江坪河水电站水库下闸蓄水方案研究

杨凤英，吉 鹏

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

下闸蓄水是水电工程建设中重要的里程碑，是水电工程顺利投产发电的保证。大型水电工程受工程形象、移民搬迁、工程安全、近坝库岸稳定、下游供水、初期发电效益等多种因素影响，下闸蓄水条件复杂，一般初期蓄水期为导流设施下闸至蓄水至死水位。江坪河水电站水库初期蓄水期为导流洞下闸水库开始蓄水起，至水库蓄水至正常蓄水位止。根据水库蓄水期间的具体特点，水库初期蓄水期分为2个阶段：①从导流洞下闸起至水库蓄水至死水位427 m止，此阶段水库蓄水主要受导流洞封堵施工和首台机组发电目标制约；②从死水位427 m起至水库蓄水至正常蓄水位470 m止，此阶段水库蓄水主要受大坝安全制约。由于大坝安全和导流洞封堵施工安全对蓄水位控制提出了严格要求，何时下闸、如何蓄水，成为江坪河水电站下闸蓄水方案研究的重点。

1 工程概况

江坪河水电站是溇水干流水电规划的龙头梯级，坝址位于湖北省鹤峰县走马镇，控制流域面积2 140 km2，占全流域面积的42.4%，多年平均流量81.8 m3/s。江坪河水电站开发任务以发电为主，兼顾防洪，正常蓄水位470 m，死水位427 m，调节库容6.78亿m3，库容系数27%，汛期6月～7月为下游预留2亿m3防洪库容，防洪限制水位459.70 m，电站装机容量450 MW，是华中地区不可多得的具有多年调节性能的水电工程。

2 工程形象面貌

江坪河水利枢纽主要建筑物包括混凝土面板堆石坝、2条洞式溢洪道和1条泄洪放空洞、引水系统和岸坡式地面厂房。江坪河混凝土面板堆石坝坝顶高程476 m，最大坝高219 m，溢洪道堰顶高程448 m，泄洪放空洞底板高程370 m， 地面厂房安装2台225 MW水轮发电机组，采用隧洞导流方式，设有1条导流洞，进水口底板高程293.5 m。

截至2019年10月底，大坝已全断面填筑至设计高程472 m，面板混凝土已浇筑至高程430 m，大坝高程375 m以下具备挡水条件，泄洪放空洞已具备运行条件，1号溢洪道已具备运行条件，2号溢洪道已完成绝大部分工作，部分尾工不制约下闸蓄水，引水发电系统土建工程和金结安装已完工，部分尾工不制约下闸蓄水，下游河道护岸及雾化区防护工程已完成，挡水沿线高程430 m以下的交通洞及施工支洞、地质探洞均已封堵完成，具备挡水条件，库区淹没线以下移民搬迁工作已完成，水保环保工程不制约下闸蓄水。因此，整个工程形象面貌满足导流洞2019年11月上旬下闸蓄水条件。根据施工进度计划，下闸后堵头施工需要约8个月时间。

3 下闸蓄水的主要制约因素

3.1 水库蓄水位控制

为满足导流洞堵头施工安全，永久堵头混凝土浇筑期间由封堵闸门(或临时堵头)挡水，要求遭遇时段11月～次年4月20年一遇洪水时，水库水位不超过414.4 m。

3.2 蓄水上升速率控制

江坪河混凝土面板堆石坝是目前在岩溶地区、深厚覆盖层上建造的世界第三高坝，最大坝高219 m，混凝土面板总面积7.08万m2，蓄水水位越高，坝体和面板对水位上升速率越敏感，若初期蓄水速度过快，可能引起变形增大，导致裂缝产生。为确保大坝安全，水库蓄水过程中应严格控制水位上升速率，选择合适的蓄水位停留一段时间，对大坝的应力、变形、渗漏等情况观测后，再进一步蓄水。综合坝体结构计算分析、大坝施工进度安排等因素，参考类似工程经验，水库蓄水上升速率控制要求如下：①370 m高程以下，无泄流条件，按天然入库径流自然上升；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，当水位达到427 m高程，暂停蓄水，至少维持该水位观测2个月；④ 427～448 m高程，蓄水上升速率按≤1.0 m/d控制；当水位达到448 m高程，暂停蓄水，至少维持该水位观测15 d；⑤448～459.70 m高程，蓄水上升速率按≤0.5 m/d控制；当水位达到459.70 m高程，暂停蓄水，至少维持该水位观测15 d；⑥459.70～470 m高程，蓄水上升速率按≤0.3 m/d控制。

