伊辛巴水电站水库初期蓄水方案研究

鲁礼慧

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

下闸蓄水是水电站水轮发电机组有水调试的先决条件，同时也是对大坝等挡水建筑物设计施工质量的全面检验。水电站初期蓄水条件往往受到多种制约因素的影响[1-4]，包括移民搬迁、工程形象进度及库底清理工作等[5]。蓄水速率受大坝安全、工程边坡及近坝库岸稳定等因素控制，而下泄流量又受到电站下游居民的通航要求和生活用水需求限制，因此需要对入库流量和下泄流量进行合理调配。因此水库初期蓄水方案需要全面考虑上述因素，以制定安全可靠的蓄水方案。

1 研究背景

1.1 工程简介

伊辛巴水电站位于乌干达境内的白尼罗河上，为低水头河床式电站，总装机容量为183MW。水电站枢纽主要由左右岸黏土心墙堆石坝、左右岸混凝土重力坝、溢洪道、河床式发电厂房组成，各建筑物共同承担挡水任务并位于同一轴线上，采用底孔溢洪道和表孔溢洪道泄流，轴线总长度1599m。水库正常蓄水位1054.50m，相应正常蓄水位以下库容16081万m3。

根据施工进度安排，计划于2018年11月5日开始下闸蓄水，起始水位为1039.00m。为控制蓄水安全风险，本工程初期蓄水先蓄至1053.00m后保持该水位半个月，在此期间通过巡视检查确认上游库岸边坡稳定后，再逐渐蓄水至正常蓄水位1054.50m。下闸蓄水前，工程形象进度、库区移民搬迁、专项迁改、库底清理、应急预案等各项工作均已满足蓄水要求，溢洪道闸门启闭设备运转良好。

1.2 蓄水控制要求

枢纽建筑物中左右岸黏土心墙堆石坝对蓄水控制要求最高。土石坝最大坝高26.50m，采用心墙堆石坝型，坝顶高程1057.50m，坝顶宽度10m，左岸土石坝段坝顶长度为375.16m，右岸土石坝段坝顶长度为1049.52m。由于土石坝对水位变幅比较敏感，因此蓄水过程中每天的水位变幅不宜过大。根据国内土石坝水库工程的蓄水经验[6-11]，上涨速率通常为1～2m/d。考虑本工程坝轴线较长的特点，拟定蓄水原则为：蓄水初期上涨幅度不超过2m/d，蓄水后期上涨幅度不超过1.0m/d；由于库区内存在较高的土质直立岸坡，为避免在水库水位消落时库岸失稳[3]，控制库水位降幅不超过0.5m/d。另外，蓄水期间要考虑下游码头通航和居民生活用水要求，下泄流量需不小于400m3/s。

2 蓄水方案设计

2.1 水库来水分析

水库上游来水主要为上游已投运的布加嘎里水电站的发电尾水，上游电站与本电站之间的河段无大的支流河道汇入，因此本电站来水流量即为上游电站放水流量。上游电站放水流量已根据当地用电负荷确定，每日放水流量规律相对固定。蓄水期间，上游电站放水到达本电站历时5h。根据典型来水流量过程，蓄水时期上游来水日平均流量为905m3/s，用电负荷高时流量较小，用电峰时流量大。高用电负荷时段(21：00～9：00)、即到达本电站时间(2：00～14：00)的平均来水流量为768m3/s，低用电负荷时段(9：00～21：00)、即到达本电站时间(14：00～次日2：00)的平均来水流量为1042m3/s。

2.2 水位-库容关系

本枢纽工程库水位与库容关系见表1。本工程从上游水位1039.00m蓄至正常蓄水位1053.00m，蓄水高度为14m，总蓄水库容1.33亿m3。

表1 库水位-库容关系

2.3 下闸蓄水方案

根据蓄水控制要求，蓄水方案确定为水位上涨速率逐渐由2m/d降为0.35m/d，满足水位上涨速率控制要求。分3阶段蓄水：①1039.00～1046.00为第1阶段，蓄水速率不超过2.0m/d，4d完成蓄水任务；②1046.00～1052.00为第2阶段，蓄水速率约为1m/d，6d完成蓄水任务；③1052.00～1053.00为第3阶段，蓄水速率约为0.35m/d，3d完成蓄水任务。计划13d时间完成初期蓄水工作。根据表1水位-库容关系、按照以上分期蓄水计划，约1026万m3/d的蓄水量。

