冉渡灘水庫下閘蓄水方案及生態流量泄放措施優化

蔡 平，胡榮林

（遵義市水利水電勘測設計研究院有限責任公司,貴州 遵義 563002）

1 工程概況

冉渡灘水庫位于貴州省務川縣豐樂鎮境內的洪渡河馬村壩河段,為洪渡河干流規劃水資源利用開發的第三級,壩址以上流域面積997 km2,多年平均徑流量7.03 億m3,多年平均流量22.3 m3/s。水庫樞紐及電站工程主要由碾壓混凝土重力壩、壩頂設閘表孔泄洪+消力池底流水躍消能、左岸庫首岸塔式取水及供水系統、右岸壩前塔式取水和引水發電系統及壩后發電廠房等組成。水庫正常蓄水位738.00 m,死水位724.00 m,興利庫容2830 萬m3,水庫總庫容5470 萬m3,庫容系數為4.03%，具有不完全年調節性能，水庫年供水量為9120 萬m3/a；電站裝機2×8 MW+4 MW，多年平均發電量6880 萬kW?h,保證出力2320 kW,年利用小時3490 h。

2 施工導流及下閘蓄水封堵方案

2.1 施工導流方式及度汛方案

由于冉渡灘水庫壩址段河谷狹窄,兩岸地形較陡,屬典型的山區峽谷河流,且洪峰流量及洪水位變幅較大,故施工導流采用“全斷流圍堰+導流隧洞過水”和度汛采用“導流隧洞+壩面預留缺口過流”泄洪方案,水庫樞紐及施工導流隧洞布置見圖1。

圖1 水庫樞紐及施工導流隧洞總平面布置圖

2.2 施工導流隧洞下閘蓄水封堵方案

施工導流隧洞封堵采取進口臨時設鋼閘門擋水與洞身設永久混凝土堵頭相聯合的永臨結合方案[1]。進口臨時封堵擋水閘門型式為平面滑動鋼閘門,孔口尺寸為5.5 m×6.5 m,設計擋水水頭37.00 m,閘門吊裝采用雙吊點啟閉,啟閉設備選用QPQ2×250 kN 卷揚式啟閉機；永久封堵堵頭設在壩軸線及防滲帷幕處（導0+152.70~0+172.70）,堵頭總長20.0 m,采用C20 混凝土澆筑,導流隧洞永臨結合封堵方案及措施見圖2。

圖2 導流隧洞封堵縱剖面圖

水庫下閘蓄水封堵前需先進行進口臨時鋼閘門下閘擋水,從出口進洞對堵頭段洞身進行清理,在堵頭段隧洞四周布設錨筋及固結灌漿,并埋設回填灌漿管,堵體澆筑完畢后再進行頂拱回填灌漿。

3 水庫初期蓄水方案

3.1 下閘蓄水方案

3.1.1 生態用水下放措施

生態放水措施：①水庫初蓄期間當水庫水位低于溢流堰頂高程724.00 m 時,用22 臺（揚程46 m、流量380 m3/h的200 WQ/P12101-46-90 型）潛水泵（功率90 kW）從壩前提水過溢流堰頂解決下游河道生態用水問題,當庫水位達到724.00 m 后由生態放水管下放生態水；②水庫運行期間,由于電站為壩后式電站,當庫水位高于發電限制水位730.00 m時,電站發電主機單機設計流量為16.64 m3/s,單機45%出力運行發電流量范圍為8.0 m3/s~9.7 m3/s,均大于生態流量,能夠滿足下游河道生態流量要求；當庫水位低于發電限制水位730.00 m 時或發電機組停機檢修時,利用專門設置的生態發電機組進行下放生態流量,生態機組單機設計流量為8.49 m3/s,單機45%出力運行發電流量范圍為4.2 m3/s~5.2 m3/s,均滿足下發生態水量不小于2.26 m3/s。

