丰满水电站重建工程建设期非常情况下游供水措施研究

刘亚莲

1 工程概况

丰满水电站重建工程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，并利用原丰满三期电站。水库正常蓄水位263.50 m，死水位242.00 m，丰满三期电站安装2 台140 MW 机组，施工导流方案为老坝作为上游围堰挡水，在左岸新建一条泄洪兼导流洞，利用保留的原三期2 台机组发电与泄洪兼导流洞联合导流。建设期老坝正常运行，三期机组正常发电，工程仍承担防洪、供水、发电任务。供水任务主要为生产、生活、灌溉、城市供水等，要求最小放流量为161 m3∕s，在春灌期最小放流量为361 m3∕s，通过丰满下游永庆反调节水库调节，对下游均匀供水，满足下游供水要求。枢纽布置示意如图1所示。

图1 枢纽布置示意图

2 建设期非常情况下游供水通道分析

在新建溢流坝及新建机组未投入使用前，非常情况时具备泄流通道功能的建筑物如下：

（1）原三期电站。保留的原三期电站布置在左岸，为引水式地面发电厂房，进水口底板高程为215.00 m，机组单机引用流量297 m3∕s。

（2）原三期泄洪洞。原三期泄洪洞与三期引水洞共用进水口，在引水洞调压井前分叉，出口在新坝与下游围堰之间，出口为弧形工作闸门挡水，为有压隧洞，弧门后为明流洞。因原三期泄洪洞穿过新坝坝基，新坝蓄水前需要进行封堵。

（3）新建泄洪兼导流洞。泄洪兼导流洞布置在左岸，在三期引水洞的山里侧，为有压隧洞，进口底板高程224.00 m，原设计进口前端岩坎顶高程245.00 m，最大泄量1 937 m3∕s。进口设检修门、事故门各1 扇，出口设1 扇工作弧门。

（4）原溢流坝。原溢流坝布置11 个表孔，堰顶高程252.00 m。

上述的4 个通道中，原溢流坝在正常挡水，如非常情况下使用其泄流供水，因其挡水水头高、流速大，对下游的新建大坝影响很大，另外溢流堰顶高程较高，低水位时不能放流，原溢流坝不能采用。原三期泄洪洞出口布置在新坝与下游围堰之间，如非常情况下使用其泄流供水，对新建工程基坑的干地施工有一定影响，但影响远小于上游过流，经采取措施基本可行。原三期电站及新建泄洪兼导流洞完全能满足过流要求。因此，非常情况下，原三期电站、原三期泄洪洞、新建泄洪兼导流洞可作为泄流通道。

3 建设期增加非常情况下供水措施必要性

泄洪兼导流洞于2013 年5 月开工，2015 年6 月具备过流条件。根据工程进展及特点，建设期保证下游供水可划分为泄洪兼导流洞投入运行前和泄洪兼导流洞投入运行后两个阶段。

（1） 泄洪兼导流洞投入运行前，即2014 年9月15 日至2015 年6 月30 日，该时段大坝下游围堰开始填筑、原丰满一二期机组退出运行，新建泄洪兼导流洞尚不具备泄流条件，此期间下游供水通道仅有丰满三期发电厂1 条。当三期发电机组因故障停机不能正常运用时，水库将不能向下游供水。

（2）泄洪兼导流洞投入运行后，即2015 年7 月1 日至2019 年5 月31 日，该时段进行大坝和厂房、新建机组安装、老坝缺口拆除和鱼道等项目施工，新建泄洪兼导流洞完工具备泄流条件，此期间原泄洪洞已进行永久封堵，下游供水通道为丰满三期发电厂、泄洪兼导流洞共2 条泄水通道。当水库水位降低至泄洪兼导流洞进口岩坎以下，其不具备启用条件，且三期发电机组因故障停机不能正常运用时，水库将不能向下游供水。

丰满重建工程面临着复杂的建设条件，一方面要确保新建工程的正常建设，另一方面要保证原丰满水库的各项功能正常发挥，同时，还要考虑两者之间的相互影响问题。原丰满工程向下游供水通道有一期8 台机组、二期2 台机组、三期2 台机组、三期泄洪洞，供水保障通道多，保证率高。可研阶段，丰满水库保证下游供水是通过三期电站发电泄流实现的，三期发电引水洞进口底板高程215.00 m，对库水位具有较强的适应性。但建设期为满足导流要求，三期电站2 台机组年利用小时数比重建前大幅增加，增大机组运维难度，一旦发生故障，不能向下游供水，将对下游产生严重影响，因此，确保下游供水，是重建工程建设期的重中之重，开展非常情况下供水措施研究是非常必要的。

