楊鳳英，吉 鵬

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

下閘蓄水是水電工程建設(shè)中重要的里程碑，是水電工程順利投產(chǎn)發(fā)電的保證。大型水電工程受工程形象、移民搬遷、工程安全、近壩庫岸穩(wěn)定、下游供水、初期發(fā)電效益等多種因素影響，下閘蓄水條件復(fù)雜，一般初期蓄水期為導(dǎo)流設(shè)施下閘至蓄水至死水位。江坪河水電站水庫初期蓄水期為導(dǎo)流洞下閘水庫開始蓄水起，至水庫蓄水至正常蓄水位止。根據(jù)水庫蓄水期間的具體特點(diǎn)，水庫初期蓄水期分為2個(gè)階段：①從導(dǎo)流洞下閘起至水庫蓄水至死水位427 m止，此階段水庫蓄水主要受導(dǎo)流洞封堵施工和首臺(tái)機(jī)組發(fā)電目標(biāo)制約；②從死水位427 m起至水庫蓄水至正常蓄水位470 m止，此階段水庫蓄水主要受大壩安全制約。由于大壩安全和導(dǎo)流洞封堵施工安全對蓄水位控制提出了嚴(yán)格要求，何時(shí)下閘、如何蓄水，成為江坪河水電站下閘蓄水方案研究的重點(diǎn)。

1 工程概況

江坪河水電站是溇水干流水電規(guī)劃的龍頭梯級(jí)，壩址位于湖北省鶴峰縣走馬鎮(zhèn)，控制流域面積2 140 km2，占全流域面積的42.4%，多年平均流量81.8 m3/s。江坪河水電站開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪，正常蓄水位470 m，死水位427 m，調(diào)節(jié)庫容6.78億m3，庫容系數(shù)27%，汛期6月～7月為下游預(yù)留2億m3防洪庫容，防洪限制水位459.70 m，電站裝機(jī)容量450 MW，是華中地區(qū)不可多得的具有多年調(diào)節(jié)性能的水電工程。

2 工程形象面貌

江坪河水利樞紐主要建筑物包括混凝土面板堆石壩、2條洞式溢洪道和1條泄洪放空洞、引水系統(tǒng)和岸坡式地面廠房。江坪河混凝土面板堆石壩壩頂高程476 m，最大壩高219 m，溢洪道堰頂高程448 m，泄洪放空洞底板高程370 m， 地面廠房安裝2臺(tái)225 MW水輪發(fā)電機(jī)組，采用隧洞導(dǎo)流方式，設(shè)有1條導(dǎo)流洞，進(jìn)水口底板高程293.5 m。

截至2019年10月底，大壩已全斷面填筑至設(shè)計(jì)高程472 m，面板混凝土已澆筑至高程430 m，大壩高程375 m以下具備擋水條件，泄洪放空洞已具備運(yùn)行條件，1號(hào)溢洪道已具備運(yùn)行條件，2號(hào)溢洪道已完成絕大部分工作，部分尾工不制約下閘蓄水，引水發(fā)電系統(tǒng)土建工程和金結(jié)安裝已完工，部分尾工不制約下閘蓄水，下游河道護(hù)岸及霧化區(qū)防護(hù)工程已完成，擋水沿線高程430 m以下的交通洞及施工支洞、地質(zhì)探洞均已封堵完成，具備擋水條件，庫區(qū)淹沒線以下移民搬遷工作已完成，水保環(huán)保工程不制約下閘蓄水。因此，整個(gè)工程形象面貌滿足導(dǎo)流洞2019年11月上旬下閘蓄水條件。根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)劃，下閘后堵頭施工需要約8個(gè)月時(shí)間。

3 下閘蓄水的主要制約因素

3.1 水庫蓄水位控制

為滿足導(dǎo)流洞堵頭施工安全，永久堵頭混凝土澆筑期間由封堵閘門(或臨時(shí)堵頭)擋水，要求遭遇時(shí)段11月～次年4月20年一遇洪水時(shí)，水庫水位不超過414.4 m。

