玉龍喀什水利樞紐工程初期蓄水下游供水方案選擇

魏香鴻

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆河流多以冰川積雪融水補(bǔ)給為主，降雨補(bǔ)給為輔，地下水補(bǔ)給次之。河流徑流量小，年內(nèi)分配不均，徑流主要集中在夏季6—8月。在2012年以前，水庫(kù)初期蓄水常采取下游斷流的方式確保初期蓄水能夠順利完成，如新疆JLT水電站、QFQH水利樞紐、烏魯瓦提水利樞紐等工程在初期蓄水時(shí)均采取了斷流的方式。2012年以后在環(huán)保要求下，對(duì)下游供水作為初期蓄水的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)進(jìn)行論證[1]。

目前，玉龍喀什水利樞紐正處于建設(shè)期間，擋水建筑為混凝土高面板堆石壩，最大壩高233.5m，為250m級(jí)超高混凝土面板堆石壩[2-3]。此類壩型的壩高全世界排名第三，作為世界級(jí)的水利工程，該樞紐建設(shè)總工期96月。由于本工程工期長(zhǎng)導(dǎo)致導(dǎo)流洞運(yùn)行周期較長(zhǎng)，為了水庫(kù)初期蓄水期間工程能夠滿足下游綜合用水要求，本文根據(jù)工程導(dǎo)流建筑物布置特性，擬定2組方案進(jìn)行比選，最終選定適合本工程下游的供水方案。

1 工程概況

玉龍喀什水利樞紐工程位于新疆和田河支流玉龍喀什河中游河段上，是玉龍喀什河山區(qū)河段的控制性水利樞紐工程。本工程正常蓄水位2170m，壩頂高程2175.5m，最大壩高233.5m，總庫(kù)容5.36億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容4.27億m3，死水位2080m，總裝機(jī)200MW，為Ⅱ等大(2)型工程，主要由混凝土面壩堆石壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#和2#深孔放空沖沙洞及導(dǎo)流洞等建筑物構(gòu)成?；炷撩姘宥咽瘔螢?級(jí)建筑物；表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#深孔放空沖沙洞、2#深孔放空沖沙洞、發(fā)電洞進(jìn)水口為2級(jí)建筑物；發(fā)電引水洞、發(fā)電廠房、尾水渠為3級(jí)建筑物。

玉龍喀什水利樞紐工程采用一次攔斷河床、土石圍堰全年擋水、隧洞導(dǎo)流的導(dǎo)流方式，初期導(dǎo)流圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)采用全年20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)洪峰流量為1329m3/s，導(dǎo)流建筑物級(jí)別為4級(jí)。

2 下游供水需求

本工程導(dǎo)流洞為臨時(shí)建筑物，底板高程1980.0m，與它進(jìn)口底板高程最為接近的永久泄水建筑物為2#深孔，孔口底高程為2040.0m，最大高差60m，兩建筑物中間無(wú)其它過流通道。初步設(shè)計(jì)階段工程下閘蓄水選擇在9月初，根據(jù)分析成果，在來(lái)水頻率75%保證率的情況下，水庫(kù)蓄水至2044.1m(2#深孔底板高程2040.0m)需要9d時(shí)間，蓄至死水位滿足最低發(fā)電水位要求需307d，工程上游黑山水文站多年平均徑流年內(nèi)分配見表1[4-8]。

表1 工程上游黑山水文站多年平均徑流年內(nèi)分配表

根據(jù)上表徑流分析成果，玉龍喀什河6—8月徑流量占全年徑流量的79.9%，2—6月來(lái)水占全年來(lái)水量的18.9%，而新疆作物灌溉用水高峰期為春秋兩季，工程未建成之前，灌區(qū)現(xiàn)狀為汛期產(chǎn)生大量棄水，而春秋兩季灌溉水量嚴(yán)重不足，天然來(lái)水及下游供水之間存在矛盾，下游用水過程數(shù)據(jù)見表2[4-8]。

