官帽舟水电站下闸蓄水方案研究

韩小妹，陈松滨，朱 峰

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120;2.中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610)

官帽舟水电站位于四川省乐山市马边河，电站装机容量120MW，坝址多年平均流量为63.4m3/s，水库总库容9733万m3，水库正常蓄水位674m、死水位640m。枢纽主要建筑物包括沥青混凝土心墙土石坝、溢洪道、泄洪放空洞、长引水发电系统、生态流量引水发电系统。

泄洪放空洞由导流洞改建而成，进口采用龙抬头结合型式。导流洞封堵和龙落尾同时施工，下闸蓄水时无法通过泄洪放空洞过流，因而无法采取文献[1-5]的分期蓄水方案。沥青混凝土心墙土石坝最大坝高为108m，上、下游坝壳料以泥质粉砂岩为主，如果初期蓄水速度过快，可能引起心墙和坝壳变形增大，导致心墙致产生裂缝，因此官帽舟水电站初期蓄水风险较大。

针对无法分期蓄水、蓄水速度快、坝壳料为软

岩的沥青心墙高坝的特点，设计通过多种蓄水方案、导流洞封堵方案分析比较，提出了合理的下闸蓄水时间、下闸蓄水方案和封堵方案。官帽舟水电站初期下闸蓄水的顺利实施，为类似无法分期蓄水的高坝小库工程下闸蓄水提供借鉴经验。

1 下闸蓄水时间分析

官帽舟水电站溢洪道堰顶高程662m，引水隧洞进水口底板高程631m。泄洪放空洞采用龙抬头形式，由导流隧洞改建而成，其进口底板高程为620m，泄洪放空洞纵剖面如图1所示。根据施工组织进度安排，下闸蓄水后导流洞封堵体和泄洪放空洞龙抬头末尾段流道底板需要施工，正常情况下泄洪放空洞不宜泄洪。因此在电站未发电前，溢洪道堰顶高程662m以下无泄水通道。

图1 泄洪放空洞半结合导流洞纵剖面

1.1 河道来水分析

工程主汛期在6～9月，坝址下游19km的马边水文站1957～2013年系列资料显示最大洪水发生的月份统计见表1。

表1 马边水文站年最大流量发生频率统计

官帽舟水电站多年平均发电量4.761亿kW·h，其中汛期(5～11月)发电量3.555亿kW·h，汛期发电量比重占全年的75%左右。根据河流来水情况，为尽早、尽多发挥电站效益，汛前下闸蓄水经济上是比较合理的。

1.2 施工组织进度分析

截至2015年4月16日，本工程首部枢纽与蓄水有关的主要工程项目大坝、溢洪道、放空洞、发电进水口、生态电站进水口等主要水工建筑物已基本建设完成，水库淹没范围的移民搬迁和库底清理已完成，工程已具备蓄水条件。

导流洞封堵时，正常情况下泄洪放空洞无法正常泄洪，如果在汛前蓄水，需要在主汛期起点6月1日之前完成导流洞封堵，泄洪放空洞龙落尾流道底板混凝土浇筑强度达到设计强度。鉴于导流洞封堵体施工空间作业狭小，大体积混凝土浇筑、混凝土廊道浇筑、回填灌浆、接触灌浆、混凝土廊道回填和龙落尾流道底板混凝土浇筑，且龙落尾流道底板混凝土凝结时间需要超过90d以上[6-9]。因此官帽舟水电站下闸蓄水应安排在主汛期(6～9月)之后。

1.3 大坝预沉降稳定期分析

在P=75%频率径流下，坝址10月径流量为55.4m3/s，12月径流量为24.1m3/s，而次年1和2月径流流量最小，分别为18.8m3/s和20.6m3/s，虽然次年1月径流量最小，水库蓄水上升速度最慢，导流洞下闸闸门及封堵体的封堵压力最小，但是考虑到工程需要尽早发挥发电效益，因此主汛期后下闸蓄水时间主要由大坝预沉降稳定期控制。官帽舟水电站沥青混凝土心墙土石坝坝壳填筑大量泥质粉砂岩，坝体沉降变形稳定期长。2015年4月16～24日监测的坝顶日沉降量为2mm/d，619m高程最大沉降累计位移753mm，表明坝体的沉降变形速率仍较大，沉降未稳定。如果2015年12月中下旬下闸蓄水，将增加8个月大坝沉降期，有利于大坝的沉降稳定，减小水库蓄水期间大坝沉降变形，对大坝的心墙受力更有利。

