董延超，石亮亮，王 強(qiáng)，陳俊杰

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130021）

豐滿水電站施工期下游供水庫(kù)水位控制

董延超，石亮亮，王 強(qiáng)，陳俊杰

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130021）

豐滿水電站全面治理（重建）工程施工期必須保證不間斷地向下游供水，為保障下游供水安全，泄洪兼導(dǎo)流洞將作為非常時(shí)期保下游供水的備用通道。為滿足施工期啟用泄洪兼導(dǎo)流洞為下游供水，依據(jù)泄洪兼導(dǎo)流洞模型試驗(yàn)成果、供水和隧洞運(yùn)行要求，并考慮水庫(kù)冰凍期冰凍厚度影響，最終確定保下游供水水庫(kù)控制水位，為施工期水庫(kù)合理調(diào)度提供依據(jù)。

施工期；啟用泄洪兼導(dǎo)流洞；保下游供水；庫(kù)水位控制

1 概況

豐滿電站全面治理（重建）工程位于吉林省吉林市的松花江干流上，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，并利用原豐滿三期工程。工程以發(fā)電為主，兼顧防洪、城市及工業(yè)供水、灌溉、生態(tài)環(huán)境保護(hù)，并具有旅游、水產(chǎn)養(yǎng)殖效益。電站樞紐主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪系統(tǒng)、左岸泄洪兼導(dǎo)流洞、壩后式引水發(fā)電系統(tǒng)、過魚設(shè)施及利用的原三期電站組成。

泄洪兼導(dǎo)流洞運(yùn)行期承擔(dān)泄洪任務(wù)，施工期承擔(dān)施工導(dǎo)流和保下游供水緊急供水任務(wù)。泄洪兼導(dǎo)流洞為有壓洞，全長(zhǎng)846.02 m，由進(jìn)口明渠段、井前壓力段、進(jìn)口閘門井、有壓洞身段、出口閘室段及消能防沖段等部分組成。進(jìn)口巖坎頂高程245.00 m，巖坎下游坡比1∶1，明渠底板高程224.00 m，有壓洞為內(nèi)徑10.5 m圓形斷面，末端出口為8.8 m×8.8 m矩形斷面，出口閘室底板高程193.00 m，采用挑流消能方式，挑坎高程193.00 m。進(jìn)口閘室設(shè)一道檢修平板閘門和一道事故平板閘門，出口閘室設(shè)一道工作弧門。泄洪兼導(dǎo)流洞縱剖面布置見圖1。

2 工程進(jìn)展情況及保下游供水問題

2.1 工程進(jìn)展情況

截止到2015年10月，豐滿重建工程大壩、廠房、消力池的開挖已基本完成，正在進(jìn)行大壩、廠房、消力池混凝土澆筑、壓力鋼管安裝、部分壩段固結(jié)灌漿、越冬保溫層施工工作。河床溢流壩和引水壩段澆筑至高程188.90 m，兩岸擋水壩段澆筑至高程198.80 m，廠房1號(hào)機(jī)組澆筑至170.00 m，泄洪兼導(dǎo)流洞除進(jìn)口巖坎部位外其他部位全部完工?？紤]保障下游供水實(shí)際需要，泄洪兼導(dǎo)流洞進(jìn)口巖坎于2015年8月上旬拆除至高程245.56 m，拆除寬度為78 m，巖坎斜坡噴錨支護(hù)措施尚未完成。

圖1 泄洪兼導(dǎo)流洞縱剖面示意圖

2.2 保下游供水問題

豐滿重建工程施工期和永久運(yùn)行期，均必須保證不間斷地向下游供水，施工期與永久運(yùn)行期下游各業(yè)用水要求一致，為滿足下游環(huán)境、松花江沿岸城市居民和企業(yè)的取水要求，需泄放流量為161 m3/s。

豐滿三期電廠兩臺(tái)機(jī)組過流量為594 m3/s，原泄洪洞預(yù)留放流通道泄流量為161 m3/s，豐滿三期電廠和原泄洪洞泄流量均滿足下游供水要求，可作為保下游供水通道。2015年9月泄洪兼導(dǎo)流洞完工后，原泄洪洞于2015年汛后可不再使用，保下游供水有豐滿三期電廠和泄洪兼導(dǎo)流洞兩條通道。