3.2 蓄水上升速率控制

江坪河混凝土面板堆石壩是目前在巖溶地區(qū)、深厚覆蓋層上建造的世界第三高壩，最大壩高219 m，混凝土面板總面積7.08萬m2，蓄水水位越高，壩體和面板對水位上升速率越敏感，若初期蓄水速度過快，可能引起變形增大，導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。為確保大壩安全，水庫蓄水過程中應(yīng)嚴(yán)格控制水位上升速率，選擇合適的蓄水位停留一段時(shí)間，對大壩的應(yīng)力、變形、滲漏等情況觀測后，再進(jìn)一步蓄水。綜合壩體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析、大壩施工進(jìn)度安排等因素，參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，水庫蓄水上升速率控制要求如下：①370 m高程以下，無泄流條件，按天然入庫徑流自然上升；②370～400 m高程，蓄水上升速率按≤2 m/d控制；③400～427 m高程，蓄水上升速率按≤1.5 m/d控制，當(dāng)水位達(dá)到427 m高程，暫停蓄水，至少維持該水位觀測2個(gè)月；④ 427～448 m高程，蓄水上升速率按≤1.0 m/d控制；當(dāng)水位達(dá)到448 m高程，暫停蓄水，至少維持該水位觀測15 d；⑤448～459.70 m高程，蓄水上升速率按≤0.5 m/d控制；當(dāng)水位達(dá)到459.70 m高程，暫停蓄水，至少維持該水位觀測15 d；⑥459.70～470 m高程，蓄水上升速率按≤0.3 m/d控制。

3.3 首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)時(shí)間

根據(jù)江坪河水電站工程進(jìn)度安排，首臺(tái)機(jī)組計(jì)劃于2020年7月投產(chǎn)發(fā)電，機(jī)組調(diào)試時(shí)間按1個(gè)月考慮，水庫應(yīng)于2020年6月蓄水至死水位427 m。

3.4 下游用水需求

江坪河水電站與下游淋溪河水電站銜接，淋溪河對江坪河進(jìn)行反調(diào)節(jié)，可滿足江坪河泄放的生態(tài)基流。考慮到淋溪河水電站尚未建成，江坪河水電站蓄水期間需下泄生態(tài)流量8.11 m3/s。

4 下閘蓄水原則

江坪河水庫庫容大，蓄至正常蓄水位歷時(shí)長，綜合考慮大壩安全、封堵施工安全、機(jī)組發(fā)電及下游用水等因素，確定下閘蓄水原則如下：

(1)以確保工程蓄水安全為前提，嚴(yán)格控制蓄水進(jìn)程和上升速率，同時(shí)蓄水進(jìn)程須根據(jù)大壩監(jiān)測分析資料穩(wěn)妥推進(jìn)。

(2)在充分確保工程安全的前提下，滿足首臺(tái)機(jī)組發(fā)電節(jié)點(diǎn)目標(biāo)，發(fā)揮工程初期效益。

(3)根據(jù)工程施工形象面貌控制蓄水水位，確保蓄水過程中的防洪度汛安全。

(4)水庫蓄水期間，須保障下游用水要求。

5 下閘時(shí)機(jī)選擇

5.1 封堵閘門操作分析

根據(jù)工程實(shí)際施工情況及總體進(jìn)度計(jì)劃，導(dǎo)流洞最早于2019年11月上旬具備下閘條件。江坪河導(dǎo)流洞封堵閘門設(shè)計(jì)操作水頭9.30 m，啟閉機(jī)平臺(tái)高程348 m，導(dǎo)流洞下閘設(shè)計(jì)流量采用下閘時(shí)段10年一遇的月平均流量。根據(jù)歷年來水特性分析，4月～10月、11月～次年3月壩址各月10%頻率平均流量分別為380～118 m3/s、83.3～25.7 m3/s。經(jīng)計(jì)算分析，若4月～10月下閘，封堵閘門前庫水位上升速度過快，不能滿足閘門操作水頭要求，且下閘后庫水位上升至啟閉機(jī)平臺(tái)所需時(shí)間較短，人員及設(shè)備無法及時(shí)撤離；若11月～次年3月下閘，可以滿足封堵閘門操作水頭要求，人員及設(shè)備也可安全撤離。因此，江坪河水電站下閘時(shí)間應(yīng)安排在11月～次年3月。

5.2 施工組織進(jìn)度分析

導(dǎo)流洞下閘封堵后水庫開始蓄水，庫水位低于泄洪放空洞進(jìn)水口底板高程370 m之前，無泄流條件，超過370 m高程后，水庫來水通過泄洪放空洞下泄。根據(jù)堵頭施工工期分析，永久堵頭混凝土澆筑最早完成時(shí)間是下閘后4.4個(gè)月，若2020年1月及以后下閘，永久堵頭混凝土施工進(jìn)入汛期，遭遇20年一遇施工期標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，即使通過泄洪放空洞泄水，起調(diào)水位按370 m考慮，壩前最高水位也達(dá)到420.32 m，超過封堵閘門(或臨時(shí)堵頭)設(shè)計(jì)擋水水位414.4 m。因此，下閘時(shí)間不宜安排在2020年1月及以后。

