丰满水电站施工期下游供水库水位控制

2016-04-01董延超石亮亮陈俊杰

东北水利水电 2016年9期

关键词：弧门导流洞进水口

董延超，石亮亮，王强，陈俊杰

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

丰满水电站施工期下游供水库水位控制

董延超，石亮亮，王强，陈俊杰

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

丰满水电站全面治理（重建）工程施工期必须保证不间断地向下游供水，为保障下游供水安全，泄洪兼导流洞将作为非常时期保下游供水的备用通道。为满足施工期启用泄洪兼导流洞为下游供水，依据泄洪兼导流洞模型试验成果、供水和隧洞运行要求，并考虑水库冰冻期冰冻厚度影响，最终确定保下游供水水库控制水位，为施工期水库合理调度提供依据。

施工期；启用泄洪兼导流洞；保下游供水；库水位控制

1 概况

丰满电站全面治理（重建）工程位于吉林省吉林市的松花江干流上，是按恢复电站原任务和功能，在原丰满大坝下游120 m处新建一座大坝，并利用原丰满三期工程。工程以发电为主，兼顾防洪、城市及工业供水、灌溉、生态环境保护，并具有旅游、水产养殖效益。电站枢纽主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统、左岸泄洪兼导流洞、坝后式引水发电系统、过鱼设施及利用的原三期电站组成。

泄洪兼导流洞运行期承担泄洪任务，施工期承担施工导流和保下游供水紧急供水任务。泄洪兼导流洞为有压洞，全长846.02 m，由进口明渠段、井前压力段、进口闸门井、有压洞身段、出口闸室段及消能防冲段等部分组成。进口岩坎顶高程245.00 m，岩坎下游坡比1∶1，明渠底板高程224.00 m，有压洞为内径10.5 m圆形断面，末端出口为8.8 m×8.8 m矩形断面，出口闸室底板高程193.00 m，采用挑流消能方式，挑坎高程193.00 m。进口闸室设一道检修平板闸门和一道事故平板闸门，出口闸室设一道工作弧门。泄洪兼导流洞纵剖面布置见图1。

2 工程进展情况及保下游供水问题

2.1 工程进展情况

截止到2015年10月，丰满重建工程大坝、厂房、消力池的开挖已基本完成，正在进行大坝、厂房、消力池混凝土浇筑、压力钢管安装、部分坝段固结灌浆、越冬保温层施工工作。河床溢流坝和引水坝段浇筑至高程188.90 m，两岸挡水坝段浇筑至高程198.80 m，厂房1号机组浇筑至170.00 m，泄洪兼导流洞除进口岩坎部位外其他部位全部完工。考虑保障下游供水实际需要，泄洪兼导流洞进口岩坎于2015年8月上旬拆除至高程245.56 m，拆除宽度为78 m，岩坎斜坡喷锚支护措施尚未完成。

图1 泄洪兼导流洞纵剖面示意图

2.2 保下游供水问题

丰满重建工程施工期和永久运行期，均必须保证不间断地向下游供水，施工期与永久运行期下游各业用水要求一致，为满足下游环境、松花江沿岸城市居民和企业的取水要求，需泄放流量为161 m3/s。

丰满三期电厂两台机组过流量为594 m3/s，原泄洪洞预留放流通道泄流量为161 m3/s，丰满三期电厂和原泄洪洞泄流量均满足下游供水要求，可作为保下游供水通道。2015年9月泄洪兼导流洞完工后，原泄洪洞于2015年汛后可不再使用，保下游供水有丰满三期电厂和泄洪兼导流洞两条通道。

施工期正常情况下，丰满三期机组发电泄流是向下游供水的途径，电站机组承担调峰任务，间歇发电，下泄水流经永庆反调节库做到不间断供水；施工期三期电厂不能正常运用的非常情况下，泄洪兼导流洞作为备用通道承担向下游供水任务，也需经永庆反调节库做到不间断供水，避免弃水。施工期三期电厂不能正常运行和泄洪兼导流洞无法启用的特殊情况下，未封堵的原泄洪洞可做为应急通道，进行应急放水，但由于三期泄洪洞出口位于大坝和厂房基坑围堰上游，通过原三期泄洪洞泄流时会造成水淹基坑，将带来较大损失。

因泄洪兼导流洞进水口岩坎与原设计进水口岩坎高程245.00 m和宽93.00 m相比发生改变，对进水口的泄流流量和库水位控制要求产生影响，为启用泄洪兼导流洞泄流保证下游供水，依据2015年进口岩坎和隧洞施工现状，需开展施工期启用泄洪兼导流洞保下游供水库水位控制研究。

3 泄洪兼导流洞模型试验研究成果

1）泄流能力及水位流量关系

模型试验观测了运行期泄洪兼导流洞出口弧门敞泄和局开的泄流能力。运行期泄洪兼导流洞敞泄和出口闸门开度e=2m时水位流量关系见表1和表2，运行期泄洪兼导流洞泄流能力曲线，见图2。

2）水流流态

运行期泄洪兼导流洞敞泄时，库水位低于247.56 m时，隧洞内为明流流态；库水位在247.56～251.64 m区间时，隧洞内为明满流过渡流态；库水位在251.64 m以上时，隧洞内为满流流态。为避免洞内出现明满流过渡现象，运行期泄洪兼导流洞可采用控制出口弧门开度使洞内形成满流流态。库水位246.51 m和247.20 m，出口弧门开度e=2 m和e=3 m时，泄洪兼导流洞洞内均为满流流态。