施工期正常情況下，豐滿三期機(jī)組發(fā)電泄流是向下游供水的途徑，電站機(jī)組承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，間歇發(fā)電，下泄水流經(jīng)永慶反調(diào)節(jié)庫(kù)做到不間斷供水；施工期三期電廠不能正常運(yùn)用的非常情況下，泄洪兼導(dǎo)流洞作為備用通道承擔(dān)向下游供水任務(wù)，也需經(jīng)永慶反調(diào)節(jié)庫(kù)做到不間斷供水，避免棄水。施工期三期電廠不能正常運(yùn)行和泄洪兼導(dǎo)流洞無法啟用的特殊情況下，未封堵的原泄洪洞可做為應(yīng)急通道，進(jìn)行應(yīng)急放水，但由于三期泄洪洞出口位于大壩和廠房基坑圍堰上游，通過原三期泄洪洞泄流時(shí)會(huì)造成水淹基坑，將帶來較大損失。

因泄洪兼導(dǎo)流洞進(jìn)水口巖坎與原設(shè)計(jì)進(jìn)水口巖坎高程245.00 m和寬93.00 m相比發(fā)生改變，對(duì)進(jìn)水口的泄流流量和庫(kù)水位控制要求產(chǎn)生影響，為啟用泄洪兼導(dǎo)流洞泄流保證下游供水，依據(jù)2015年進(jìn)口巖坎和隧洞施工現(xiàn)狀，需開展施工期啟用泄洪兼導(dǎo)流洞保下游供水庫(kù)水位控制研究。

3 泄洪兼導(dǎo)流洞模型試驗(yàn)研究成果

1）泄流能力及水位流量關(guān)系

模型試驗(yàn)觀測(cè)了運(yùn)行期泄洪兼導(dǎo)流洞出口弧門敞泄和局開的泄流能力。運(yùn)行期泄洪兼導(dǎo)流洞敞泄和出口閘門開度e=2m時(shí)水位流量關(guān)系見表1和表2，運(yùn)行期泄洪兼導(dǎo)流洞泄流能力曲線，見圖2。

2）水流流態(tài)

運(yùn)行期泄洪兼導(dǎo)流洞敞泄時(shí)，庫(kù)水位低于247.56 m時(shí)，隧洞內(nèi)為明流流態(tài)；庫(kù)水位在247.56～251.64 m區(qū)間時(shí)，隧洞內(nèi)為明滿流過渡流態(tài)；庫(kù)水位在251.64 m以上時(shí)，隧洞內(nèi)為滿流流態(tài)。為避免洞內(nèi)出現(xiàn)明滿流過渡現(xiàn)象，運(yùn)行期泄洪兼導(dǎo)流洞可采用控制出口弧門開度使洞內(nèi)形成滿流流態(tài)。庫(kù)水位246.51 m和247.20 m，出口弧門開度e=2 m和e=3 m時(shí)，泄洪兼導(dǎo)流洞洞內(nèi)均為滿流流態(tài)。

表1 洪兼導(dǎo)流洞敞泄水位流量關(guān)系成果表

表2 泄洪兼導(dǎo)流洞出口閘門局開（e=2 m）水位流量關(guān)系成果表

圖2 運(yùn)行期泄洪兼導(dǎo)流洞泄流能力曲線

3）進(jìn)口巖坎流速

運(yùn)行期泄洪兼導(dǎo)流洞敞泄時(shí)，試驗(yàn)觀測(cè)了低庫(kù)水位時(shí)進(jìn)水口巖坎斜坡與集渣坑位置水面交接處的流速，進(jìn)水口巖坎斜坡流速見表3。

4 啟用泄洪兼導(dǎo)流洞保下游供水庫(kù)水位控制

4.1 泄洪兼導(dǎo)流洞保下游供水運(yùn)行要求

1）因明滿流過渡流態(tài)是一種復(fù)雜且不穩(wěn)定的不良流態(tài)，會(huì)對(duì)隧洞過流能力、結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)產(chǎn)生不利影響，為使洞內(nèi)呈現(xiàn)單一壓力狀態(tài)，施工期保下游供水時(shí)泄洪兼導(dǎo)流洞按明流或有壓流泄流。

表3 進(jìn)水口巖坎斜坡平均流速成果表

2）明流運(yùn)行時(shí)，根據(jù)低水位泄流模型試驗(yàn)成果，進(jìn)口巖坎斜坡平均流速大于11 m/s，進(jìn)口巖坎斜坡目前噴錨支護(hù)措施尚未完成，高流速易發(fā)生沖刷破壞，且冰凍期泄洪兼導(dǎo)流洞進(jìn)水口易被冰塊堵塞，施工期非常時(shí)期啟用泄洪兼導(dǎo)流洞保下游供水除特殊情況外不建議使用明流泄流。

