水電站主閥改造期間庫(kù)水位控制方案優(yōu)化與分析

楊向上

(安徽佛子嶺水電有限公司,安徽 六安 237272)

0 前言

正常情況下,水電站主閥改造無(wú)須額外采用庫(kù)水位控制措施,只需全關(guān)進(jìn)口檢修閘門(mén)即可切斷壓力鋼管中水源,開(kāi)展下游側(cè)相關(guān)作業(yè)。佛子嶺水庫(kù)建成已近70 a,進(jìn)口檢修閘門(mén)門(mén)槽銹蝕嚴(yán)重,滲漏水量較大,由于門(mén)槽嵌入水下壩體內(nèi),只能采取水下封堵。人工水下封堵安全要求高,專業(yè)技術(shù)性強(qiáng),對(duì)作業(yè)區(qū)水壓力有嚴(yán)格限制,庫(kù)水位越低越有利于施工作業(yè)[1]。淠河灌區(qū)承擔(dān)40萬(wàn)hm2農(nóng)田灌溉任務(wù),向合肥、六安、霍山等重點(diǎn)城鎮(zhèn)供水,佛子嶺水庫(kù)是重要水源地,庫(kù)水位汛后蓄水不可能因?yàn)樗娬靖脑於趴账畮?kù)或者水位降得太低。為滿足施工條件適當(dāng)降低庫(kù)水位必須兼顧第二年灌溉蓄水,確保農(nóng)業(yè)糧食安全(淠史航灌區(qū)糧食產(chǎn)量占安徽全省的1/4)。針對(duì)這一系列矛盾,經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析潛水作業(yè)規(guī)范、檢修閘門(mén)擋水狀況、水庫(kù)蓄供水研判等綜合因素,對(duì)庫(kù)水位控制方案調(diào)整優(yōu)化,并合理壓縮工期,在保灌前提下適當(dāng)降低水位,以高于正常檢修水位下完成施工。

1 工程概況

佛子嶺水庫(kù)建成于1954年,享有“新中國(guó)第一壩”美稱,是一座以防洪、灌溉為主,結(jié)合發(fā)電、供水等綜合利用的大(2)型水利水電樞紐工程。水庫(kù)壩址以上控制流域面積1 840 km2(其中磨子潭水庫(kù)570 km2、白蓮崖水庫(kù)745 km2、佛-磨-白區(qū)間525 km2),占淠河全流域的30.7%。佛子嶺水庫(kù)為年調(diào)節(jié)水庫(kù),總庫(kù)容4.91億m3、調(diào)洪庫(kù)容1.56億m3、興利庫(kù)容2.71億m3。水庫(kù)承擔(dān)下游20年一遇防洪任務(wù),保護(hù)下游霍山縣城和六安市130萬(wàn)人口、4.8萬(wàn)hm2耕地及沿途重要基礎(chǔ)設(shè)施,與上游磨子潭、白蓮崖水庫(kù)及西淠河響洪甸水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用,設(shè)計(jì)灌溉面積44萬(wàn)hm2,向合肥市、六安市、霍山縣等沿途城鎮(zhèn)供水。磨子潭水庫(kù)是佛子嶺水庫(kù)的上游梯級(jí)水庫(kù),總庫(kù)容3.47億m3、調(diào)洪庫(kù)容1.91億m3。電站總裝機(jī)63.1 MW,設(shè)計(jì)年發(fā)電量1.81億kW·h,多年平均發(fā)電量1.29億kw·h。

佛子嶺水電站投運(yùn)已近70 a,原有機(jī)電設(shè)備老化陳舊,能耗高,效率低,安全可靠性差。為了確保電站安全運(yùn)行,充分利用水能資源,維護(hù)河流健康生態(tài),更高效發(fā)揮水庫(kù)綜合效益,2016年4月,依據(jù)財(cái)政部、水利部下發(fā)的文件精神,省水利廳、財(cái)政廳批復(fù)佛子嶺、磨子潭水電站增效擴(kuò)容改造工程,總投資13 806萬(wàn)元,是全國(guó)最大的“十三五”農(nóng)村小水電增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目,工程任務(wù)主要包括：對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組選型更換,更新主變主閥,改建開(kāi)關(guān)站,配置計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),增設(shè)河流生態(tài)流量監(jiān)視裝置及加固生產(chǎn)廠房等,其中,主閥閥體銹蝕機(jī)構(gòu)不靈,不能快速關(guān)閉,存在極大安全隱患,為第一項(xiàng)改造工作任務(wù)[2]。

