伊辛巴水電站水庫(kù)初期蓄水方案研究

魯禮慧

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

下閘蓄水是水電站水輪發(fā)電機(jī)組有水調(diào)試的先決條件，同時(shí)也是對(duì)大壩等擋水建筑物設(shè)計(jì)施工質(zhì)量的全面檢驗(yàn)。水電站初期蓄水條件往往受到多種制約因素的影響[1-4]，包括移民搬遷、工程形象進(jìn)度及庫(kù)底清理工作等[5]。蓄水速率受大壩安全、工程邊坡及近壩庫(kù)岸穩(wěn)定等因素控制，而下泄流量又受到電站下游居民的通航要求和生活用水需求限制，因此需要對(duì)入庫(kù)流量和下泄流量進(jìn)行合理調(diào)配。因此水庫(kù)初期蓄水方案需要全面考慮上述因素，以制定安全可靠的蓄水方案。

1 研究背景

1.1 工程簡(jiǎn)介

伊辛巴水電站位于烏干達(dá)境內(nèi)的白尼羅河上，為低水頭河床式電站，總裝機(jī)容量為183MW。水電站樞紐主要由左右岸黏土心墻堆石壩、左右岸混凝土重力壩、溢洪道、河床式發(fā)電廠房組成，各建筑物共同承擔(dān)擋水任務(wù)并位于同一軸線上，采用底孔溢洪道和表孔溢洪道泄流，軸線總長(zhǎng)度1599m。水庫(kù)正常蓄水位1054.50m，相應(yīng)正常蓄水位以下庫(kù)容16081萬(wàn)m3。

根據(jù)施工進(jìn)度安排，計(jì)劃于2018年11月5日開(kāi)始下閘蓄水，起始水位為1039.00m。為控制蓄水安全風(fēng)險(xiǎn)，本工程初期蓄水先蓄至1053.00m后保持該水位半個(gè)月，在此期間通過(guò)巡視檢查確認(rèn)上游庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定后，再逐漸蓄水至正常蓄水位1054.50m。下閘蓄水前，工程形象進(jìn)度、庫(kù)區(qū)移民搬遷、專(zhuān)項(xiàng)遷改、庫(kù)底清理、應(yīng)急預(yù)案等各項(xiàng)工作均已滿足蓄水要求，溢洪道閘門(mén)啟閉設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

1.2 蓄水控制要求

樞紐建筑物中左右岸黏土心墻堆石壩對(duì)蓄水控制要求最高。土石壩最大壩高26.50m，采用心墻堆石壩型，壩頂高程1057.50m，壩頂寬度10m，左岸土石壩段壩頂長(zhǎng)度為375.16m，右岸土石壩段壩頂長(zhǎng)度為1049.52m。由于土石壩對(duì)水位變幅比較敏感，因此蓄水過(guò)程中每天的水位變幅不宜過(guò)大。根據(jù)國(guó)內(nèi)土石壩水庫(kù)工程的蓄水經(jīng)驗(yàn)[6-11]，上漲速率通常為1～2m/d。考慮本工程壩軸線較長(zhǎng)的特點(diǎn)，擬定蓄水原則為：蓄水初期上漲幅度不超過(guò)2m/d，蓄水后期上漲幅度不超過(guò)1.0m/d；由于庫(kù)區(qū)內(nèi)存在較高的土質(zhì)直立岸坡，為避免在水庫(kù)水位消落時(shí)庫(kù)岸失穩(wěn)[3]，控制庫(kù)水位降幅不超過(guò)0.5m/d。另外，蓄水期間要考慮下游碼頭通航和居民生活用水要求，下泄流量需不小于400m3/s。

2 蓄水方案設(shè)計(jì)