3.3 首台机组投产时间

根据江坪河水电站工程进度安排，首台机组计划于2020年7月投产发电，机组调试时间按1个月考虑，水库应于2020年6月蓄水至死水位427 m。

3.4 下游用水需求

江坪河水电站与下游淋溪河水电站衔接，淋溪河对江坪河进行反调节，可满足江坪河泄放的生态基流。考虑到淋溪河水电站尚未建成，江坪河水电站蓄水期间需下泄生态流量8.11 m3/s。

4 下闸蓄水原则

江坪河水库库容大，蓄至正常蓄水位历时长，综合考虑大坝安全、封堵施工安全、机组发电及下游用水等因素，确定下闸蓄水原则如下：

(1)以确保工程蓄水安全为前提，严格控制蓄水进程和上升速率，同时蓄水进程须根据大坝监测分析资料稳妥推进。

(2)在充分确保工程安全的前提下，满足首台机组发电节点目标，发挥工程初期效益。

(3)根据工程施工形象面貌控制蓄水水位，确保蓄水过程中的防洪度汛安全。

(4)水库蓄水期间，须保障下游用水要求。

5 下闸时机选择

5.1 封堵闸门操作分析

根据工程实际施工情况及总体进度计划，导流洞最早于2019年11月上旬具备下闸条件。江坪河导流洞封堵闸门设计操作水头9.30 m，启闭机平台高程348 m，导流洞下闸设计流量采用下闸时段10年一遇的月平均流量。根据历年来水特性分析，4月～10月、11月～次年3月坝址各月10%频率平均流量分别为380～118 m3/s、83.3～25.7 m3/s。经计算分析，若4月～10月下闸，封堵闸门前库水位上升速度过快，不能满足闸门操作水头要求，且下闸后库水位上升至启闭机平台所需时间较短，人员及设备无法及时撤离；若11月～次年3月下闸，可以满足封堵闸门操作水头要求，人员及设备也可安全撤离。因此，江坪河水电站下闸时间应安排在11月～次年3月。

5.2 施工组织进度分析

导流洞下闸封堵后水库开始蓄水，库水位低于泄洪放空洞进水口底板高程370 m之前，无泄流条件，超过370 m高程后，水库来水通过泄洪放空洞下泄。根据堵头施工工期分析，永久堵头混凝土浇筑最早完成时间是下闸后4.4个月，若2020年1月及以后下闸，永久堵头混凝土施工进入汛期，遭遇20年一遇施工期标准洪水时，即使通过泄洪放空洞泄水，起调水位按370 m考虑，坝前最高水位也达到420.32 m，超过封堵闸门(或临时堵头)设计挡水水位414.4 m。因此，下闸时间不宜安排在2020年1月及以后。

5.3 首台机组发电目标分析

在上述分析结果的基础上，以2020年7月首台机组发电为目标，对2019年11月、12月下闸方案进行研究，结果表明，由于存在水位控制，2019年11月、12月各旬下闸均可满足首台机组发电目标。

综合以上情况分析，为有利于导流洞封堵施工安全，确定2019年11月上旬下闸蓄水。

6 导流洞下闸～死水位427 m蓄水方案

由于各种原因，导流洞已过流运行11年，超期服役，虽进行补强加固处理，仍存在不利因素，从降低导流洞封堵施工风险角度，堵头施工期应尽可能降低水位，控制水库蓄水速度。然而为满足2020年7月首台机组发电目标及提高蓄水保证程度，应尽快蓄水，以保证2020年6月库水位蓄至死水位427 m。为协调导流洞封堵施工风险与首台机组发电目标的矛盾，需重点研究泄洪放空洞何时下闸、如何控泄。

根据坝址历年来水分析，遭遇枯水年份(保证率75%)，为保证6月初蓄至死水位，1月底、2月底、3月底水库最低需分别蓄至340.83、358.61、385.17 m。考虑到泄洪放空洞只能对底板高程370 m以上的水位进行控制，因此，泄洪放空洞闸门应于3月下闸控制水位。

在2019年11月上旬导流洞下闸，同时满足第3节水位控制要求的基础上，以2020年7月首台机组发电为目标，对泄洪放空洞闸门3月上旬、中旬、下旬下闸进行计算。结果表明，导流洞11月上旬下闸、泄洪放空洞3月中旬下闸至4月底控制库水位不超过410 m情况下，可以满足首台机组发电目标。

综合考虑3.2节蓄水速率控制要求，从导流洞下闸至库水位蓄至死水位427 m，蓄水方案如下：

(1)2019年11月1日导流隧洞下闸后，水库开始蓄水，高程370 m以下对蓄水上升速率没有控制。

(2)在2020年3月中旬以前，泄洪放空洞敞开泄流。

(3) 2020年3月中旬～2020年4月底，泄洪放空洞下闸控泄蓄水，控制库水位不高于410 m，期间水库水位从370 m蓄水至400 m，蓄水速率控制不大于2 m/d；水库水位从400 m蓄水至410 m，蓄水速率控制不大于1.5 m/d。