2 庫(kù)水位控制方案可行性

佛子嶺、磨子潭、白蓮崖、響洪甸四大水庫(kù)既串聯(lián)又并聯(lián)的水庫(kù)群,增加了水庫(kù)群向下游淠河灌區(qū)供水調(diào)度的靈活性,緩解了供水矛盾,提高了供水效益。4庫(kù)多年平均徑流總量26.8億m3,興利總庫(kù)容17.5億m3,多年向下游平均供水量13.57億m3,通過(guò)合理調(diào)配,基本滿足各部門(mén)用水需求。

2.1 檢修閘門(mén)現(xiàn)狀

佛子嶺大壩主體為鋼筋混凝土連拱壩,18#垛內(nèi)引水鋼管安裝1#、2#、3#水輪發(fā)電機(jī)組,19#垛內(nèi)引水鋼管安裝4#、5#機(jī)組,鋼管直徑均為φ1.975 m,進(jìn)口檢修閘門(mén)為潛孔式平面定輪鋼閘門(mén),底檻高程86.39 m,結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 佛子嶺18#、19#垛發(fā)電鋼管進(jìn)口檢修門(mén)結(jié)構(gòu)

佛子嶺18#、19#垛發(fā)電鋼管進(jìn)口檢修門(mén)主要參數(shù)：

孔口尺寸(b×h)：1.9 m×3.64 m(斜高)

底檻高程：86.39 m

設(shè)計(jì)水位：上游112.56 m,下游無(wú)水

校核水位：上游115.56 m,下游無(wú)水

啟閉機(jī)：100 kN固定式卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)

運(yùn)行條件：靜水啟閉

磨子潭大壩為混凝土雙支墩肋墩壩,9#垛內(nèi)引水鋼管安裝1#、2#、3#機(jī)組,鋼管直徑φ3.4 m,進(jìn)口中心高程152.0 m,主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下,結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

圖2 磨子潭9#垛發(fā)電鋼管進(jìn)口檢修門(mén)結(jié)構(gòu)

磨子潭9#垛發(fā)電鋼管進(jìn)口檢修門(mén)主要參數(shù)：

孔口尺寸(b×h)：3.0 m×4.5 m(斜高)

底檻高程：151.056 m

設(shè)計(jì)水位：上游203.93 m,下游無(wú)水

啟閉機(jī)：2×160 kN固定式卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)

運(yùn)行條件：靜水啟閉

施工前佛子嶺水位119.50 m,磨子潭水位179.81 m。為了對(duì)主閥進(jìn)行改造,需全關(guān)進(jìn)口檢修閘門(mén),但由于閘門(mén)滲漏水量過(guò)大無(wú)法開(kāi)展相關(guān)作業(yè)。經(jīng)測(cè)量,佛子嶺18#、19#垛檢修閘門(mén)滲漏水量約1.6 m3/s和1.7 m3/s,磨子潭9#垛滲漏水量約1.9 m3/s。提起閘門(mén)檢查門(mén)體密封后進(jìn)行了處理,滲漏情況未明顯改善,進(jìn)入鋼管難以靠近查看,遠(yuǎn)處隱見(jiàn)呈多點(diǎn)噴射狀態(tài),水下攝像發(fā)現(xiàn)門(mén)槽銹蝕汽蝕嚴(yán)重。

2.2 主閥施工條件

主閥更換施工期間,進(jìn)口檢修門(mén)成為保護(hù)廠房的唯一擋水屏障[3],必須工作正常才能確保人員、廠房及設(shè)備安全?；陂T(mén)槽埋入水下壩體內(nèi),不可能放空水庫(kù),大幅度降低庫(kù)水位至門(mén)槽佛子嶺86.39 m、磨子潭151.056 m以下也不可取,只能考慮適當(dāng)降低庫(kù)水位采取水下封堵方式解決滲漏問(wèn)題,為主閥改造創(chuàng)造施工條件。