4 建设期非常情况下游供水措施

4.1 泄洪兼导流洞投入运行前原三期泄洪洞供水措施

4.1.1 原三期泄洪洞改造方案分析

2014 年9 月15 日 至2015 年6 月30 日 期 间，新建泄洪兼导流洞尚在建设中，不具备泄流条件，只有三期发电向下游供水，为提高下游供水保障，此期间只有原三期泄洪洞具备泄水的可行性。原三期泄洪洞洞径9.20 m，新坝蓄水前需要进行永久封堵。为满足施工工期短、能够供水放流、后续永久封堵施工时三期停机时间短等要求，经综合考虑，在永久封堵体上游设置临时封堵段。临时封堵段内预留过流通道，三期发电运行时，利用原弧门挡水，非常情况情况下开启弧门放流。

4.1.2 临时封堵体布置

临时封堵体设置在永久封堵体上游，总长40.00 m。封堵体内预留过流通道，长15.00 m，过流孔口尺寸宽3.2 m、高3.4 m。临时闸室长5.00 m、宽5.2 m、高3.4 m，为方便布置当水闸门，在闸室下游10.00 m 范围布置中墩，将过流孔口分隔成2孔，单孔尺寸宽1.6 m、高2.6 m，闸室安装两扇封水闸门。为防止水流冲刷封堵混凝土，满足临时闸门安装精度要求，闸室挡水门位置上、下游各1 m范围内预埋钢衬。为防止掏刷，在封堵段末端10.00 m 长度范围设置渐变段，将过流断面由矩形渐变为半圆形与原衬砌平顺过度。在丰满三期电厂独立改造工程完成前，完成临时封堵体施工，原三期泄洪洞临时封堵段平面如图2 所示。

图2 原三期泄洪洞临时封堵段平面图（单位：cm）

4.1.3 大坝下游围堰临时缺口

因原三期泄洪洞出口在新坝与下游围堰之间，在原泄洪洞泄流前，需将下游围堰拆除临时缺口过流。围堰顶高程196.50 m，缺口断面为倒梯形，底宽42.00 m，上口宽53.00 m，侧向边坡1∶2，缺口拆除底高程193.83 m。为防止围堰底部和侧向过流冲刷，缺口及左右侧20 m 范围内铺设0.5 m 厚钢筋石笼防护。

4.2 泄洪兼导流洞投入运行后进口岩坎降低非常情况供水措施

4.2.1 新建泄洪兼导流洞进口岩坎降低方案分析

2015 年7 月1日至2019 年5 月31日期间，泄 洪兼导流洞已投入运行，因泄洪兼导流洞是在汛前完工，岩坎作为泄洪洞的上游围堰，不具备开挖再降低岩坎高程的条件，进口前端岩坎顶高程245.00 m。为满足库水位低于245.00 m 时，泄洪兼导流洞仍能满足供水要求，综合考虑库水位的调度情况、施工难度及供水流量等因素，确定降低进口岩坎高程。

4.2.2 进口岩坎高程和宽度

泄洪兼导流洞有压泄流时，具有洞内流态较好，可避免冬季冰冻对泄流的影响，启用泄洪兼导流洞为下游供水时，考虑最低库水位为死水位242.00 m，泄洪兼导流洞采用有压式过流，为避开出口弧门的振动区及防止小开度冲刷混凝土底板，弧门开度控制在2 m。

初拟岩坎顶高程238.00、239.00、239.50 m 三个方案，岩坎宽度分别为27、49、56 m，经水力学计算，选定岩坎高程239.50 m 方案。在库水位242.00 m、出口弧门开度2 m 时，隧洞有压式过流的泄流量为395 m3∕s，满足下游供水要求。

4.2.3 降低进口岩坎设计

进口岩坎采取梯形断面开挖，将岩坎降至高程239.50 m，底部开挖宽度56.00 m，为防止开挖岩面起伏影响泄流能力，岩坎前缘开挖底高程为239.00 m，侧向开挖边坡采用1∶1.5。为保证后期石渣不进入洞内，将集渣坑内石渣全部清除。新建泄洪兼导流洞进口岩坎剖面如图3 所示。

