紫坪铺工程安全高效运行关键技术浅析

由 丽 华， 谭 炜

(四川省紫坪铺开发有限责任公司，四川 成都 610091)

1 工程概况

紫坪铺工程位于岷江上游映秀至都江堰河段，水库正常蓄水位877 m，死水位817 m，总库容11.12亿m3，正常水位库容9.98亿m3，具有不完全年调节功能；可为都江堰灌区1 400万亩农田灌溉提供水源保证，同时向成都市提供城市生活及工业用水50 m3/s，环保用水20 m3/s，年增城市生活及工业用水6.94亿m3，环保用水3.15亿m3。工程度汛标准采用千年一遇洪水(洪峰流量Q=8 300 m3/s)设计，可能最大洪水(洪峰流量Q=12 700 m3/s)校核。紫坪铺水库设计洪水位871.20 m，校核洪水位883.1 m，汛限水位850 m。当水库水位不超过861.6 m或入库流量不超过百年一遇洪水时，水库以下游金马河青城大桥断面10年一遇过流量(Q=3710 m3/s)为控制标准，水库下泄流量和白沙河来水量叠加，不得超过此泄流量，下游防洪标准由10年一遇提升至100年一遇；当水库水位超过861.6 m或入库流量大于等于百年一遇洪水流量时，水库以现有泄流能力敞泄，以保枢纽工程安全为防洪主要任务。

挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，坝顶高程884.00 m，坝高156 m。主要泄水建筑物包括1号、2号泄洪排沙洞、冲砂放空洞和溢洪道。1号、2号泄洪排沙洞洞内最大流速45 m/s，单洞最大泄流量1 667 m3/s，两条隧洞互为备用。冲砂放空洞是工程主要的泄流冲砂设施，也是主要的水库调度设施之一。工作闸门前为内径4.4 m的有压管道，出口设弧形工作闸门，其后为洞长63.3m的城门洞型(5.8 m×4.5 m)明流隧洞连接开敞式反弧挑坎。工作闸门孔口底板高程757.70 m，孔口尺寸3.0 m×3.0 m，汛限水位850.00 m时的洞身流速为20.26 m/s，工作闸门孔口处流速34.22 m/s。

2 关键技术及运用

2.1 枯水期的水库调度

2.1.1 面临的问题

作为成都市和都江堰灌区重要的水源地，紫坪铺工程设计之初在坝址下游规划了反调节水库，后因种种原因该水库未建，致使工程缺乏向下游供水的专用设施，枢纽供水功能不完善。枯水期，水库通过机组过流向下游供水。用电低谷时段，机组下泄流量不能满足下游用水需求时，不得不利用高流速泄洪洞向下游补水，致使泄洪隧洞被迫承担常规供水功能。为保证下游河道安全，节约库水资源，泄洪洞在不同水位下频繁局开供水；另一方面，因紫坪铺电站为500 kV线路单回输出，GIS开关站设备在“5·12”汶川地震后至今尚未检修，上述设施和设备在故障、事故或检修期间，电站将长时间停机，只能通过泄洪设施向下游供水、配水。高流速泄洪排沙洞长时间局开使用，运行风险较大，而新建专用供水隧洞，满足枯水期供水、配水要求也不经济。若冲砂放空洞具有向下游灵活、精准的供水功能，将丰富紫坪铺水库在枯水期的调度手段，节约库水资源，保障供水安全，节省新建供水隧洞的工程费用。

冲砂放空洞工作闸门设计为全开全关的运行模式，不能调节下泄流量。闸门在设计竣工体型下局部开启，高速水流将对出口明渠段衬砌产生空蚀破坏(图1)，对工程运行安全造成影响。优化冲砂放空洞洞室结构，在闸门局开工况下，避免空蚀破坏，实现对下泄流量灵活和精准地控制，扩展其供水功能具有重大意义。

图1 2006年12月冲砂放空洞工作闸门局开原型试验中边墙衬砌空蚀破坏

2.1.2 主要技术措施与运用

冲砂放空洞工作闸门局部开启运行时，高速水流易对衬砌产生空蚀破坏的洞段为冲0+541.86 m～冲0+547.61 m，经多次试验研究，采取以下方式对该洞段体型进行优化：设置梯形突扩收缩式掺气坎，掺气坎以上原洞身结构体型不变，掺气坎后洞身宽度突扩至5.8 m。2009年对该洞段体型进行了改造，并开展了工作闸门多开度下的泄流试验。原型试验监测数据表明，工作闸门以0.3及0.5开度运行时，掺气设施下游底板过流面压力分布正常，掺气侧坎后通气顺畅，水流掺气效果良好，未发现空化水流，闸门小开度泄流运行时的振动量级处于安全范围，闸室运行状态良好，成功实现了工作闸门多开度下安全、长时间、变流量的泄水运行目的。