3.1.2 水庫初蓄期時間推算

冉渡灘水庫正常蓄水位738.00 m,死水位為724.00 m,正常蓄水位庫容4490 萬m3,死庫容為1660 萬m3,興利庫容為2830 萬m3。根據施工計劃安排,水庫擬從11 月初開始蓄水,初蓄期在枯季,故可不考慮下放漂流水量,初蓄期間僅下放生態流量按2.26 m3/s 計,庫損水量按正常蓄水位庫容的10%平均分配至各月。按P=75%設計代表年初蓄期：P=75%設計代表年11 月平均流量6.90 m3/s,12 月平均流量4.50 m3/s,1 月平均流量4.09 m3/s,2 月平均流量3.96 m3/s,計算初期蓄水至死水位（724 m）的時間約為22 天（至當年11 月22 日）,計算初期蓄水至發電限制水位（730 m）的時間約為71 天（至次年1月10日）,蓄水至正常蓄水位（738 m）的時間約為121天（至次年3 月1 日）。

3.2 蓄水后運行調度方案

冉渡灘水庫在運行期的興利調度中,應盡量按設計供水量供水,水庫在保證供水的情況下應最大限度地多蓄水,盡量維持在發電限制水位（730.00 m）以上運行,一方面可保障供水,另一方面由于水頭的提高也可增加發電效益,當庫水位低于發電限制水位時（730.00 m）,應限制發電（僅允許生態機組發電泄放生態流量[2]）,以保障供水和農灌,若來水量與歷年同期平均來水相比減少20%以上,還須控制農灌供水量以保障城鎮及工業用水,農田灌溉最大年供水量應控制在1060 萬m3/a 以內。在停機檢修期間還須下放足量的生態流量。

4 水庫初期蓄水生態流量泄放方案及措施優化調整和經濟技術綜合分析比較

由于洪渡河漂流項目起漂點位于冉渡灘水庫發電廠房下游約1.1 km 處,漂流河段長約5.5 km,根據與漂流公司協議,漂流活動在每年6 月~10 月,開漂最小流量為5 m3/s~6 m3/s；另依據貴州省水利廳關于《冉渡灘水庫工程水資源論證報告書》的審批水庫下放生態流量為2.26 m3/s。故為了確保下游河道生態環境及夏季洪渡河漂流運營需水要求,應在夏季洪渡河漂流運營時段下放最小流量為5 m3/s,其余時段需下放最小生態需水量為2.26 m3/s。

4.1 水庫初蓄期生態流量泄放方案及措施優化調整

水庫初蓄期間當水庫水位低于溢流堰頂高程724.00 m 時,原生態泄放水措施是采用22 臺（揚程46 m、流量380 m3/h 的200WQ/P12101A-46-90 型）潛水泵（功率90 kW）從溢流堰頂提水解決下游河道生態用水問題,即需要在壩前臨時架設多臺潛水泵從上游庫中抽水從溢流堰頂向下游補水[3]。經測算,擬定從11 月初開始蓄水,河道的平均流量約為7.0 m3/s,水庫初期蓄水至溢流堰頂需約為22 天,水泵及管道設備安裝費用約180 余萬元,抽水電費約65 余萬元。

鑒于本工程下放生態流量較大（2.26 m3/s）,結合現場實際情況,為了進一步提高生態流量泄放保證率和節省工程投資,經參建各方共同研究和商討,并確定在水庫下閘蓄水初期采取“在導流隧洞進口臨時封堵鋼閘門上預留底孔及導流洞內布置生態泄流管道[4-5]和大壩壩前設潛水泵從溢流堰頂提水相結合方案”解決下游河道生態環境用水問題,其中在導流隧洞進口臨時封堵鋼閘門上開2 孔直徑500 mm 的底孔,并在導流洞內布置兩根DN500 臨時生態放水管引至堵頭下游側,再通過洞身流至下游河道,待水庫蓄水至溢流堰頂高程724.0 m 后,再拆除堵頭下游放水閘閥后管道,用鎮墩混凝土對放水閘閥及管道作永久性封堵。導流隧洞永臨結合封堵方案優化調整及臨時生態放水措施見圖3。

圖3 導流隧洞封堵及臨時生態放水措施方案圖

根據下閘蓄水時段河道平均來水量約7.0 m3/s 流量測算,當水庫下閘蓄水后,若只采取導流洞預留兩根DN500 底孔及管道生態放水水量測算,需約7 天后,當庫水位蓄至707.50 m高程后才能滿足下游2.26 m3/s 生態流量要求,在這初蓄期間,仍需采用水泵提水進行補充,最大補水流量為0.90 m3/s,需用8 臺（揚程46 m、流量380 m3/h 的200 WQ/P12101A-46-90 型）潛水泵（功率90 kW）。

