紫坪鋪工程安全高效運行關鍵技術淺析

由 麗 華， 譚 煒

(四川省紫坪鋪開發有限責任公司，四川 成都 610091)

1 工程概況

紫坪鋪工程位于岷江上游映秀至都江堰河段，水庫正常蓄水位877 m，死水位817 m，總庫容11.12億m3，正常水位庫容9.98億m3，具有不完全年調節功能；可為都江堰灌區1 400萬畝農田灌溉提供水源保證，同時向成都市提供城市生活及工業用水50 m3/s，環保用水20 m3/s，年增城市生活及工業用水6.94億m3，環保用水3.15億m3。工程度汛標準采用千年一遇洪水(洪峰流量Q=8 300 m3/s)設計，可能最大洪水(洪峰流量Q=12 700 m3/s)校核。紫坪鋪水庫設計洪水位871.20 m，校核洪水位883.1 m，汛限水位850 m。當水庫水位不超過861.6 m或入庫流量不超過百年一遇洪水時，水庫以下游金馬河青城大橋斷面10年一遇過流量(Q=3710 m3/s)為控制標準，水庫下泄流量和白沙河來水量疊加，不得超過此泄流量，下游防洪標準由10年一遇提升至100年一遇；當水庫水位超過861.6 m或入庫流量大于等于百年一遇洪水流量時，水庫以現有泄流能力敞泄，以保樞紐工程安全為防洪主要任務。

擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，壩頂高程884.00 m，壩高156 m。主要泄水建筑物包括1號、2號泄洪排沙洞、沖砂放空洞和溢洪道。1號、2號泄洪排沙洞洞內最大流速45 m/s，單洞最大泄流量1 667 m3/s，兩條隧洞互為備用。沖砂放空洞是工程主要的泄流沖砂設施，也是主要的水庫調度設施之一。工作閘門前為內徑4.4 m的有壓管道，出口設弧形工作閘門，其后為洞長63.3m的城門洞型(5.8 m×4.5 m)明流隧洞連接開敞式反弧挑坎。工作閘門孔口底板高程757.70 m，孔口尺寸3.0 m×3.0 m，汛限水位850.00 m時的洞身流速為20.26 m/s，工作閘門孔口處流速34.22 m/s。

2 關鍵技術及運用

2.1 枯水期的水庫調度

2.1.1 面臨的問題

作為成都市和都江堰灌區重要的水源地，紫坪鋪工程設計之初在壩址下游規劃了反調節水庫，后因種種原因該水庫未建，致使工程缺乏向下游供水的專用設施，樞紐供水功能不完善。枯水期，水庫通過機組過流向下游供水。用電低谷時段，機組下泄流量不能滿足下游用水需求時，不得不利用高流速泄洪洞向下游補水，致使泄洪隧洞被迫承擔常規供水功能。為保證下游河道安全，節約庫水資源，泄洪洞在不同水位下頻繁局開供水；另一方面，因紫坪鋪電站為500 kV線路單回輸出，GIS開關站設備在“5·12”汶川地震后至今尚未檢修，上述設施和設備在故障、事故或檢修期間，電站將長時間停機，只能通過泄洪設施向下游供水、配水。高流速泄洪排沙洞長時間局開使用，運行風險較大，而新建專用供水隧洞，滿足枯水期供水、配水要求也不經濟。若沖砂放空洞具有向下游靈活、精準的供水功能，將豐富紫坪鋪水庫在枯水期的調度手段，節約庫水資源，保障供水安全，節省新建供水隧洞的工程費用。

沖砂放空洞工作閘門設計為全開全關的運行模式，不能調節下泄流量。閘門在設計竣工體型下局部開啟，高速水流將對出口明渠段襯砌產生空蝕破壞(圖1)，對工程運行安全造成影響。優化沖砂放空洞洞室結構，在閘門局開工況下，避免空蝕破壞，實現對下泄流量靈活和精準地控制，擴展其供水功能具有重大意義。

圖1 2006年12月沖砂放空洞工作閘門局開原型試驗中邊墻襯砌空蝕破壞

2.1.2 主要技術措施與運用

沖砂放空洞工作閘門局部開啟運行時，高速水流易對襯砌產生空蝕破壞的洞段為沖0+541.86 m～沖0+547.61 m，經多次試驗研究，采取以下方式對該洞段體型進行優化：設置梯形突擴收縮式摻氣坎，摻氣坎以上原洞身結構體型不變，摻氣坎后洞身寬度突擴至5.8 m。2009年對該洞段體型進行了改造，并開展了工作閘門多開度下的泄流試驗。原型試驗監測數據表明，工作閘門以0.3及0.5開度運行時，摻氣設施下游底板過流面壓力分布正常，摻氣側坎后通氣順暢，水流摻氣效果良好，未發現空化水流，閘門小開度泄流運行時的振動量級處于安全范圍，閘室運行狀態良好，成功實現了工作閘門多開度下安全、長時間、變流量的泄水運行目的。