由于已知上游来水过程，可根据水量平衡原理准确控制水库蓄水过程[12]。1026万m3/d的蓄水量对应的蓄水速率为119m3/s，本次初期蓄水方案初拟119m3/s的流量作为入库流量。根据上游来水流量过程，蓄水期间每天分为2个时段，第1时段为高负荷用电时段、即小流量来水时段，上游来水平均流量为768m3/s，按照约649m3/s的下泄流量向下游放水，该下泄流量可保证下游用水需求；第2时段为低负荷用电时段、即大流量来水时段，上游来水平均流量为1042m3/s，按照约923m3/s的下泄流量向下游放水。根据上述蓄水下泄方案，小流量来水时段和大流量来水时段的入库流量均为119m3/s，相应的下泄流量在各个时段均可满足下游用水需求，同时根据水位库容关系计算可知，119m3/s的入库流量、即1026万m3/d的蓄水量基本可以满足水位上涨速率的控制要求。而要实现上述下泄流量控制目标，则需要通过闸门开度的准确控制来实现。

3 溢洪道泄流能力及闸门操作程序

底孔溢洪道和表孔溢洪道位于发电厂房与右岸混凝土重力坝之间，其中底孔溢洪道设3孔，采用平底溢流面型式，底坎高程为1029.00m，单孔孔口尺寸为9.5m×10.5m(宽×高)；表孔溢洪道设2孔，采用曲线形溢流面型式，堰顶高程为1044.50m，单孔净宽14.00m。通过水工模型试验结合泄流计算分析，得到的底孔溢洪道和表孔溢洪道的泄流能力分别如图1—2所示。

图1 底孔溢洪道底孔库水位～流量关系曲线(3孔)

图2 表孔溢洪道闸门全开和局开时库水位～流量关系曲线(2孔)

根据上述水位流量关系曲线，计算出在各种库水位条件下、溢洪道达到649、923m3/s的下泄流量时对应的闸门开度组合，这样只需每天在小流量来水时段和大流量来水时段分别进行1次闸门开度调整即可。整个蓄水过程仅需26次调整闸门开度即可完成历时13d的初期蓄水计划。

根据水工模型试验，表孔泄流时的流态优于底孔，因此在蓄水过程中需充分利用表孔泄流。但蓄水初期库水位低于表孔溢洪道底坎高程，只能先采用底孔溢洪道泄流。库水位达到1051.00m高程后，溢洪道表孔的泄流能力即可达到后续蓄水时段的泄流要求。因此，库水位到达1051.00m高程以前通过逐渐减小3个底孔闸门开度控制下泄流量，表孔闸门全开；到达1051.00m高程后全关3个底孔，通过逐渐减小2个表孔闸门开度控制下泄流量。

4 蓄水过程

根据上述蓄水方案，实际蓄水过程中执行了26次闸门开度调整。根据实时记录得到的上下游水位变化曲线如图3所示。根据图中上下游水位变化曲线可见：①蓄水历时13d(312h)，从1039.00m蓄水至1053.00m，与预期目标完全相符，且计划中的3个阶段蓄水进度都得到了准确控制，说明本工程蓄水方案科学合理，闸门开度计算准确可靠，因此得到能够有效地执行；②蓄水第1天水位从1039.00m上涨至1041.70m，涨幅2.7m，但相应的蓄水量约为1041万m3，与预期计划基本相符；③上游水位变化过程保持平稳上涨，上涨幅度除第1天之外，均未超过计划中的上涨控制要求，下降幅度也均未超过0.5m的控制要求；④下游水位稳定控制在了1038.00～1039.00m之间，很好地保证了下游的用水和通航需求。

5 结语

2018年11月18日，伊辛巴水电站水库顺利实现初期蓄水目标。本工程通过对来水流量、水位-库容关系、溢洪道泄流能力以及闸门开度与泄流量的分析计算得到闸门开度控制程序，以此准确地控制每天的蓄水量和水位变化。在满足上游水位控制要求及下游通航和生活用水需求的条件下，实现了以最少的闸门操作次数、使水库水位平稳上升至目标高程的蓄水目标。通过以上方案研究，既保证了蓄水进度，又最大程度地避免了蓄水过程对大坝结构和库岸边坡稳定的影响。