4.2 優化導流洞封堵方案及臨時生態放水措施

為了進一步提高生態流量泄放保證率和節省工程投資,將施工導流洞封堵方案采用永臨結合的措施進行優化調整,即在永久性堵頭前設置臨時鋼閘門并預留生態底孔[6],一方面保證導流洞封堵施工期施工安全,另一方面臨時擋水與永久堵頭相結合,并解決水庫下閘蓄水初期生態流量下放。

4.2.1 臨時封堵鋼閘門預留生態底孔

施工導流洞進口臨時封堵閘門為平面滑動鋼閘門（孔口尺寸5.5 m×6.5 m）,設計擋水水頭37.00 m（高于堰上水頭4.0 m），閘門吊裝采用雙吊點啟閉，啟閉設備選用QPQ2×250kN 卷揚式啟閉機。為了解決水庫下閘蓄水初期生態流量下放,封堵鋼閘門上開2 孔直徑500 mm 的底孔,底孔中心線距底緣0.60 m,經閘門結構復核計算,只需在孔口兩側增設加強板-16×678×920 即可,并在門后設DN500 閘閥進行安裝控制。

4.2.2 臨時生態放水及封堵

在臨時鋼閘門預留生態放水底孔后,為了滿足洞內臨時生態放水管安裝,在鋼閘門預留生態放水底孔后設DN500 控制閘閥,將閘閥關閉后,沿隧洞兩側鋪設DN500 生態放水鋼管引至永久堵頭下游側,再設DN500 后期封堵閘閥。

4.3 水庫初蓄期生態流量下放方案及措施經濟比選

4.3.1 原生態流量下放措施及投資

水庫初蓄期原生態流量下放方案及措施需采用22 臺（揚程46 m、流量380 m3/h 的200 WQ/P12101A-46-90 型）潛水泵（功率90 kW）從溢流堰頂提水解決河道下游2.26 m3/s生態用水問題。經測算,擬定從11 月初開始蓄水,河道的平均流量約為7.0 m3/s,水庫初期蓄水至溢流堰頂需約為22 天,水泵及管道設備安裝費用約180 余萬元,抽水電費約65 余萬元,共計約245 余萬元。

4.3.2 優化生態流量下放措施及投資

若采取“在導流隧洞進口臨時封堵鋼閘門上預留底孔和大壩壩前設水泵從溢流堰頂提水相結合優化方案”解決下游河道生態環境用水問題,經測算,擬定從11 月上旬開始蓄水,河道的平均流量約為7.0 m3/s,需約7 天后,當庫水位蓄至707.50 m 高程后才能滿足下游2.26 m3/s 生態流量要求,在這初蓄期間,仍需采用水泵提水進行補充,最大補水流量為0.90 m3/s,需用8 臺（揚程46 m、流量380 m3/h 的200 WQ/P12101 A-46-90 型）潛水泵（功率90 kW）。水庫初期蓄水至溢流堰頂需約為22 天,導流洞內臨時生態放水管道及閘閥等設備安裝費用約40 余萬元；壩前提水泵及管道設備安裝費用約65 余萬元,抽水電費約8 余萬元,共計約113 余萬元。

經水庫初期蓄水生態流量泄放方案及措施優化調整后,節省了工程投資約132 余萬元。最終推薦采取“在導流隧洞進口臨時封堵鋼閘門上預留底孔及導流洞內布置生態泄流管道和大壩壩前設潛水泵從溢流堰頂提水相結合優化方案”解決水庫初期下閘蓄水時段下游河道生態環境用水問題。

5 結論

冉渡灘水庫工程的任務供水（含城鎮供水、工業園區供水、農村人畜飲水）、灌溉,兼顧水力發電,水庫具備不完全年調節性能。為了滿足水庫下閘蓄水初期下游生態環境需要的流量,經水庫下閘蓄水方案分析和研究,并結合水庫蓄水計劃及進度安排、導流洞封堵方案及施工措施、下放生態流量等條件和要求,進一步對生態流量泄放方案及措施進行優化,選擇采取“在導流隧洞進口臨時封堵鋼閘門上預留底孔及導流洞內布置生態泄流管道和大壩壩前設潛水泵從溢流堰頂提水相結合優化方案”解決水庫初期下閘蓄水時段下游河道生態環境用水問題,提高生態流量泄放保證率和節省工程投資。為同類典型的峽谷河流上的中小型水利工程的生態流量泄放措施提供借鑒和參考。