2.1 水庫(kù)來(lái)水分析

水庫(kù)上游來(lái)水主要為上游已投運(yùn)的布加嘎里水電站的發(fā)電尾水，上游電站與本電站之間的河段無(wú)大的支流河道匯入，因此本電站來(lái)水流量即為上游電站放水流量。上游電站放水流量已根據(jù)當(dāng)?shù)赜秒娯?fù)荷確定，每日放水流量規(guī)律相對(duì)固定。蓄水期間，上游電站放水到達(dá)本電站歷時(shí)5h。根據(jù)典型來(lái)水流量過(guò)程，蓄水時(shí)期上游來(lái)水日平均流量為905m3/s，用電負(fù)荷高時(shí)流量較小，用電峰時(shí)流量大。高用電負(fù)荷時(shí)段(21：00～9：00)、即到達(dá)本電站時(shí)間(2：00～14：00)的平均來(lái)水流量為768m3/s，低用電負(fù)荷時(shí)段(9：00～21：00)、即到達(dá)本電站時(shí)間(14：00～次日2：00)的平均來(lái)水流量為1042m3/s。

2.2 水位-庫(kù)容關(guān)系

本樞紐工程庫(kù)水位與庫(kù)容關(guān)系見(jiàn)表1。本工程從上游水位1039.00m蓄至正常蓄水位1053.00m，蓄水高度為14m，總蓄水庫(kù)容1.33億m3。

表1 庫(kù)水位-庫(kù)容關(guān)系

2.3 下閘蓄水方案

根據(jù)蓄水控制要求，蓄水方案確定為水位上漲速率逐漸由2m/d降為0.35m/d，滿足水位上漲速率控制要求。分3階段蓄水：①1039.00～1046.00為第1階段，蓄水速率不超過(guò)2.0m/d，4d完成蓄水任務(wù)；②1046.00～1052.00為第2階段，蓄水速率約為1m/d，6d完成蓄水任務(wù)；③1052.00～1053.00為第3階段，蓄水速率約為0.35m/d，3d完成蓄水任務(wù)。計(jì)劃13d時(shí)間完成初期蓄水工作。根據(jù)表1水位-庫(kù)容關(guān)系、按照以上分期蓄水計(jì)劃，約1026萬(wàn)m3/d的蓄水量。

由于已知上游來(lái)水過(guò)程，可根據(jù)水量平衡原理準(zhǔn)確控制水庫(kù)蓄水過(guò)程[12]。1026萬(wàn)m3/d的蓄水量對(duì)應(yīng)的蓄水速率為119m3/s，本次初期蓄水方案初擬119m3/s的流量作為入庫(kù)流量。根據(jù)上游來(lái)水流量過(guò)程，蓄水期間每天分為2個(gè)時(shí)段，第1時(shí)段為高負(fù)荷用電時(shí)段、即小流量來(lái)水時(shí)段，上游來(lái)水平均流量為768m3/s，按照約649m3/s的下泄流量向下游放水，該下泄流量可保證下游用水需求；第2時(shí)段為低負(fù)荷用電時(shí)段、即大流量來(lái)水時(shí)段，上游來(lái)水平均流量為1042m3/s，按照約923m3/s的下泄流量向下游放水。根據(jù)上述蓄水下泄方案，小流量來(lái)水時(shí)段和大流量來(lái)水時(shí)段的入庫(kù)流量均為119m3/s，相應(yīng)的下泄流量在各個(gè)時(shí)段均可滿足下游用水需求，同時(shí)根據(jù)水位庫(kù)容關(guān)系計(jì)算可知，119m3/s的入庫(kù)流量、即1026萬(wàn)m3/d的蓄水量基本可以滿足水位上漲速率的控制要求。而要實(shí)現(xiàn)上述下泄流量控制目標(biāo)，則需要通過(guò)閘門(mén)開(kāi)度的準(zhǔn)確控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 溢洪道泄流能力及閘門(mén)操作程序

底孔溢洪道和表孔溢洪道位于發(fā)電廠房與右岸混凝土重力壩之間，其中底孔溢洪道設(shè)3孔，采用平底溢流面型式，底坎高程為1029.00m，單孔孔口尺寸為9.5m×10.5m(寬×高)；表孔溢洪道設(shè)2孔，采用曲線形溢流面型式，堰頂高程為1044.50m，單孔凈寬14.00m。通過(guò)水工模型試驗(yàn)結(jié)合泄流計(jì)算分析，得到的底孔溢洪道和表孔溢洪道的泄流能力分別如圖1—2所示。