图3 新建泄洪兼导流洞进口岩坎剖面图

4.3 泄洪兼导流洞冬季启用措施

新建泄洪兼导流洞出口设1 扇8.8 m×8.8 m-76 m弧形工作闸门，弧门底槛及出口挑坎高程为193.00 m，其高程在下游水位变动区内。本工程处于严寒地区，冬季出口回水区流道结冰，原设计泄洪兼导流洞冬季不运行，不考虑防结冰措施。为满足建设期泄洪兼导流洞在冬季非常情况下启用向下游供水，在弧门底槛部位设置了可靠性较高的电加热融冰装置。

4.3.1 结构设计

融冰装置主要由2 套拐臂式提升吊架及其配套驱动升降的手拉葫芦、1 台电加热箱、1 套自动温控装置等组成。电加热箱通过其箱内的液态防冻传热介质将热量传递给电热箱壁后再传递给箱外的冰体或低温水体，达到底槛周围不结冰目的，满足泄洪兼导流洞启用前关闭弧门充水的要求。

融冰装置的每套（共2 套）拐臂式提升吊架系统由回转吊杆和活动吊杆组成。回转吊杆的固定端以固定支铰安装在弧门左右支臂系上游侧的联系梁上，回转吊杆的自由端与活动吊杆的中部以活动支铰的方式联系。活动吊杆下部以活动支铰与电加热箱的一侧吊耳联系（共2 个吊耳），活动吊杆上部可与设置在弧门上支臂上锁定装置来实现提升吊架锁定与解锁。2 台手拉葫芦分别固定挂接在上部支臂间的连接板的锚钩上，手拉葫芦通过升降拉绳与位于回转吊杆中下部的吊点联结。由此构成了能够手动提升电加热箱的四杆系统。自动温控装置安装在弧门启闭机室内，电加热箱内设有电加热元件、箱内热感应元件，通过导线将传热介质温度信息传送到自动温控装置，控制电加热元件的启停。新建泄洪兼导流洞出口融冰装置结构如图4 所示。

4.3.2 工作过程

当初冬融冰装置投入使用时，考虑底槛部位最大冰厚1.2 m，需先将弧门提升1.5 m 至2.0 m 的开度，操作手拉葫芦，使活动吊杆提升约2 cm 后，解除锁定，然后操作手拉葫芦落提升吊架，带动加热箱体下落至弧门底槛上，而后宜保持起升葫芦有一定的松弛状态，此时即可启动融冰装置，实现融冰装置融冰工作。

当初春融冰装置退出运行时，需先可靠切除融冰装置电源，操作手拉葫芦，提升回转吊杆使活动吊杆带动电加热箱离开弧门底槛，至活动吊杆上部起升到锁定装置高度，投入锁定，使提升吊架连带电加热箱可靠锁定在下支臂下方，再微落手拉葫芦使其处在自由状态，完成融冰装置解除融冰工作。此时，需将弧门作全关操作。电加热箱不影响弧门起升泄水工作。融冰装置宜在次年正温时解除使用。

图4 新建泄洪兼导流洞出口融冰装置结构图

4.3.3 融冰效果

2015 年12 月至2016 年3 月，融冰装置在冬季运行期间，装置周围约0.8 m 的范围内无结冰现象，保证了冬季最寒冷的时期弧门运行区域无冰，且未发生断电、漏电等情况，总体效果较好。

5 结 语

丰满重建工程在建设期仍然承担原工程的下游供水任务，为提高非常情况下供水保证率，根据工程实际情况，进行了下游供水措施研究，采取分时段增加供水措施。

（1）泄洪兼导流洞投入运行前，在原三期泄洪洞增加临时封堵段，在临时封堵段预留过流通道，在泄洪兼导流洞投入运行后，该通道退出运行，进行永久封堵。

（2）泄洪兼导流洞投入运行后，将新建泄洪兼导流洞进口明渠的岩坎高程继续降低至死水位以下，提高了泄洪兼导流洞的过流保证率。在出口弧门增加了防结冰措施，保证弧门能够在冬季运行。

上述措施实施后，提高了非常情况供水保障能力，更好地完成建设期原工程的供水任务。