这一优化解决了隧洞在局开工况下高速水流对衬砌的空蚀破坏问题，实现了闸门局开运行的功能，泄流量得到灵活、精准的控制。2010年至2015年紫坪铺电站送出线路500 kV紫景线线路检修期间(枯水期)，通过闸门局开向下游供水，确保供水安全的同时，减少了弃水，增加了发电效益。根据统计，每年线路检修期间平均节约水量1.5亿m3，可增加发电量约4 000万kWh，已累计带来约3 200万元的发电收入。

2.2 汛期的水库调控

2.2.1 面临的问题

按照设计要求，紫坪铺水库汛期以单一的汛限水位对运行安全进行约束，以随时准备防御PMF洪水为目的进行防洪调度，未考虑年份来水情况及流域内实时水雨情信息，仅以库水位及入库流量判断洪水标准并作为防洪调控指标；紫坪铺水库的防洪安全泄量(2 393 m3/s)考虑的是下游各防洪控制断面的同频率遭遇峰值情况，防洪调度都按单一安全泄量值控制泄洪。按照上述单一指标进行水库防洪调度面临以下主要问题：

2.2.1.1 带来工程安全运行隐患

受岷江上游各级水库建成蓄水影响，紫坪铺水库拦蓄800～1 100 m3/s小洪水渐成常态。由于汛限水位850 m的严格控制，汛期正常来水或常遇小洪水时，即使机组满发泄流，也将有300 m3/s左右的来水需经泄洪设施下泄，致使冲砂放空洞或两条泄洪排沙洞频繁使用。高流速隧洞长时间频繁运用，其安全性和耐久性将受到严重影响，给工程运行安全带来较大风险。

2.2.1.2 增大水库防洪调度难度

紫坪铺工程的泄洪排沙洞为高流速隧洞，其出口挑流鼻坎较高，当库水位超过842 m，闸门开度在0.3度以下运行时(Q泄≤288 m3/s)，不能形成挑射水流，结合段出口将形成有压水跃封闭洞口，加大水流内部负压，增大洞内空蚀破坏的风险。因此，泄洪排沙洞只能在闸门开度0.3以上运行。如果只发生一场小洪水(Q入库≤3 070 m3/s)，泄洪排沙洞局开泄洪，洞内水流状态较差，易致衬砌气蚀破坏。全开泄洪时，泄洪排沙洞泄流量(库水位850 m时Q泄=1 251.49 m3/s)与机组发电及冲砂放空洞下泄流量之和超过2 000 m3/s，对下游冲击加大；如果上游仍在发生强降水，则存在前期泄流少、后期泄流大、水库水位易快速抬高的结果。按照固定的安全泄量进行调洪，将限制紫坪铺水库的下泄流量，不能腾出更多防洪库容，影响到水库防洪安全并降低洪水资源化水平。

2.2.1.3 降低汛后水库满蓄率

紫坪铺水库建成运行以来，就存在下游都江堰丘陵灌区囤蓄水库与紫坪铺水库在汛后争蓄的矛盾。紫坪铺水库在首先满足下游综合用水需求后，蓄满自身水库的水量无法得到充分保证，枯水年份显得尤为突出。汛期按照单一的汛限水位运行，易造成前期弃水过多而汛后无水可蓄，水库不能及时回蓄至兴利库容的被动局面，对都江堰灌区的春灌和成都市的供水、环保和发电产生较大影响。

2.2.2 主要技术措施与运用

3.2.2.1 错峰固定下泄与坝下游的区间流量凑泄相结合的汛期水库调度方法

结合紫坪铺工程特点，通过对安全泄量和所需防洪库容的重新复核，考虑下游岷江支流白沙河洪水与岷江干流洪水相遇的不利情况，将白沙河洪水流量按凑泄的方式控制紫坪铺水库下泄流量，形成错峰固定下泄与下游白沙河流量凑泄相结合的汛期紫坪铺水库调度运行技术(见表1)。实践证明，通过科学调度，提高了紫坪铺工程防洪调控能力，增强了对下游区间突发性水污染事件的应急调控能力。

表1 紫坪铺水库主汛期(6～8月)调度运行技术方案

说明：1)水库上游来水小于1 100 m3/s时，4台机组发电参与泄洪，同时维持水库汛期运行水位不低于起调水位。2)水库上游来水大于1 100 m3/s且库水位低于防洪高水位861.6 m时，冲砂洞全开，并根据洪水情况开启1号洞(或2号洞)并控制闸门开度使总泄量不超过2 500 m3/s；库水位逐渐升高但低于防洪高水位时，当水库泄流能力大于2 500 m3/s时按固定泄量2 500 m3/s下泄。3)水位超过防洪高水位861.6 m时，保持2台机组参与泄洪，冲砂洞与1号洞(或2号洞)敞泄，为保证大坝安全不控制下泄流量；当库水位超过500年一遇洪水位869 m时，机组不参与泄洪。4)库水位超过870 m时开启溢洪道，以满足泄流通过溢洪道挑越下游河道内的F3断层，确保坝基和下游库岸边坡安全。5)洪峰过坝后，所有泄洪建筑物保持原溢流状态，直到库水位降至870 m时，关闭溢洪道闸门。6)当水位降至水库汛期运行水位，气象及水情预报表明近期无大的降雨和洪水时，先关闭已开启的泄洪洞，然后再关闭冲砂洞，水库恢复正常运行方式。