圖1 底孔溢洪道底孔庫(kù)水位～流量關(guān)系曲線(3孔)

圖2 表孔溢洪道閘門(mén)全開(kāi)和局開(kāi)時(shí)庫(kù)水位～流量關(guān)系曲線(2孔)

根據(jù)上述水位流量關(guān)系曲線，計(jì)算出在各種庫(kù)水位條件下、溢洪道達(dá)到649、923m3/s的下泄流量時(shí)對(duì)應(yīng)的閘門(mén)開(kāi)度組合，這樣只需每天在小流量來(lái)水時(shí)段和大流量來(lái)水時(shí)段分別進(jìn)行1次閘門(mén)開(kāi)度調(diào)整即可。整個(gè)蓄水過(guò)程僅需26次調(diào)整閘門(mén)開(kāi)度即可完成歷時(shí)13d的初期蓄水計(jì)劃。

根據(jù)水工模型試驗(yàn)，表孔泄流時(shí)的流態(tài)優(yōu)于底孔，因此在蓄水過(guò)程中需充分利用表孔泄流。但蓄水初期庫(kù)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。庫(kù)水位達(dá)到1051.00m高程后，溢洪道表孔的泄流能力即可達(dá)到后續(xù)蓄水時(shí)段的泄流要求。因此，庫(kù)水位到達(dá)1051.00m高程以前通過(guò)逐漸減小3個(gè)底孔閘門(mén)開(kāi)度控制下泄流量，表孔閘門(mén)全開(kāi)；到達(dá)1051.00m高程后全關(guān)3個(gè)底孔，通過(guò)逐漸減小2個(gè)表孔閘門(mén)開(kāi)度控制下泄流量。

4 蓄水過(guò)程

根據(jù)上述蓄水方案，實(shí)際蓄水過(guò)程中執(zhí)行了26次閘門(mén)開(kāi)度調(diào)整。根據(jù)實(shí)時(shí)記錄得到的上下游水位變化曲線如圖3所示。根據(jù)圖中上下游水位變化曲線可見(jiàn)：①蓄水歷時(shí)13d(312h)，從1039.00m蓄水至1053.00m，與預(yù)期目標(biāo)完全相符，且計(jì)劃中的3個(gè)階段蓄水進(jìn)度都得到了準(zhǔn)確控制，說(shuō)明本工程蓄水方案科學(xué)合理，閘門(mén)開(kāi)度計(jì)算準(zhǔn)確可靠，因此得到能夠有效地執(zhí)行；②蓄水第1天水位從1039.00m上漲至1041.70m，漲幅2.7m，但相應(yīng)的蓄水量約為1041萬(wàn)m3，與預(yù)期計(jì)劃基本相符；③上游水位變化過(guò)程保持平穩(wěn)上漲，上漲幅度除第1天之外，均未超過(guò)計(jì)劃中的上漲控制要求，下降幅度也均未超過(guò)0.5m的控制要求；④下游水位穩(wěn)定控制在了1038.00～1039.00m之間，很好地保證了下游的用水和通航需求。

5 結(jié)語(yǔ)

2018年11月18日，伊辛巴水電站水庫(kù)順利實(shí)現(xiàn)初期蓄水目標(biāo)。本工程通過(guò)對(duì)來(lái)水流量、水位-庫(kù)容關(guān)系、溢洪道泄流能力以及閘門(mén)開(kāi)度與泄流量的分析計(jì)算得到閘門(mén)開(kāi)度控制程序，以此準(zhǔn)確地控制每天的蓄水量和水位變化。在滿足上游水位控制要求及下游通航和生活用水需求的條件下，實(shí)現(xiàn)了以最少的閘門(mén)操作次數(shù)、使水庫(kù)水位平穩(wěn)上升至目標(biāo)高程的蓄水目標(biāo)。通過(guò)以上方案研究，既保證了蓄水進(jìn)度，又最大程度地避免了蓄水過(guò)程對(duì)大壩結(jié)構(gòu)和庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定的影響。