3）有壓流運(yùn)行時(shí)，通過控制出口弧門開度保證泄洪兼導(dǎo)流洞為有壓流?？紤]出口閘門自身安全應(yīng)避免其長(zhǎng)時(shí)間在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，同時(shí)應(yīng)防止泄洪兼導(dǎo)流洞泄流時(shí)出口結(jié)構(gòu)發(fā)生空蝕破壞。

4.2 計(jì)算基本參數(shù)確定

1）進(jìn)水口巖坎尺寸

根據(jù)工程施工實(shí)際情況，進(jìn)口巖坎采用坎頂高程245.56 m，坎寬78 m。

2）進(jìn)水口巖坎綜合流量系數(shù)

參考泄洪兼導(dǎo)流洞水工模型試驗(yàn)成果，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)流量系數(shù)的對(duì)比分析，考慮試驗(yàn)精度、坎后斜坡坡度、坎頂表面糙率等因素，當(dāng)巖坎上水深小于1.8 m時(shí)，進(jìn)口巖坎綜合流量系數(shù)取為0.385；當(dāng)巖坎上水深大于等于1.8 m時(shí)，進(jìn)水口巖坎綜合流量系數(shù)取為0.44。

3）隧洞泄流量選擇

為滿足下游供水要求，啟用泄洪兼導(dǎo)流洞保下游供水時(shí)，泄流量應(yīng)大于161 m3/s。依據(jù)模型試驗(yàn)成果，保證泄洪兼導(dǎo)流洞為有壓流泄流，且弧門開度避開1.0 m振動(dòng)區(qū)時(shí)，隧洞最小泄流量按出口弧門開度2 m、泄流量419 m3/s控制?？紤]泄洪兼導(dǎo)流洞有壓過流流態(tài)好，泄流量采用出口弧門控制方便，隧洞流量達(dá)到有壓泄流條件后,就不再采用明流泄流方式。泄洪兼導(dǎo)流洞明流泄流時(shí)，隧洞泄流量按161～419 m3/s控制。

4.4 不同流態(tài)庫(kù)水位控制確定

通過分析模型試驗(yàn)泄洪兼導(dǎo)流洞泄流能力，泄洪兼導(dǎo)流洞明流和閘門控泄剛好達(dá)到有壓流泄流時(shí)，隧洞泄流量均由進(jìn)口巖坎過流能力控制，水庫(kù)水位計(jì)算可按泄洪兼導(dǎo)流洞進(jìn)口巖坎泄流能力進(jìn)行推求。推求庫(kù)水位時(shí)，進(jìn)水口巖坎泄流能力按寬頂堰流（非淹沒流)計(jì)算。為防止泄洪兼導(dǎo)流洞出口結(jié)構(gòu)發(fā)生空蝕破壞，有壓流泄流時(shí)，閘門出口水流空化數(shù)應(yīng)大于0.3。泄洪兼導(dǎo)流洞明流和有壓流泄流庫(kù)水位計(jì)算結(jié)果見表4和表5。

表4 隧洞明流泄流最低和最高庫(kù)水位計(jì)算表

表5 隧洞有壓流泄流最低庫(kù)水位計(jì)算表

由上述計(jì)算分析可見，庫(kù)水位范圍控制在246.70～247.53 m時(shí)，泄洪兼導(dǎo)流洞能夠以明流泄流，泄流量為162～420 m3/s，滿足保下游供水要求；最低庫(kù)水位控制為247.53 m，泄洪兼導(dǎo)流洞控制出口弧門開度2 m能夠以有壓流泄流，泄流量為420.00 m3/s，滿足保下游供水要求。

4.5 不同時(shí)段庫(kù)水位控制確定

豐滿水電站全面治理（重建）工程位于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng)，泄洪兼導(dǎo)流洞進(jìn)口水庫(kù)水面封凍形成冰蓋，進(jìn)口巖坎處冰層厚度將直接影響泄洪兼導(dǎo)流洞泄流量，因此非冰凍期和冰凍期不同時(shí)段需要分別進(jìn)行控制庫(kù)水位的確定。

1）非冰凍期庫(kù)水位控制確定

非冰凍期隧洞明流泄流時(shí)，庫(kù)水位范圍為246.70～247.53 m；非冰凍期隧洞有壓流泄流時(shí)，控制出口弧門開度2 m，最低控制庫(kù)水位范圍為247.53 m。