按照表1调度，紫坪铺水库汛期起调水位可由850 m提高至851 m。

2013年7月，紫坪铺工程遭遇“7·9”特大暴雨洪灾。灾害期间，岷江上游发生了1964年100年一遇洪水后的第二大洪水。此次洪水过程持续时间较长，为典型的近坝区的暴雨山洪，部分降水直接落于库区，洪水陡涨陡落(图2)。洪水过程初始时刻库水位851.3m，初始基流为770 m3/s左右，第一轮强降雨后产生1 314 m3/s的首轮洪峰，第二轮更强降雨紧随其后，产生4 231 m3/s的最大洪峰。随着降雨逐渐减弱，来水流量缓慢消退至760 m3/s左右。为保证下游河道及成都市中心城区安全，洪水过程前期调度以拦蓄洪水为主，后期逐量缓慢泄洪。通过流量凑泄的适时调控，错峰调度，共计拦蓄洪水2.6亿m3，削减最高洪峰3 700 m3/s，避免了最大洪峰与下游白沙河洪水洪峰叠加，使下游洪水由40年一遇降为10年一遇，相当于将涌入都江堰内江宝瓶口的洪水水位消减了3～4 m，避免了水淹都江堰市，最大限度减轻了都江堰灌区和成都市的防洪压力，保证了下游地区千百万人民群众生命财产安全，受到了国务院工作组、四川省委、省政府领导的高度评价。

2013年7月18日至22日，紫坪铺下游白沙河遭遇山洪泥石流，造成成都市饮用原水浊度严重超标。应成都市要求，紫坪铺水库紧急调用库水进行稀释。通过对白沙河洪水流量、入库流量和稀释用水量的综合分析，紧急开启冲砂放空洞(Q=300 m3/s)下泄库水，历时52 h，累计增供清水5 650万m3，及时稀释了大幅度超标的原水，化解了此次成都市的用水危机。

3.2.2.2 后汛期逐步抬高水库运行水位的水位调控方法

综合暴雨成因、实测降雨、峰现时间和量级等情况分析，由于9月1日后形成洪水的暴雨天气成因显著不同、洪水量级明显减小，将紫坪铺水库主汛期与后汛期的分界日定为9月1日。主汛期(6月～8月)，以全面的水情测预报数据为支撑，通过逐步抬高水库运行水位，通过错峰固定下泄和下游区间流量凑泄相结合的方法，错峰调度，有效调控洪水，确保下游防洪安全；后汛期(9月)，根据后汛期水库水位回蓄控制指标(表2)要求和水情、天气预报情况，在保证枢纽工程和下游防汛安全的前提下，通过科学预测、良好协调和优化调度，提前蓄水，可减少弃水量，增加发电收益，提高水库的综合效益。

图2 7月8日-7月17日洪水过程及调度示意图

表2 后汛期紫坪铺水库调度水位控制指标

经统计，从10月1日起蓄水，仅有2009年和2012年能按时蓄至正常蓄水位877 m，其余年份均不能回蓄至正常蓄水位，尤其是2007年还将出现降至817 m死水位无水可蓄的局面。

通过后汛期逐步提高库水位实现提前蓄水，紫坪铺工程的综合效益得到明显提高。在确保水库度汛安全的前提下，2013年～2015年9月蓄水，产生的效益明显高于往年(表3)。图3为2015年后汛初期(9月)蓄水与10月初蓄水时，洪水资源化情况。

3 结 语

为科学利用日益匮乏的水资源，缓解向下游供水的供需矛盾，增强紫坪铺工程的综合效益，通过改造冲砂放空洞体型增加其调水、配水功能，优化汛期紫坪铺水库调控方式，实现水库调度运行的安全、灵活和精准目标。紫坪铺工程安全高效运行关键技术的成功应用，促进了工程防洪、供水、灌溉、发电等效益的发挥，对应对下游突发水安全事件，降低大中型水库汛期运行调度风险，对提高水资源利用效益和对大中型水利水电工程中高水头泄流设施的设计优化具有良好借鉴意义。

表3 后汛期蓄水后紫坪铺水库效益增长统计表

图3 2015年紫坪铺水库后汛期(9月初起)蓄水与非汛期(10月初起)蓄水过程线