综合以上情况分析，确定2015年12月中下旬下闸蓄水。

2 下闸蓄水方案

2.1 蓄水速度

按照四川省发改委水电工程验收政策要求，引水系统安全鉴定和机组启动验收需要在水库下闸蓄水之后进行。发电机组调试到正常发电需要10～40d，根据施工组织进度安排，下闸蓄水后，无法通过放空洞、电站进水口下泄水流，需一次连续蓄到溢洪道堰顶，通过溢洪道下泄水库流量。

根据下闸蓄水时间(12月中、下旬)来水情况，选择5个典型年进行分析：丰水年1967年(10%)、丰偏枯1971年(25%)、平水年2000年(50%)、枯偏丰1982年(75%)、枯水年1987年(90%)。按照12月10日、12月20日分别开始蓄水计算，计算结果见表2。

表2 蓄至溢洪道堰顶高程(662m)的蓄水时间成果

从表2可以看出，若12月10日开始蓄水，蓄水至溢洪道堰顶高程662m，根据文献[10]要求，按75%来水保证率，需要35d；若12月20日开始蓄水，蓄水至662m高程，按75%来水保证率，需要39d。645m高程以下平均蓄水上升速度约为3.68m/d，645～662m高程的蓄水上升速率约为1.10m/d。

2.2 蓄水方案

根据实际施工形象、工程布置，导流洞封堵施工和泄洪放空洞改建施工等综合分析，拟定了3个蓄水方案：泄洪放空洞泄流、控制蓄水速度方案；自然来水蓄水不防应急方案；自然来水蓄水防应急方案。

2.2.1 泄洪放空洞泄流、控制蓄水速度方案

导流洞封堵闸门下闸后在未遭遇洪水的情况，蓄水至625m水位，利用泄洪放空洞闸门局部开启泄流，控制水库水位上升速度在2m/d，2015年枯期水库控制水位不超过662m运行，在水库水位达到溢洪道堰顶高程662m后，关闭泄洪放空洞闸门，溢洪道闸门全开敞泄，当坝体渗透稳定和坝体边坡稳定时，才安排导流洞永久堵头和泄洪放空洞改建段施工。在蓄水上升过程中，当坝体出现渗透异常时，需要临时开启泄洪放空洞泄洪，降低库水位，确保大坝安全。

图2 泄洪放空洞龙落尾蓄水期应急加固

该方案能采用泄洪放空洞控制水库水位上升速度，有利于减小蓄水对坝体变形影响和观察坝体渗漏等异常情况，有利于岸坡稳定。

虽然导流洞进口闸门和上游非结合段按照正常蓄水位设计，但是导流洞进口闸门和上游非结合段是临时工程，且上游非结合段按照设排水孔和外水压力折减进行设计，随着水库水位上升，上游非结合段漏水量大，影响导流洞封堵。

该方案蓄水过程中可能遭遇小洪水，当P=20%洪水流量46.6m3/s，泄洪放空洞需要下泄最大流量为32m3/s，而导流洞堵头和改建段均未施工，泄流将引起龙抬头舌头底板和导流洞顶拱冲毁，跌水回流将冲毁龙落尾处导流洞底板，甚至冲毁上部龙抬头侧墙与下部导流洞侧墙之间1m厚度的薄衬砌，漏出岩石凌空面，而泥质粉砂岩围岩抗冲性能差，因此甚至将会危及整个龙抬头、甚至泄洪闸门井的安全。该风险对工程是灾难性的，不能接受。