5.3 首臺(tái)機(jī)組發(fā)電目標(biāo)分析

在上述分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，以2020年7月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電為目標(biāo)，對2019年11月、12月下閘方案進(jìn)行研究，結(jié)果表明，由于存在水位控制，2019年11月、12月各旬下閘均可滿足首臺(tái)機(jī)組發(fā)電目標(biāo)。

綜合以上情況分析，為有利于導(dǎo)流洞封堵施工安全，確定2019年11月上旬下閘蓄水。

6 導(dǎo)流洞下閘～死水位427 m蓄水方案

由于各種原因，導(dǎo)流洞已過流運(yùn)行11年，超期服役，雖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固處理，仍存在不利因素，從降低導(dǎo)流洞封堵施工風(fēng)險(xiǎn)角度，堵頭施工期應(yīng)盡可能降低水位，控制水庫蓄水速度。然而為滿足2020年7月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電目標(biāo)及提高蓄水保證程度，應(yīng)盡快蓄水，以保證2020年6月庫水位蓄至死水位427 m。為協(xié)調(diào)導(dǎo)流洞封堵施工風(fēng)險(xiǎn)與首臺(tái)機(jī)組發(fā)電目標(biāo)的矛盾，需重點(diǎn)研究泄洪放空洞何時(shí)下閘、如何控泄。

根據(jù)壩址歷年來水分析，遭遇枯水年份(保證率75%)，為保證6月初蓄至死水位，1月底、2月底、3月底水庫最低需分別蓄至340.83、358.61、385.17 m。考慮到泄洪放空洞只能對底板高程370 m以上的水位進(jìn)行控制，因此，泄洪放空洞閘門應(yīng)于3月下閘控制水位。

在2019年11月上旬導(dǎo)流洞下閘，同時(shí)滿足第3節(jié)水位控制要求的基礎(chǔ)上，以2020年7月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電為目標(biāo)，對泄洪放空洞閘門3月上旬、中旬、下旬下閘進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，導(dǎo)流洞11月上旬下閘、泄洪放空洞3月中旬下閘至4月底控制庫水位不超過410 m情況下，可以滿足首臺(tái)機(jī)組發(fā)電目標(biāo)。

綜合考慮3.2節(jié)蓄水速率控制要求，從導(dǎo)流洞下閘至庫水位蓄至死水位427 m，蓄水方案如下：

(1)2019年11月1日導(dǎo)流隧洞下閘后，水庫開始蓄水，高程370 m以下對蓄水上升速率沒有控制。

(2)在2020年3月中旬以前，泄洪放空洞敞開泄流。

(3) 2020年3月中旬～2020年4月底，泄洪放空洞下閘控泄蓄水，控制庫水位不高于410 m，期間水庫水位從370 m蓄水至400 m，蓄水速率控制不大于2 m/d；水庫水位從400 m蓄水至410 m，蓄水速率控制不大于1.5 m/d。