從檢修閘門(mén)設(shè)計(jì)參數(shù)角度出發(fā),需將佛子嶺庫(kù)水位降至該閘門(mén)的設(shè)計(jì)水位112.56 m以下,最高不得高于校核擋水位115.56 m,若超過(guò)該水位,則進(jìn)口檢修閘門(mén)的檔水可靠性得不到保障,磨子潭檢修閘門(mén)設(shè)計(jì)水位203.93 m,遠(yuǎn)高于實(shí)際庫(kù)水位,擋水條件較好。

水下人工封堵方面,超30 m水頭下潛作業(yè)屬“重潛”,而且隨著深度增加會(huì)產(chǎn)生“高壓神經(jīng)綜合癥”現(xiàn)象,操作安全性大幅降低。據(jù)此測(cè)算,若以最大潛水深度30 m控制,作業(yè)深度按底檻以下1 m計(jì),再留約2 m安全裕量,則佛子嶺庫(kù)水位需降至113.39 m,磨子潭庫(kù)水位需降至178.056 m。

由于佛子嶺水庫(kù)在水資源調(diào)度上的特殊地位,應(yīng)充分考慮來(lái)水偏枯對(duì)灌區(qū)的用水影響。綜合上述考量,將佛子嶺庫(kù)水位降至115 m左右、磨子潭庫(kù)水位降至178 m左右比較可行,總體水位降幅不大,安全有保障也能滿足相關(guān)施工要求。同時(shí),為水庫(kù)盡早回蓄,須進(jìn)一步合理優(yōu)化壓縮工期,所有改造工程限于季節(jié)性枯水期結(jié)束前完成。經(jīng)再三排演倒推,擬定佛子嶺計(jì)劃工期為2017年1月5日至3月25日,其中閘門(mén)封堵時(shí)間為2017年1月5日至1月20日;磨子潭計(jì)劃工期為2016年12月15日至2017年2月28日,閘門(mén)封堵時(shí)間為2016年12月15日至12月30日。

2.3 供水影響

2.3.1 施工期供水影響

2016年11月25日8時(shí),佛子嶺、磨子潭、白蓮崖水庫(kù)水位分別為119.50 m、179.81 m、198.28 m。依據(jù)白蓮崖水庫(kù)建成蓄水并參與三庫(kù)聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行以來(lái)2010至2016年每年10～5月逐旬平均進(jìn)庫(kù)水量統(tǒng)計(jì)資料(見(jiàn)表1),就上游水庫(kù)可能來(lái)水情況進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)工期計(jì)劃安排,2016年12月15日前磨子潭水庫(kù)水位降至178 m并維持至2016年12月30日,之后按省防汛抗旱指揮部要求187 m控制,2017年1月5日前佛子嶺水庫(kù)水位降至115 m并維持至2017年3月25日,期間保持白蓮崖水庫(kù)水位不超過(guò)202 m,計(jì)算3水庫(kù)需出庫(kù)流量(見(jiàn)表2),對(duì)水位調(diào)控期間下游供水進(jìn)行測(cè)算。

表1 佛子嶺、磨子潭、白蓮崖水庫(kù)進(jìn)庫(kù)水量統(tǒng)計(jì) 萬(wàn)m3

表2 佛子嶺、磨子潭、白蓮崖水庫(kù)出庫(kù)流量統(tǒng)計(jì)

據(jù)表2計(jì)算,在降水位期間,佛子嶺水庫(kù)出庫(kù)流量約30 m3/s,水位維持階段出庫(kù)流量約20 m3/s,6#、7#機(jī)組單機(jī)設(shè)計(jì)流量32.2 m3/s,發(fā)電降水完全滿足要求;磨子潭水庫(kù)在降水位和維持水位期間,需出庫(kù)約13 m3/s和不足4 m3/s,極端天氣還可啟用泄洪設(shè)施;白蓮崖水庫(kù)出庫(kù)流量約10 m3/s。所以,3水庫(kù)都可以實(shí)現(xiàn)充分利用寶貴水資源發(fā)電降水,降水位期間有4個(gè)月時(shí)間可保證20～30 m3/s流量向下游持續(xù)供水。