综合上述分析表明，该方案不宜采用。

2.2.2 自然来水蓄水不防应急方案

按照自然来水进行蓄水，连续蓄水至溢洪道堰顶高程662m后，溢洪道闸门全开敞泄。2015年汛后控制水库水位不超过665m运行。蓄水过程中若坝体出现渗透破坏、坝体边坡有异常时，临时开启泄洪放空洞泄洪。导流洞封堵闸门下闸后立即组织开展导流洞永久堵头和泄洪放空洞改建段施工，泄洪放空洞龙落尾处导流洞底板不进行保护，争取缩短导流洞封堵和泄洪放空洞改建施工时间，降低水库蓄水后大坝出现异常的风险。

本方案的优点导流洞封堵和泄洪放空洞龙落尾底板改造施工时间最短，即约需要90d，同时导流洞尽快封堵、泄洪放空洞龙落尾尽快改造，早日能过流，尽早消除下闸蓄水的风险。

由于初期蓄水时水库水位上升速度很快，蓄水对坝体变形和沥青混凝土心墙受力不利，蓄水过程中一旦大坝出现严重异常，需要紧急开启泄洪放空洞泄水，将冲毁泄洪放空洞龙抬头末尾改建段，甚至会危及龙抬头和泄洪放空洞闸门井。因此本方案不宜推荐采用。

2.2.3 自然来水蓄水防应急方案

水库蓄水方案与方案二相同。但是为了防止在蓄水上升过程中，坝体出现异常，需要紧急开启泄洪放空洞应急泄洪。为了尽量降低泄洪放空洞泄洪跌水对龙落尾处底板的冲毁破坏程度，在导流洞封堵闸门下闸后立即组织开展导流洞临时堵头封堵施工，12d完成临时堵头封堵，导流洞的安全得到保证。然后在泄洪放空洞龙抬头末尾、导流洞底板处布设水垫混凝土，防止导流洞底板被冲毁，在泄洪放空洞末尾舌尖下部导流洞内布设钢拱架，防止泄洪脉动冲毁龙抬头舌尖；然后开展永久堵头和泄洪放空洞结合段改建施工。若导流洞堵头和泄洪放空洞改建段基本完成后，水库继续蓄水至正常蓄水位。泄洪放空洞龙落尾底部加固纵剖面如图2所示。

本方案既考虑导流洞进口闸门和非结合段为临时工程，尽早施工封堵体，以便尽早消除导流洞封堵体的初期蓄水时漏水风险，同时考虑到蓄水速度快，沥青混凝土心墙土石坝漏水和变形裂缝的风险，需要紧急采用泄洪放空洞泄洪，泄洪放空洞龙抬头末尾段导流洞采用了水垫混凝土和钢拱架保护，导流洞底板和侧墙冲毁程度处于可控状态。

本方案自然来水蓄水，初期蓄水速度快，对坝体和心墙变形不利。龙落尾的加固延迟了永久封堵体施工7d，增加了初期蓄水7d风险时间。

2.2.4 推荐蓄水方案

通过3种蓄水方案的风险分析，自然来水蓄水防应急方案综合考虑了大坝、导流洞和泄洪放空洞的蓄水风险，使得风险基本可控，因此推荐采用自然来水蓄水防应急方案。

本方案还应抓紧机组安装调试和启动验收准备，确保2016年1月中上旬首台机组投产发电，第二台机组尽可能在2016年2月中上旬投产发电。水库蓄水初期运行期间尽早让两台机组发电消落水位，将水库水位控制在665m高程以下运行，以增加调洪库容。

3 导流洞封堵方案

3.1 导流洞非结合段设计

导流洞进口导0±000.00～导0+201.270位于泄洪放空洞北部，导0+201.270～导0+350.50(结合段起点)位于泄洪放空洞正下方，在平面上与泄洪闸门井和泄洪龙抬头完全重合。

导流洞进口闸门按照挡正常蓄水位设计。导流洞非结合段全部采用钢筋混凝土全断面衬砌。其中进口导0+000.00～导0+020.00段隧洞按照全水头设计，其衬砌厚度为2.0m；导0+020.00～导0+350.50段按照水头折减设计，隧洞衬砌厚度为1m，边墙和顶拱均设置排水孔。