(4)2020年5月初開始水庫水位從410 m蓄至死水位427 m，期間蓄水速率控制不大于1.5 m/d。

7 死水位427 m～正常蓄水位470 m蓄水方案

江坪河水電站具有大壩高、面板面積大、工程地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，混凝土面板堆石壩壩頂高程476 m，河床趾板基礎(chǔ)高程257 m，庫水位蓄至死水位427 m、溢洪道堰頂高程448 m、防洪限制水位459.7 m時(shí)，蓄水高度已達(dá)到170、191、202.7 m。為保證大壩安全，宜在不同的蓄水水位進(jìn)行多階段觀測運(yùn)行，待大壩和面板穩(wěn)定后，再進(jìn)一步蓄水。為此，在上述第6節(jié)從導(dǎo)流洞下閘至死水位427 m蓄水方案確定的情況下，根據(jù)第3節(jié)水位控制要求，對死水位427 m至正常蓄水位470 m的蓄水過程擬定了5個(gè)方案：①“連續(xù)分級(jí)蓄水”方案，該方案不考慮長時(shí)間分段水位控制，只滿足第3節(jié)所述的蓄水速度控制和停留觀測時(shí)間要求，直至庫水位蓄至正常蓄水位；②“427 m分段蓄水”方案，該方案蓄至死水位427 m之后，停留至2021年4月底(約1年時(shí)間)，之后再蓄水至正常蓄水位，這是滿足機(jī)組發(fā)電要求的下限水位方案；③“448 m分段蓄水”方案，考慮到在448 m水位運(yùn)行期間可利用溢洪道敞泄，無需頻繁操作閘門控制水位，運(yùn)行調(diào)度非常便利，且在該水位下機(jī)組受阻容量很小，該方案蓄至溢洪道堰頂高程448 m之后，停留至2021年4月底(約1年時(shí)間)，之后再蓄水至正常蓄水位；④“459.7 m分段蓄水”方案，該方案蓄至防洪限制水位459.7 m之后，停留至2021年8月底(約1年時(shí)間)，之后再蓄水至正常蓄水位，這是滿足防洪度汛安全要求的上限水位方案；⑤“多水位分段蓄水”方案，為更好的兼顧蓄水安全和初期發(fā)電效益之間的關(guān)系，增加停留水位控制級(jí)數(shù)，考慮庫水位蓄至死水位427 m、溢洪道堰頂高程448 m、防洪限制水位459.7 m后均停留約3個(gè)月，之后再進(jìn)一步蓄水至正常蓄水位，其中蓄水至427 m后，維持水位427 m至2020年8月底；蓄水至448 m后，維持水位448 m至2020年12月底；蓄水至459.7 m后，維持水位459.7 m至2021年8月底。

根據(jù)壩址1959年～2016年共58 a逐旬徑流系列，采用長系列時(shí)歷法進(jìn)行滑動(dòng)計(jì)算，對上述各個(gè)方案水庫初期蓄水歷時(shí)和初期發(fā)電效益進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算成果見表1。

江坪河水電站下閘蓄水方案的主要影響因素是工程安全，5個(gè)方案中方案二在死水位427 m停留的時(shí)間最長，水位控制最嚴(yán)格，導(dǎo)致最大可利用調(diào)節(jié)庫容和最大可利用容量最小，相應(yīng)的初期發(fā)電效益較差；方案一、三、四最大可利用調(diào)節(jié)庫容和最大可利用容量差別不大，初期發(fā)電效益相對較好；方案五按多水位分段蓄水，縮短了427 m水位停留時(shí)間，初期發(fā)電效益較方案二有較大幅度的增加，該方案既能滿足蓄水安全要求，又兼顧了初期發(fā)電效益，同時(shí)也有利于分階段監(jiān)測和分析不同蓄水位情況下的大壩運(yùn)行安全狀況。因此，推薦采用方案五，即“多水位分段蓄水”方案。

表1 江坪河初期蓄水計(jì)算成果

綜合考慮3.2節(jié)蓄水速率控制要求，從死水位427 m至正常蓄水位427 m，蓄水方案如下：

(1) 2020年5月初開始水庫水位從410 m蓄至死水位427 m，期間蓄水速率控制不大于1.5 m/d；當(dāng)水位達(dá)到427 m高程時(shí)暫停蓄水，維持該水位觀測3個(gè)月，至2020年8月底。

(2)2020年9月初開始從水位427 m蓄水至448 m，蓄水速率控制不大于1.0 m/d；當(dāng)水位達(dá)到448 m高程時(shí)暫停蓄水，維持該水位觀測3個(gè)月，至2020年12月底。

(3) 隨后從水位448 m蓄水至汛限水位459.70 m，蓄水速率控制不超過0.5 m/d；當(dāng)水位達(dá)到459.70 m高程時(shí)暫停蓄水，維持該水位觀測至2021年8月底。

(4)2021年9月初從水位459.70 m蓄水至正常蓄水位470 m，蓄水速率控制不大于0.3 m/d。

8 結(jié) 語

江坪河水庫下閘蓄水條件復(fù)雜，限制因素多，蓄水歷時(shí)長，在確保工程安全的前提下，綜合考慮工程形象面貌、蓄水位控制、下游生態(tài)、初期發(fā)電等因素，研究提出了江坪河水庫可操作性較強(qiáng)的下閘蓄水方案。2019年11月上旬江坪河水庫正式下閘蓄水后，蓄水過程正按推薦方案穩(wěn)步推進(jìn)，本工程下閘蓄水方案的研究思路和方法對類似工程具有一定借鑒意義。