2.3.2 施工后供水預(yù)測(cè)

根據(jù)省防汛抗旱指揮部下達(dá)的2016年汛期調(diào)度運(yùn)用計(jì)劃,佛子嶺水庫(kù)2016年11月16日-2017年3月31日按120 m控制,2017年4月1日-2017年6月14日按124 m控制。磨子潭水庫(kù)2016年9月16日-2017年6月14日庫(kù)水位按187 m控制。

按照施工計(jì)劃,佛子嶺工程2017年3月25日完成后開(kāi)始蓄水,115 m水位對(duì)應(yīng)水庫(kù)蓄水量為2.07億m3,水位～庫(kù)容關(guān)系見(jiàn)表3。磨子潭封堵工程2016年12月30日完成后開(kāi)始回蓄,178 m對(duì)應(yīng)水庫(kù)蓄水量為1.27億m3。按照淠河灌區(qū)確定水源工程調(diào)度的總原則,灌溉需水首先由塘壩供給,然后是反調(diào)節(jié)水庫(kù)、大型水庫(kù)(其中優(yōu)先使用佛子嶺水庫(kù)供水,不夠時(shí)再利用響洪甸水庫(kù)供水)、抽水補(bǔ)給站供給,水庫(kù)放水原則是發(fā)電服從灌溉[4],結(jié)合電站主閥施工工期安排,水位調(diào)控期間充分利用發(fā)電供水、充蓄灌區(qū)水庫(kù)塘壩。由于維持水位期間佛子嶺仍持續(xù)向下游供水,并且,前期降水位時(shí)已經(jīng)泄放約0.9億m3水,所以,此期間對(duì)供水影響不大,重點(diǎn)應(yīng)考量3水庫(kù)工程結(jié)束后蓄水情況及測(cè)算第二年對(duì)各單位供水影響(見(jiàn)表4)。

表3 佛子嶺、磨子潭、白蓮崖水庫(kù)水位～庫(kù)容關(guān)系

表4 佛子嶺、磨子潭、白蓮崖水庫(kù)蓄水計(jì)算情況

為了相對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)降雨來(lái)水情況,根據(jù)佛子嶺區(qū)域水文及農(nóng)業(yè)灌溉特點(diǎn),選取80%和50%保證率算法按4月1日作為節(jié)點(diǎn)測(cè)算。根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果,按80%保證率來(lái)水預(yù)測(cè),至2017年4月1日,佛子嶺、磨子潭、白蓮崖水庫(kù)水位分別能達(dá)115.80 m、186.90 m、202.0 m,3水庫(kù)總蓄水量為5.67億m3,比其多年平均蓄水量4.85億m3多0.82億m3,比近10 a平均蓄水量5.68億m3少0.01億m3;按50%保證率來(lái)水預(yù)測(cè),3水庫(kù)水位分別能達(dá)117.45 m、187.0 m、202.0 m,總蓄水量為5.94億m3,比多年平均4.85億m3多1.09億m3,比近10 a平均多0.26億m3。

根據(jù)灌區(qū)供水預(yù)測(cè),2017年4月1日初步進(jìn)入灌溉期后,三水庫(kù)總蓄水量比多年平均蓄水量多蓄0.8～1.1億m3,與近10a平均相比持平或偏多,能充分保障下游灌區(qū)水源需求。因此,對(duì)2017年淠河灌區(qū)整體供水形勢(shì)不會(huì)造成大的影響,在極端條件下可通過(guò)淠河灌區(qū)另一水源工程——多年調(diào)節(jié)大(1)型水庫(kù)響洪甸水庫(kù)加大放水量及協(xié)調(diào)省淠史杭總局做好統(tǒng)籌調(diào)度,適度發(fā)揮包括梅山水庫(kù)、董鋪水庫(kù)、大房郢水庫(kù)在內(nèi)的各水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度作用,滿足下游用水需求。