這一優化解決了隧洞在局開工況下高速水流對襯砌的空蝕破壞問題，實現了閘門局開運行的功能，泄流量得到靈活、精準的控制。2010年至2015年紫坪鋪電站送出線路500 kV紫景線線路檢修期間(枯水期)，通過閘門局開向下游供水，確保供水安全的同時，減少了棄水，增加了發電效益。根據統計，每年線路檢修期間平均節約水量1.5億m3，可增加發電量約4 000萬kWh，已累計帶來約3 200萬元的發電收入。

2.2 汛期的水庫調控

2.2.1 面臨的問題

按照設計要求，紫坪鋪水庫汛期以單一的汛限水位對運行安全進行約束，以隨時準備防御PMF洪水為目的進行防洪調度，未考慮年份來水情況及流域內實時水雨情信息，僅以庫水位及入庫流量判斷洪水標準并作為防洪調控指標；紫坪鋪水庫的防洪安全泄量(2 393 m3/s)考慮的是下游各防洪控制斷面的同頻率遭遇峰值情況，防洪調度都按單一安全泄量值控制泄洪。按照上述單一指標進行水庫防洪調度面臨以下主要問題：

2.2.1.1 帶來工程安全運行隱患

受岷江上游各級水庫建成蓄水影響，紫坪鋪水庫攔蓄800～1 100 m3/s小洪水漸成常態。由于汛限水位850 m的嚴格控制，汛期正常來水或常遇小洪水時，即使機組滿發泄流，也將有300 m3/s左右的來水需經泄洪設施下泄，致使沖砂放空洞或兩條泄洪排沙洞頻繁使用。高流速隧洞長時間頻繁運用，其安全性和耐久性將受到嚴重影響，給工程運行安全帶來較大風險。

2.2.1.2 增大水庫防洪調度難度

紫坪鋪工程的泄洪排沙洞為高流速隧洞，其出口挑流鼻坎較高，當庫水位超過842 m，閘門開度在0.3度以下運行時(Q泄≤288 m3/s)，不能形成挑射水流，結合段出口將形成有壓水躍封閉洞口，加大水流內部負壓，增大洞內空蝕破壞的風險。因此，泄洪排沙洞只能在閘門開度0.3以上運行。如果只發生一場小洪水(Q入庫≤3 070 m3/s)，泄洪排沙洞局開泄洪，洞內水流狀態較差，易致襯砌氣蝕破壞。全開泄洪時，泄洪排沙洞泄流量(庫水位850 m時Q泄=1 251.49 m3/s)與機組發電及沖砂放空洞下泄流量之和超過2 000 m3/s，對下游沖擊加大；如果上游仍在發生強降水，則存在前期泄流少、后期泄流大、水庫水位易快速抬高的結果。按照固定的安全泄量進行調洪，將限制紫坪鋪水庫的下泄流量，不能騰出更多防洪庫容，影響到水庫防洪安全并降低洪水資源化水平。

2.2.1.3 降低汛后水庫滿蓄率

紫坪鋪水庫建成運行以來，就存在下游都江堰丘陵灌區囤蓄水庫與紫坪鋪水庫在汛后爭蓄的矛盾。紫坪鋪水庫在首先滿足下游綜合用水需求后，蓄滿自身水庫的水量無法得到充分保證，枯水年份顯得尤為突出。汛期按照單一的汛限水位運行，易造成前期棄水過多而汛后無水可蓄，水庫不能及時回蓄至興利庫容的被動局面，對都江堰灌區的春灌和成都市的供水、環保和發電產生較大影響。

2.2.2 主要技術措施與運用

3.2.2.1 錯峰固定下泄與壩下游的區間流量湊泄相結合的汛期水庫調度方法

結合紫坪鋪工程特點，通過對安全泄量和所需防洪庫容的重新復核，考慮下游岷江支流白沙河洪水與岷江干流洪水相遇的不利情況，將白沙河洪水流量按湊泄的方式控制紫坪鋪水庫下泄流量，形成錯峰固定下泄與下游白沙河流量湊泄相結合的汛期紫坪鋪水庫調度運行技術(見表1)。實踐證明，通過科學調度，提高了紫坪鋪工程防洪調控能力，增強了對下游區間突發性水污染事件的應急調控能力。

表1 紫坪鋪水庫主汛期(6～8月)調度運行技術方案

說明：1)水庫上游來水小于1 100 m3/s時，4臺機組發電參與泄洪，同時維持水庫汛期運行水位不低于起調水位。2)水庫上游來水大于1 100 m3/s且庫水位低于防洪高水位861.6 m時，沖砂洞全開，并根據洪水情況開啟1號洞(或2號洞)并控制閘門開度使總泄量不超過2 500 m3/s；庫水位逐漸升高但低于防洪高水位時，當水庫泄流能力大于2 500 m3/s時按固定泄量2 500 m3/s下泄。3)水位超過防洪高水位861.6 m時，保持2臺機組參與泄洪，沖砂洞與1號洞(或2號洞)敞泄，為保證大壩安全不控制下泄流量；當庫水位超過500年一遇洪水位869 m時，機組不參與泄洪。4)庫水位超過870 m時開啟溢洪道，以滿足泄流通過溢洪道挑越下游河道內的F3斷層，確保壩基和下游庫岸邊坡安全。5)洪峰過壩后，所有泄洪建筑物保持原溢流狀態，直到庫水位降至870 m時，關閉溢洪道閘門。6)當水位降至水庫汛期運行水位，氣象及水情預報表明近期無大的降雨和洪水時，先關閉已開啟的泄洪洞，然后再關閉沖砂洞，水庫恢復正常運行方式。

