考虑生态流量的水电站下闸蓄水方案研究

梁现培，邬 志，蔡建国，邓 渊，张志鹏

(中国电建集团华东勘测设计研究院，浙江 杭州 311122)

水电开发不可回避带来不利的生态影响，包括河道减水对下游水生生态的影响、大坝阻隔对鱼类的影响、水库下泄低温水影响、库区水文情势改变对水生生态、陆生生态影响等。其中河道减水相关的下泄生态环境流量问题一直备受关注。

西部某水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，距巧家县城45 km，工程枢纽拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程834 m，最大坝高289 m。

1 施工导流方案和问题提出

本工程施工导流采用全年断流围堰、隧洞导流方式[1]。施工导流阶段划分为初期导流、中期导流和后期导流三个阶段。

1)初期导流阶段——围堰挡水，导流洞导流。设计洪水标准50年一遇，Qp=2%=28 700 m3/s，上游围堰堰顶高程658 m，下游围堰堰顶高程628 m，1～4号导流洞进口底板高程585 m，5号导流洞进口底板高程605 m，出口高程均为574 m。

2)中期导流阶段——大坝封拱灌浆超过堰顶高程，坝体具备挡水条件，导流洞部分下闸至全部导流洞下闸之前，Qp=1%=31 100 m3/s。

3)后期导流阶段——仍由坝体挡水，从全部导流洞下闸封堵至全部导流泄水建筑物封堵，Qp=0.5%=33 400 m3/s。

该水电站工程导流泄水建筑物较为复杂。左、右岸分别布置3条和2条导流洞，参与初中期导流，洞室断面17.5 m×22 m(宽×高)，布置如图1所示；坝体设置6个导流底孔，参与中后期导流，底槛高程均为630.00 m，1～5号导流底孔孔口尺寸为5.5 m×10 m，孔身断面尺寸为5.5 m×11 m；6号导流底孔孔口尺寸为5 m×7 m，孔身断面尺寸为5 m×10.5 m。坝身布置6个表孔和7个深孔，参与后期导流，布置如图2所示。表孔堰顶高程810.00 m，孔口断面尺寸为14 m×15 m；深孔布置在表孔闸墩下方，底槛高程为726.11～714.18 m，孔口尺寸5.5 m×8 m。

图1 导流洞平面布置图

图2 大坝坝身导流底孔、泄洪深孔、泄洪表孔立面布置图

导流洞封堵之后，水库水位未到达导流底孔进口高程前，工程的下泄流量减小，甚至完全断流，会对下游生态环境造成的影响。为此需要考虑河道生态流量，针对施工导流过程展开仔细研究，建立合理的导流泄水建筑物下闸方案。

2 导流泄水建筑物封堵期间下游供水要求

经调查，本工程电站坝址下游-下游水电站水库汛限水位时的库尾区间段内没有从河道取水的设施，无工、农业和生活用水要求。因此，坝下河段生态需水主要考虑维持金沙江干流水生生态系统稳定和维持河流水环境质量的水量，施工期间下游河道不允许出现脱水情况。

关于生态流量泄放，要求初期蓄水期间应通过优化下游电站运行调度，保证下游电站水库运行水位与本工程坝址尾水相衔接，在水位衔接情况下，按640 m3/s流量下泄，水位不衔接时，按1 160 m3/s流量下泄。

3 考虑河道生态流量的导流洞与导流底孔下闸封堵方案研究

3.1 导流洞下闸方案

导流洞与导流底孔下闸过程中，为同时满足下游供水要求(生态流量需求)，进行了下闸程序分析[2-4]。根据施工进度安排，第11年4月中旬水库蓄水前，必须封堵5条导流洞，考虑到导流洞有5个堵头的施工和尾水隧洞的改建项目，工作面多，工序复杂、施工干扰突出、施工条件差，为减小施工强度，推荐导流洞分批下闸封堵方案。

第一批1、5号导流洞下闸后，仍有2～4号导流洞泄流。第二批2～4号导流洞计划于第10年11月中旬下闸，导流洞下闸过程中既要考虑下闸难度，又要考虑下游生态流量，因此需研究导流洞的下闸程序，为此研究了3条洞同时下闸、2号洞下闸后再下闸3、4号洞和逐次下闸等3个下闸程序方案，比较成果见表1。

表1 第二批导流洞(2～4号)下闸程序比较表

由表1可知，三个下闸方案均存在导流洞下闸后下游断水现象，但断水时间很短，断水时间均小于10 h，且各下闸方案断水历时相差不大。考虑到届时下游水电站已正常运行，而11月份下游水电站水库运行水位达600.00 m，大坝下游水位已高于天然河道水位。因此短暂的断水，不会造成下游河道脱水问题，逐次下闸方案的4号导流洞下闸水头明显大于另两个下闸方案，下闸难度更大。但考虑到本工程第二批2～4号导流洞下闸时，上游电站已投产运行，可短时间控制下泄流量，满足最后一条导流洞下闸时的水头控制要求，为尽可能减少断水时间，满足生态流量泄放要求，选择逐次下闸程序方案。

表2 导流洞下闸、封堵程序表

3.2 导流底孔下闸方案

导流底孔均布置在坝体630.00 m高程，6个导流底孔封堵闸门均采用钢闸门，其中只有6号导流底孔为满足下泄生态流量要求，在出口设置弧形闸门控制泄流。因此6号导流底孔安排在最后下闸，1～6号导流底孔整体下闸顺序按照左右岸基本对称的原则，首先1号孔和5号孔同时下闸、再逐个下闸3、4、2号孔，最后由6号孔出口弧门按生态流量下泄。