2）冰凍期庫(kù)水位控制確定

冰凍期隧洞明流泄流時(shí)，由于進(jìn)口水流水位較低，冰塊將塌陷并隨水流進(jìn)入隧洞，隧洞內(nèi)將出現(xiàn)堵塞進(jìn)口、水位雍高、撞擊破壞結(jié)構(gòu)以及明滿流過渡等不利狀況，因此，隧洞不能使用明流泄流。

依據(jù)豐滿水庫(kù)壩前冰厚觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)最大冰厚0.85 m、壩前調(diào)查最大冰厚1 m以及水庫(kù)周邊地區(qū)水文站實(shí)測(cè)最大冰厚1.50 m，考慮施工期啟用泄洪兼導(dǎo)流洞作為保下游供水應(yīng)急預(yù)案的實(shí)施時(shí)段為2015—2018年，歷時(shí)較短，因此泄洪兼導(dǎo)流洞進(jìn)口最大冰厚按1 m計(jì)算。冰凍期隧洞有壓流泄流時(shí)，控制庫(kù)水位在非冰凍期控制庫(kù)水位的基礎(chǔ)上加高1 m，即控制出口弧門開度2 m，最低控制庫(kù)水位為248.53 m。

6 結(jié)語(yǔ)

1）施工期啟用泄洪兼導(dǎo)流洞保下游供水時(shí)，根據(jù)庫(kù)水位情況，隧洞可采用明流或有壓式過流。

2）明流過流時(shí)，非冰凍期，進(jìn)口巖坎支護(hù)措施完成情況下，庫(kù)水位控制在246.70～247.53 m時(shí)，相應(yīng)泄流量為162～420 m3/s。冰凍期，因冰凍引起的不利影響，不能使用明流泄流。目前根據(jù)施工面貌，巖坎下游斜坡沒有支護(hù)措施的實(shí)際情況，非冰凍期和冰凍期均不能使用明流泄流。

3）有壓流過流時(shí)，出口弧門開度控制在2 m時(shí)，非冰凍期，水庫(kù)最低庫(kù)水位需控制在247.53 m，相應(yīng)的泄流量為420 m3/s；冰凍期，考慮最大冰厚1 m，水庫(kù)最低庫(kù)水位需控制在248.53 m。

4）施工期啟用泄洪兼導(dǎo)流洞保下游供水庫(kù)水位控制研究，為水庫(kù)的調(diào)度提供了可靠依據(jù)，保下游供水方案實(shí)施時(shí)，需結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況綜合考慮，合理調(diào)度。

［1］中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.豐滿水電站全面治理（重建）工程施工期水庫(kù)調(diào)度方案［R］.長(zhǎng)春：中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，2010，12.

［2］中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.豐滿水電站全面治理（重建）工程泄洪兼導(dǎo)流洞水工模型試驗(yàn)報(bào)告［R］.長(zhǎng)春：中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，2013，11.

［3］DL/T5195-2004水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.2002.

［4］劉志明，溫續(xù)余等.水工設(shè)計(jì)手冊(cè).第7卷泄水與過壩建筑物［M］.北京：中國(guó)水利電力出版社，2014.

［5］張從聯(lián)，鐘偉強(qiáng)，江洧.泄洪洞有壓流問題試驗(yàn)研究與初探［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003（7）：70 -73.

通過計(jì)算可知，堤防除險(xiǎn)加過后，堤基滲透穩(wěn)定坡降為0.16，遠(yuǎn)小于允許值0.25,滿足設(shè)計(jì)要求。滲流穩(wěn)定計(jì)算斷面簡(jiǎn)圖見圖1。

3 結(jié)論

堤防設(shè)計(jì)中，堤基和堤身滲透穩(wěn)定不容忽視，堤基和堤基的防滲措施既提高堤防本身抵抗?jié)B透破壞的能力，也降低滲流對(duì)堤防的破壞能力。土工膜防滲適用于不透水料缺乏地區(qū)，其主要優(yōu)點(diǎn)為質(zhì)量輕、施工簡(jiǎn)便、運(yùn)輸方便、價(jià)格低廉等，目前已經(jīng)廣泛用于堤防除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)中。

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圖1 滲流穩(wěn)定計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)橫斷面簡(jiǎn)圖

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[收稿日期]2016-04-15

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