表1 洪兼导流洞敞泄水位流量关系成果表

表2 泄洪兼导流洞出口闸门局开（e=2 m）水位流量关系成果表

图2 运行期泄洪兼导流洞泄流能力曲线

3）进口岩坎流速

运行期泄洪兼导流洞敞泄时，试验观测了低库水位时进水口岩坎斜坡与集渣坑位置水面交接处的流速，进水口岩坎斜坡流速见表3。

4 启用泄洪兼导流洞保下游供水库水位控制

4.1 泄洪兼导流洞保下游供水运行要求

1）因明满流过渡流态是一种复杂且不稳定的不良流态，会对隧洞过流能力、结构受力状态产生不利影响，为使洞内呈现单一压力状态，施工期保下游供水时泄洪兼导流洞按明流或有压流泄流。

表3 进水口岩坎斜坡平均流速成果表

2）明流运行时，根据低水位泄流模型试验成果，进口岩坎斜坡平均流速大于11 m/s，进口岩坎斜坡目前喷锚支护措施尚未完成，高流速易发生冲刷破坏，且冰冻期泄洪兼导流洞进水口易被冰块堵塞，施工期非常时期启用泄洪兼导流洞保下游供水除特殊情况外不建议使用明流泄流。

3）有压流运行时，通过控制出口弧门开度保证泄洪兼导流洞为有压流。考虑出口闸门自身安全应避免其长时间在振动区运行，同时应防止泄洪兼导流洞泄流时出口结构发生空蚀破坏。

4.2 计算基本参数确定

1）进水口岩坎尺寸

根据工程施工实际情况，进口岩坎采用坎顶高程245.56 m，坎宽78 m。

2）进水口岩坎综合流量系数

参考泄洪兼导流洞水工模型试验成果，进行试验数据流量系数的对比分析，考虑试验精度、坎后斜坡坡度、坎顶表面糙率等因素，当岩坎上水深小于1.8 m时，进口岩坎综合流量系数取为0.385；当岩坎上水深大于等于1.8 m时，进水口岩坎综合流量系数取为0.44。

3）隧洞泄流量选择

为满足下游供水要求，启用泄洪兼导流洞保下游供水时，泄流量应大于161 m3/s。依据模型试验成果，保证泄洪兼导流洞为有压流泄流，且弧门开度避开1.0 m振动区时，隧洞最小泄流量按出口弧门开度2 m、泄流量419 m3/s控制。考虑泄洪兼导流洞有压过流流态好，泄流量采用出口弧门控制方便，隧洞流量达到有压泄流条件后,就不再采用明流泄流方式。泄洪兼导流洞明流泄流时，隧洞泄流量按161～419 m3/s控制。

4.4 不同流态库水位控制确定

通过分析模型试验泄洪兼导流洞泄流能力，泄洪兼导流洞明流和闸门控泄刚好达到有压流泄流时，隧洞泄流量均由进口岩坎过流能力控制，水库水位计算可按泄洪兼导流洞进口岩坎泄流能力进行推求。推求库水位时，进水口岩坎泄流能力按宽顶堰流（非淹没流)计算。为防止泄洪兼导流洞出口结构发生空蚀破坏，有压流泄流时，闸门出口水流空化数应大于0.3。泄洪兼导流洞明流和有压流泄流库水位计算结果见表4和表5。

表4 隧洞明流泄流最低和最高库水位计算表

表5 隧洞有压流泄流最低库水位计算表

由上述计算分析可见，库水位范围控制在246.70～247.53 m时，泄洪兼导流洞能够以明流泄流，泄流量为162～420 m3/s，满足保下游供水要求；最低库水位控制为247.53 m，泄洪兼导流洞控制出口弧门开度2 m能够以有压流泄流，泄流量为420.00 m3/s，满足保下游供水要求。

4.5 不同时段库水位控制确定

丰满水电站全面治理（重建）工程位于中温带大陆性季风气候区，冬季严寒而漫长，泄洪兼导流洞进口水库水面封冻形成冰盖，进口岩坎处冰层厚度将直接影响泄洪兼导流洞泄流量，因此非冰冻期和冰冻期不同时段需要分别进行控制库水位的确定。

1）非冰冻期库水位控制确定

非冰冻期隧洞明流泄流时，库水位范围为246.70～247.53 m；非冰冻期隧洞有压流泄流时，控制出口弧门开度2 m，最低控制库水位范围为247.53 m。

2）冰冻期库水位控制确定

冰冻期隧洞明流泄流时，由于进口水流水位较低，冰块将塌陷并随水流进入隧洞，隧洞内将出现堵塞进口、水位雍高、撞击破坏结构以及明满流过渡等不利状况，因此，隧洞不能使用明流泄流。

依据丰满水库坝前冰厚观测资料统计最大冰厚0.85 m、坝前调查最大冰厚1 m以及水库周边地区水文站实测最大冰厚1.50 m，考虑施工期启用泄洪兼导流洞作为保下游供水应急预案的实施时段为2015—2018年，历时较短，因此泄洪兼导流洞进口最大冰厚按1 m计算。冰冻期隧洞有压流泄流时，控制库水位在非冰冻期控制库水位的基础上加高1 m，即控制出口弧门开度2 m，最低控制库水位为248.53 m。