3.2 封堵方案

导流洞原设计封堵体位于龙落尾下部，因此键槽位于龙落尾下部附近的“导0+287.00～导0+298.00”段，键槽上游起点距离泄洪放空洞龙抬头流道底板最近距离9.33m。在下闸蓄水安全鉴定分析中，通过渗流分析，绕渗距离仅9.33m，容易渗透失稳。

考虑到导0+201.270～导0+350.50(结合段起点)位于泄洪放空洞正下方，泄洪闸门井下部的导流洞为凌空面，一旦泄洪闸门井底板变形失稳，泄洪放空洞泄洪功能失效。

由于官帽舟水库库容小，坝高108m，蓄水速度快，导流洞洞内施工空间狭小，一旦封堵体施工进度未达到设计要求，封堵体会漏水，甚至射流，无法进行二次封堵。

为了防止封堵体漏水引起难以二次封堵，且保证泄洪闸门井底部有坚实可靠基础和龙落尾有足够长的绕渗长度，设置1段临时封堵体、2段永久封堵体，其中临时封堵体位于1#永久封堵体上游，1#封堵体和2#封堵体分别位于泄洪闸门井底部和龙落尾下部。永久封堵体按照封堵廊道分期施工，控制大体积混凝土温度应力变形，廊道四周能进行固结灌浆兼作回填灌浆。官帽舟导流洞封堵方案如图3所示。

2015年12月26日，临时封堵体浇筑完毕，施工人员未按期进行临时封堵体的顶拱回填灌浆施工，而是进行1#永久封堵体廊道底板和侧墙浇筑施工。在临时封堵体浇筑过程中，临时封堵体仅有微小渗水量，影响永久封堵体施工，施工人员关闭了蝶阀。2016年1月7日，1#永久封堵体底板完成3～5m，廊道两边侧墙浇筑5m高时，临时封堵体顶部突然出现3股射流，射程约7m，射流流量约0.41m3/s，在导流洞出口就能明显听到射流瀑布声音。从射流水持续浑浊判断，导流洞进口粘土围堰从导流洞上游非结合段的排水孔或者衬砌的裂缝流出。

由于突然出现射流，原设计的1#永久封堵体(封堵廊道)调整为临时封堵体，混凝土大体积浇筑，在1#永久封堵体仅有二排环向固结灌浆兼回填灌浆。2016年1月15日1#封堵体～导流洞结合段起点处侧墙和顶拱排水孔开始出现渗水，主要是点渗，部分部位出现线渗，还未达到面渗。由于1#封堵体～导流洞结合段是按照折减水头进行设计，通过分析，此段不宜进行固结灌浆封排水孔，只能加快施工进度。此时，电站2#机组开始正常发电消落库水位，大坝初期蓄水和导流洞封堵的风险开始下降。在1月20日完成1#封堵体混凝土浇筑和固结灌浆。在2月24日完成2#永久封堵体廊道，3月4日～10日完成固结灌浆及回填灌浆。3月11～15日完成龙落尾流道底板混凝土浇筑。在1月15日～3月15日期间没有出现新的渗水、漏水和变形等异常现象。

图3 官帽舟导流洞封堵纵剖面

4 总结

2015年12月16日大坝下闸蓄水，2016年1月14日水库蓄到663m，超过溢洪道堰顶水位。2016年1月15日开始，一台机组正式运营，开始消落水库水位，1月20日水库水位消落到651m左右。其后在导流洞封堵施工期间，水库水位基本保持在650～653m。

在初期蓄水过程中，坝体渗流量小，渗流清澈，坝体渗透稳定，坝体表面和坝体内部变形稳定，未出现不均匀变形引起的裂缝。坝体初期蓄水正常，无需进行启动泄洪放空洞应急泄洪。导流洞封堵过程设置了1道临时封堵体和2道永久封堵体，虽然临时封堵体施工过程中一度出现射流漏水异常现象，但是封堵设计方案合理预留了风险控制措施，施工完成后的导流洞封堵体基本不渗水。目前官帽舟水电站各枢纽建筑物已正常运行19个月，最大渗流量仅为5.7L/S。