 m3/s流量下泄。方案二考慮了下游水電站庫水位與本工程尾水銜接的情況，泄量約束更為寬松，可滿足生態(tài)流量要求。具體實(shí)施過程中，可根據(jù)下游水電站庫水位實(shí)際情況進(jìn)行決策，選擇既有利于工程蓄水，同時(shí)也能滿足生態(tài)流量要求的導(dǎo)流底孔下閘封堵方案。

4 結(jié) 語

水電站導(dǎo)流建筑物下閘過程中需要綜合考慮蓄水進(jìn)度、下閘難度、下游供水、施工組織、生態(tài)流量、上游電站出力和泄流以及下游電站運(yùn)行水位等條件和要求，研究選擇導(dǎo)流泄水建筑物的下閘封堵程序。本文結(jié)合西部某水電站導(dǎo)流，主要考慮下閘難度和生態(tài)流量選擇了逐個(gè)下閘導(dǎo)流洞的方案；考慮蓄水進(jìn)度、下閘難度、生態(tài)流量、上游電站泄量等條件，區(qū)分下游電站水位情況給出了兩個(gè)導(dǎo)流底孔下閘方案。對(duì)大型水利水電工程的建設(shè)技術(shù)與生態(tài)文明兼顧融合有一定的參考意義。