(4)2020年5月初开始水库水位从410 m蓄至死水位427 m，期间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

江坪河水电站具有大坝高、面板面积大、工程地质条件复杂等特点，混凝土面板堆石坝坝顶高程476 m，河床趾板基础高程257 m，库水位蓄至死水位427 m、溢洪道堰顶高程448 m、防洪限制水位459.7 m时，蓄水高度已达到170、191、202.7 m。为保证大坝安全，宜在不同的蓄水水位进行多阶段观测运行，待大坝和面板稳定后，再进一步蓄水。为此，在上述第6节从导流洞下闸至死水位427 m蓄水方案确定的情况下，根据第3节水位控制要求，对死水位427 m至正常蓄水位470 m的蓄水过程拟定了5个方案：①“连续分级蓄水”方案，该方案不考虑长时间分段水位控制，只满足第3节所述的蓄水速度控制和停留观测时间要求，直至库水位蓄至正常蓄水位；②“427 m分段蓄水”方案，该方案蓄至死水位427 m之后，停留至2021年4月底(约1年时间)，之后再蓄水至正常蓄水位，这是满足机组发电要求的下限水位方案；③“448 m分段蓄水”方案，考虑到在448 m水位运行期间可利用溢洪道敞泄，无需频繁操作闸门控制水位，运行调度非常便利，且在该水位下机组受阻容量很小，该方案蓄至溢洪道堰顶高程448 m之后，停留至2021年4月底(约1年时间)，之后再蓄水至正常蓄水位；④“459.7 m分段蓄水”方案，该方案蓄至防洪限制水位459.7 m之后，停留至2021年8月底(约1年时间)，之后再蓄水至正常蓄水位，这是满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，为更好的兼顾蓄水安全和初期发电效益之间的关系，增加停留水位控制级数，考虑库水位蓄至死水位427 m、溢洪道堰顶高程448 m、防洪限制水位459.7 m后均停留约3个月，之后再进一步蓄水至正常蓄水位，其中蓄水至427 m后，维持水位427 m至2020年8月底；蓄水至448 m后，维持水位448 m至2020年12月底；蓄水至459.7 m后，维持水位459.7 m至2021年8月底。

根据坝址1959年～2016年共58 a逐旬径流系列，采用长系列时历法进行滑动计算，对上述各个方案水库初期蓄水历时和初期发电效益进行计算。计算成果见表1。

江坪河水电站下闸蓄水方案的主要影响因素是工程安全，5个方案中方案二在死水位427 m停留的时间最长，水位控制最严格，导致最大可利用调节库容和最大可利用容量最小，相应的初期发电效益较差；方案一、三、四最大可利用调节库容和最大可利用容量差别不大，初期发电效益相对较好；方案五按多水位分段蓄水，缩短了427 m水位停留时间，初期发电效益较方案二有较大幅度的增加，该方案既能满足蓄水安全要求，又兼顾了初期发电效益，同时也有利于分阶段监测和分析不同蓄水位情况下的大坝运行安全状况。因此，推荐采用方案五，即“多水位分段蓄水”方案。

表1 江坪河初期蓄水计算成果

综合考虑3.2节蓄水速率控制要求，从死水位427 m至正常蓄水位427 m，蓄水方案如下：

(1) 2020年5月初开始水库水位从410 m蓄至死水位427 m，期间蓄水速率控制不大于1.5 m/d；当水位达到427 m高程时暂停蓄水，维持该水位观测3个月，至2020年8月底。

(2)2020年9月初开始从水位427 m蓄水至448 m，蓄水速率控制不大于1.0 m/d；当水位达到448 m高程时暂停蓄水，维持该水位观测3个月，至2020年12月底。

(3) 随后从水位448 m蓄水至汛限水位459.70 m，蓄水速率控制不超过0.5 m/d；当水位达到459.70 m高程时暂停蓄水，维持该水位观测至2021年8月底。

(4)2021年9月初从水位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 结 语

江坪河水库下闸蓄水条件复杂，限制因素多，蓄水历时长，在确保工程安全的前提下，综合考虑工程形象面貌、蓄水位控制、下游生态、初期发电等因素，研究提出了江坪河水库可操作性较强的下闸蓄水方案。2019年11月上旬江坪河水库正式下闸蓄水后，蓄水过程正按推荐方案稳步推进，本工程下闸蓄水方案的研究思路和方法对类似工程具有一定借鉴意义。