按照表1調度，紫坪鋪水庫汛期起調水位可由850 m提高至851 m。

2013年7月，紫坪鋪工程遭遇“7·9”特大暴雨洪災。災害期間，岷江上游發生了1964年100年一遇洪水后的第二大洪水。此次洪水過程持續時間較長，為典型的近壩區的暴雨山洪，部分降水直接落于庫區，洪水陡漲陡落(圖2)。洪水過程初始時刻庫水位851.3m，初始基流為770 m3/s左右，第一輪強降雨后產生1 314 m3/s的首輪洪峰，第二輪更強降雨緊隨其后，產生4 231 m3/s的最大洪峰。隨著降雨逐漸減弱，來水流量緩慢消退至760 m3/s左右。為保證下游河道及成都市中心城區安全，洪水過程前期調度以攔蓄洪水為主，后期逐量緩慢泄洪。通過流量湊泄的適時調控，錯峰調度，共計攔蓄洪水2.6億m3，削減最高洪峰3 700 m3/s，避免了最大洪峰與下游白沙河洪水洪峰疊加，使下游洪水由40年一遇降為10年一遇，相當于將涌入都江堰內江寶瓶口的洪水水位消減了3～4 m，避免了水淹都江堰市，最大限度減輕了都江堰灌區和成都市的防洪壓力，保證了下游地區千百萬人民群眾生命財產安全，受到了國務院工作組、四川省委、省政府領導的高度評價。

2013年7月18日至22日，紫坪鋪下游白沙河遭遇山洪泥石流，造成成都市飲用原水濁度嚴重超標。應成都市要求，紫坪鋪水庫緊急調用庫水進行稀釋。通過對白沙河洪水流量、入庫流量和稀釋用水量的綜合分析，緊急開啟沖砂放空洞(Q=300 m3/s)下泄庫水，歷時52 h，累計增供清水5 650萬m3，及時稀釋了大幅度超標的原水，化解了此次成都市的用水危機。

3.2.2.2 后汛期逐步抬高水庫運行水位的水位調控方法

綜合暴雨成因、實測降雨、峰現時間和量級等情況分析，由于9月1日后形成洪水的暴雨天氣成因顯著不同、洪水量級明顯減小，將紫坪鋪水庫主汛期與后汛期的分界日定為9月1日。主汛期(6月～8月)，以全面的水情測預報數據為支撐，通過逐步抬高水庫運行水位，通過錯峰固定下泄和下游區間流量湊泄相結合的方法，錯峰調度，有效調控洪水，確保下游防洪安全；后汛期(9月)，根據后汛期水庫水位回蓄控制指標(表2)要求和水情、天氣預報情況，在保證樞紐工程和下游防汛安全的前提下，通過科學預測、良好協調和優化調度，提前蓄水，可減少棄水量，增加發電收益，提高水庫的綜合效益。

圖2 7月8日-7月17日洪水過程及調度示意圖

表2 后汛期紫坪鋪水庫調度水位控制指標

經統計，從10月1日起蓄水，僅有2009年和2012年能按時蓄至正常蓄水位877 m，其余年份均不能回蓄至正常蓄水位，尤其是2007年還將出現降至817 m死水位無水可蓄的局面。

通過后汛期逐步提高庫水位實現提前蓄水，紫坪鋪工程的綜合效益得到明顯提高。在確保水庫度汛安全的前提下，2013年～2015年9月蓄水，產生的效益明顯高于往年(表3)。圖3為2015年后汛初期(9月)蓄水與10月初蓄水時，洪水資源化情況。

3 結 語

為科學利用日益匱乏的水資源，緩解向下游供水的供需矛盾，增強紫坪鋪工程的綜合效益，通過改造沖砂放空洞體型增加其調水、配水功能，優化汛期紫坪鋪水庫調控方式，實現水庫調度運行的安全、靈活和精準目標。紫坪鋪工程安全高效運行關鍵技術的成功應用，促進了工程防洪、供水、灌溉、發電等效益的發揮，對應對下游突發水安全事件，降低大中型水庫汛期運行調度風險，對提高水資源利用效益和對大中型水利水電工程中高水頭泄流設施的設計優化具有良好借鑒意義。

表3 后汛期蓄水后紫坪鋪水庫效益增長統計表

圖3 2015年紫坪鋪水庫后汛期(9月初起)蓄水與非汛期(10月初起)蓄水過程線