表2 下游用水過程線 單位:m3/s

3 泄水系統(tǒng)布置必要性

目前，在壩高較小的中小型水庫(kù)中常用的方式為導(dǎo)流洞工程與永久泄水建筑物結(jié)合布置，利用永久泄水建筑物工作閘門局開控泄?jié)M足下游需用水量[9-12]。由于本工程壩體高度高，最低的永久泄水建筑物進(jìn)口與臨時(shí)導(dǎo)流建筑物進(jìn)口高達(dá)60m，初期蓄水至永久泄水建筑物進(jìn)口高程用時(shí)較長(zhǎng)，且無(wú)法利用永臨建筑物結(jié)合的方式滿足下游供水，同時(shí)9月又為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉用水高峰期，下游用水為45.2m3/s，流量較大。

本工程導(dǎo)流洞洞徑擬定為7.0m×9.5m(寬×高)，如采用工作閘門控泄方式，下泄下游供水流量的閘門開度僅20cm，過門流速高達(dá)32.3m/s。由于玉龍喀什河水含沙量較大(壩址處多年平均含沙量為5kg/m3)，高速水流對(duì)導(dǎo)流洞底板沖蝕嚴(yán)重，所以不考慮采用工作閘門局開控泄的方式。如采用控制流速的流量控制閥供應(yīng)方式，需布置4孔直徑1.8m閥門，閘井井身尺寸較大且閥門造價(jià)較高，目前應(yīng)用此類閥門均在流量小、水頭低的工程運(yùn)用，高水頭大泄量的項(xiàng)目尚無(wú)工程案例[9-12]，所以也不考慮采取設(shè)旁通閥的形式。經(jīng)綜合考慮，推薦采用單獨(dú)設(shè)置1套泄水系統(tǒng)與導(dǎo)流洞結(jié)合布置的方式來(lái)滿足初期蓄水期間下游供水。

4 生態(tài)放水系統(tǒng)布置比較

設(shè)置旁通洞作為生態(tài)放水系統(tǒng)已在新疆阿爾塔什水利樞紐工程成功運(yùn)行，并于2019年下閘蓄水，生態(tài)放水洞在下閘蓄水期間運(yùn)行良好，未對(duì)導(dǎo)流洞結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生較大的影響，驗(yàn)證了設(shè)置旁通洞方案的可行性。目前該種方式已在新疆其他項(xiàng)目前期規(guī)劃中廣泛采用。本工程借鑒已建工程成功案例，解決下游供水所面臨的問題，在確定泄水系統(tǒng)存在的必要性后，結(jié)合導(dǎo)流洞擬定2組方案，分別論述在導(dǎo)流洞進(jìn)、出口布置生態(tài)放水系統(tǒng)，以便能夠到達(dá)下游需水要求。具體方案如下：

(1)方案一：下游供水系統(tǒng)布置在導(dǎo)流洞出口

在導(dǎo)流洞布置進(jìn)口封堵閘井和出口工作閘井，在導(dǎo)流洞出口工作門前設(shè)生態(tài)放水支洞如圖1所示，并設(shè)置生態(tài)放水閘井。下閘蓄水過程：關(guān)閉出口工作閘門→打開生態(tài)放水閘門→庫(kù)水位升至2044.1m，關(guān)閉生態(tài)放水閘門→關(guān)閉進(jìn)口封堵閘門→封堵體施工。

圖1 方案一：生態(tài)放水系統(tǒng)布置示意圖

生態(tài)放水洞布置在導(dǎo)流洞出口右側(cè)(導(dǎo)流洞樁號(hào)1+036.5m處)，全長(zhǎng)222.5m；有壓洞身段為城門洞形，斷面尺寸2.5m×3.2m，縱坡0.01；閘井段長(zhǎng)11.5m、寬6.5m，底高程1966.4m，頂高程2012.0m，布置1道弧形門，孔口尺寸2.5m×2.5m；無(wú)壓洞身段為城門洞形，斷面尺寸2.5m×4.2m，縱坡1%。根據(jù)下游綜合需水的要求，生態(tài)放水洞最大下泄流量為45.2m3/s。

(2)方案二：下游供水系統(tǒng)布置在導(dǎo)流洞進(jìn)口

導(dǎo)流洞內(nèi)布置有進(jìn)口閘井，導(dǎo)流洞樁號(hào)0+081.2m處設(shè)生態(tài)放水支洞如圖2所示，并設(shè)置生態(tài)放水閘井。下閘蓄水過程：關(guān)閉進(jìn)口閘井閘門→打開生態(tài)放水閘門→庫(kù)水位升至2044.1m，關(guān)閉生態(tài)放水閘門→封堵體施工。