3 工程實(shí)施

庫(kù)水位控制方案經(jīng)專家評(píng)審后報(bào)經(jīng)上級(jí)主管部門(mén)審批同意執(zhí)行。2016年12月12日,佛子嶺、磨子潭相繼按約90 m3/s和55 m3/s開(kāi)始發(fā)電,由于磨子潭只有一道發(fā)電鋼管,閘門(mén)全關(guān)后就不能發(fā)電放水,故采用預(yù)放方式騰出適度庫(kù)容,2016年12月14日水位降至177.51m,2017年1月5日佛子嶺庫(kù)水位降至114.89 m。在庫(kù)水位降到預(yù)定值完成各項(xiàng)安全措施后,由專業(yè)潛水員開(kāi)始水下作業(yè),磨子潭9#垛檢修閘門(mén)于2016年12月29日完成潛水封堵,佛子嶺18#垛、19#垛檢修閘門(mén)也于2017年1月18日和1月22日陸續(xù)完成封堵,經(jīng)檢查,各閘門(mén)滲漏水量顯著減少,再在主閥上游側(cè)安設(shè)充氣氣囊,打開(kāi)鋼管排水孔,徹底消除了滲漏水影響,保證了主閥拆除、安裝、調(diào)試工作在計(jì)劃工期內(nèi)全部結(jié)束。

主閥改造期間,各參建單位深知施工條件來(lái)之不易,提前制定細(xì)化方案預(yù)案,積極聯(lián)系主閥及時(shí)供應(yīng),增加人力資源配置平行作業(yè),“白加黑”“5+2”加班加點(diǎn),克服重重困難,終于在計(jì)劃工期內(nèi)順利完成了各項(xiàng)工作任務(wù),磨子潭主閥于2017年2月26日完成安裝,佛子嶺主閥分別于2017年3月22日和3月24日調(diào)試結(jié)束,為電站增效擴(kuò)容改造工程后續(xù)工作提供保障,其中,在處理磨子潭2#、3#機(jī)主閥時(shí)還發(fā)現(xiàn)并徹底處理了連接段管壁厚度不夠的重大安全隱患。

施工期間佛子嶺利用6#、7#機(jī)發(fā)電維持庫(kù)水位,至2017年3月25日工程結(jié)束,降水位和維持水位期間佛子嶺累計(jì)向下游供水約1.35億m3,發(fā)電量1 297萬(wàn)kW·h,磨子潭發(fā)電量187萬(wàn)kW·h。2017年4月1日,佛子嶺水庫(kù)水位達(dá)到115.63 m,實(shí)際蓄水量約2.15億m3,磨子潭水庫(kù)水位達(dá)到184.52 m,實(shí)際蓄水量1.69億m3。2017年佛子嶺水電站完成發(fā)電量1.75億kW·h,實(shí)現(xiàn)全年發(fā)電目標(biāo),與此同時(shí),佛子嶺水庫(kù)充分發(fā)揮水庫(kù)群聯(lián)調(diào)優(yōu)勢(shì),持續(xù)向下游供水,保障了城市供水和農(nóng)業(yè)灌溉,未對(duì)市民生活和糧食生產(chǎn)造成不良影響。

4 結(jié)語(yǔ)

佛子嶺水電站增效擴(kuò)容改造工程順利實(shí)施后,機(jī)組性能得到顯著改善,能耗明顯降低,效率大幅提高,專用生態(tài)流量機(jī)組極大改善了下游河流生態(tài),主變等機(jī)電設(shè)備更換一新,新配置的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)智能可靠,多年安全隱患頑疾徹底消除,是一件利國(guó)利民利企的大好事。

為滿足工程改造施工條件,在堅(jiān)持灌區(qū)調(diào)度總原則的基礎(chǔ)上,依據(jù)已有水文統(tǒng)計(jì)資料分析水庫(kù)進(jìn)出水量,預(yù)測(cè)可能來(lái)水情況,綜合作出科學(xué)研判,以水庫(kù)年度運(yùn)用計(jì)劃為軸線優(yōu)化后的庫(kù)水位控制方案,充分發(fā)揮聯(lián)合調(diào)度優(yōu)勢(shì),結(jié)合發(fā)電降水創(chuàng)效益,不僅為解決復(fù)雜條件下水電站改造問(wèn)題探索出一條新路子,也對(duì)今后類似工程中灌溉結(jié)合發(fā)電具有現(xiàn)實(shí)借鑒意義。