第10年11月中旬2～4号导流洞下闸至第11年4月导流洞堵头施工期，受导流洞封堵闸门允许挡水水头及库区移民搬迁进度控制，库水位须控制在660.35 m以下。而为了满足水库蓄水及首批机组发电要求，第11年5月底水库水位需要上升至760.0 m。

一方面蓄水进度要求尽快达到发电高程，另一方面，4月上旬下游水电站坝前水库平均运行水位仅为564.1 m(坝址处河底高程为575 m左右)，如果完全下闸蓄水，坝址下游河床存在脱水段，不满足环评要求。

因此必须考虑导流底孔下闸水头的可行性、下游生态流量限制要求、水库蓄水进度节点、下游水库运行水位等条件，设计和研究导流底孔的下闸程序。考虑上述边界条件，拟定如下两个导流底孔下闸过程中生态流量泄放方案：

1)导流底孔下闸程序方案一。不考虑下游电站库水位与本工程尾水衔接条件。从导流底孔下闸开始至坝体深孔满足运行期生态流量1 160 m3/s为止，力争全程按1 160 m3/s下泄。据此思想，拟定导流底孔下闸程序。

1、5、4、3号导流底孔分批次下闸过程中，由剩余导流导流底孔敞泄，可满足1 160 m3/s流量下泄要求。2号导流底孔下闸前，需6号底孔单孔泄量达到1 160 m3/s，相应要求大坝上游水位到708.4 m，由于1～5号导流底孔启闭机平台高程为691 m，为不淹启闭机平台，2号导流底孔需在大坝上游水位蓄至691 m之前下闸，考虑一定的安全余度，编制了2号孔在水位上升至688.0 m和680.0 m时下闸两个方案。两方案下闸水位对应的6号导流底孔的敞泄流量分别为980.4 m3/s和900.3 m3/s。此时上游相邻水电站已发电，若按上游水电站满发流量计算，本工程大坝上游水位从688.0、680.0 m蓄至708.4 m分别约为2 d和2.6 d；多年平均流量情况下，约10 d。考虑降低下闸难度，2号底孔选用680 m下闸方案。2号底孔下闸后，大坝上游水位继续蓄水至708.4 m，6号底孔下泄流量达到1 160 m3/s，6号底孔出口弧门开始控制下泄流量保持在1 160 m3/s。水位继续上升至724.0 m时，由6号底孔和泄洪深孔联合控制下泄流量保持在1 160 m3/s。水位继续上升至732.04 m，此时泄洪深孔下泄流量达到1 160 m3/s，关闭6号底孔出口弧门，然后静水下闸6号底孔进口闸门。第11年11月中旬开始进行1～6号导流底孔的封堵。方案一的1～6号导流底孔下闸过程及泄量变化见表3。

表3 方案一导流底孔下闸、封堵程序表

2)导流底孔下闸程序方案二。考虑下游电站库水位与本工程尾水衔接条件。下游水电站库水位在580 m以上时，坝址下游河道不会断流，可按640 m3/s下泄，当下游水电站库水位消落至580 m以下时，按1 160 m3/s下泄。

2号导流底孔需在6号底孔单孔下泄流量达到640 m3/s以后下闸，查6号底孔泄流曲线，相应大坝上游水位658.8 m，低于2号底孔启闭机平台高程691 m，具备下闸条件。在大坝上游水位蓄至658.8 m时2号底孔下闸，6号底孔出口弧门按流量640 m3/s控制下泄；当下游水电站库水位消落至580 m以下时，6号底孔按1 160 m3/s下泄，根据蓄水过程，下游水电站库水位从598 m开始消落至580 m的时间约为25 d，按多年平均来流量测算，此时上游水位已蓄至728.18 m，泄洪深孔也已参与过流，满足6号底孔与深孔联合控泄1 160 m3/s的最低水位要求；6号底孔与泄洪深孔按1 160 m3/s流量控泄，水位继续上升至732.05 m，此时泄洪深孔下泄流量达到1 160 m3/s，关闭6号底孔出口弧门，然后静水下闸6号底孔进口封堵闸门，第11年11月中旬开始进行1～6号导流底孔的封堵。方案二的1～6号导流底孔详细下闸过程及下泄流量变化见表4。

3.3 小 结

方案一不考虑下游水电站库水位条件，在多年平均流量情况下，约有10 d内下泄流量在900～1 160 m3/s之间，略低于1 160 m3/s；若能协调上游水电站在此时段内机组满发，则下泄流量低于1 160 m3/s的时间仅为2.6 d，基本上可实现全程按1 160 m3/s流量下泄。方案二考虑了下游水电站库水位与本工程尾水衔接的情况，泄量约束更为宽松，可满足生态流量要求。具体实施过程中，可根据下游水电站库水位实际情况进行决策，选择既有利于工程蓄水，同时也能满足生态流量要求的导流底孔下闸封堵方案。

4 结 语

水电站导流建筑物下闸过程中需要综合考虑蓄水进度、下闸难度、下游供水、施工组织、生态流量、上游电站出力和泄流以及下游电站运行水位等条件和要求，研究选择导流泄水建筑物的下闸封堵程序。本文结合西部某水电站导流，主要考虑下闸难度和生态流量选择了逐个下闸导流洞的方案；考虑蓄水进度、下闸难度、生态流量、上游电站泄量等条件，区分下游电站水位情况给出了两个导流底孔下闸方案。对大型水利水电工程的建设技术与生态文明兼顾融合有一定的参考意义。