圖2 方案二：生態(tài)放水系統(tǒng)布置示意圖

生態(tài)放水洞布置在導(dǎo)流洞進(jìn)口左側(cè)(導(dǎo)流洞樁號(hào)0+035.5m處)，全長(zhǎng)147.5m；城門洞形，斷面尺寸2.5m×3.2m，閘井前盲洞段縱坡0%；閘井后洞段縱坡1%，洞身斷面由2.5m×3.5m的城門洞型斷面漸變至2.5m×3.5m的矩形斷面。閘井段長(zhǎng)18.1m、寬10.1m，設(shè)置1道事故門及1道弧形門。出口與導(dǎo)流洞軸線交角為45°，生態(tài)放水洞最大下泄流量同方案一。

(3)方案比較

方案一：優(yōu)點(diǎn)是出口閘井及生態(tài)放水洞閘井的設(shè)備均可拆除利用，水流可直接投入河床，對(duì)導(dǎo)流洞影響較小；缺點(diǎn)是導(dǎo)流洞需分別在進(jìn)出口布置2座閘井，工程投資較大。

方案二：優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)流洞系統(tǒng)布置較為簡(jiǎn)單，只需進(jìn)口設(shè)置1處封堵閘井，工程投資較小；進(jìn)口閘門下閘水頭較小，下閘風(fēng)險(xiǎn)低；缺點(diǎn)是臨時(shí)供水由生態(tài)放水洞直接投入至導(dǎo)流洞，對(duì)導(dǎo)流洞洞身會(huì)產(chǎn)生沖刷影響。

經(jīng)綜合比較，方案二具有工程投資較小，導(dǎo)流洞系統(tǒng)布置簡(jiǎn)單，進(jìn)口閘井下閘水頭小等優(yōu)點(diǎn)，作為推薦方案。

(4)推薦方案

生態(tài)放水洞全長(zhǎng)146.7m，其中盲洞段長(zhǎng)92.5m，閘井段長(zhǎng)18.1m，無(wú)壓洞身段長(zhǎng)36.1m。盲洞段進(jìn)口底板高程為1983.0m，縱坡i=0，樁號(hào)0-110.6—0-018.1m為城門洞型段，0-028.1—0-018.1m為漸變段，洞身斷面由2.5m×3.5m的城門洞型斷面漸變至2.5m×3.5m的矩形斷面。

生態(tài)放水閘井位于生態(tài)洞中部，為豎井式閘井。閘井長(zhǎng)18.1m、底寬10.1m、高69m，底板高程1983.0m，閘頂高程2052.0m。事故門孔口尺寸(寬×高)為2.5m×3.5m，采用前止水。工作閘門采用弧形門，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉，門高2.5m，弧門半徑5m；0+000m—0+010m為漸變段，洞身斷面由2.5m×3.6m的城門洞型斷面漸變至3m×3.6m的城門洞型斷面，縱坡i=1/100。

樁號(hào)0+010.000～0+036.085m為無(wú)壓洞身段，洞身斷面為3m×3.6m的城門洞。生態(tài)洞與導(dǎo)流洞相交點(diǎn)樁號(hào)為導(dǎo)0+039.0m，生態(tài)洞底板較導(dǎo)流洞高出約3.0m，與導(dǎo)流洞軸線交角為45°。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)工程初期蓄水過程在10～15d，借此工程論述了下游在這期間需水的迫切性，強(qiáng)調(diào)了增加泄水系統(tǒng)布置的必要性，最終提出在導(dǎo)流洞進(jìn)口加旁通洞的最優(yōu)方案，以此解決導(dǎo)流洞小開度所面臨的高速水流引起的沖蝕問題。

(2)玉龍喀什水利樞紐工程已完成截流，生態(tài)放水洞已實(shí)施完成，該系統(tǒng)能夠最大限度地解決初期蓄水時(shí)段天然來(lái)水與下游供水的矛盾，實(shí)現(xiàn)了在初蓄水期間也可以向下游提供生態(tài)需水的要求，工程投資相對(duì)較小，節(jié)省工期，運(yùn)行方式簡(jiǎn)單且安全系數(shù)高具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于工程盡快發(fā)揮效益起到了至關(guān)重要的作用。