伊辛巴水電站水庫初期蓄水方案研究

魯禮慧

(上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200434)

下閘蓄水是水電站水輪發(fā)電機組有水調(diào)試的先決條件，同時也是對大壩等擋水建筑物設(shè)計施工質(zhì)量的全面檢驗。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、工程形象進度及庫底清理工作等[5]。蓄水速率受大壩安全、工程邊坡及近壩庫岸穩(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，因此需要對入庫流量和下泄流量進行合理調(diào)配。因此水庫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，軸線總長度1599m。水庫正常蓄水位1054.50m，相應(yīng)正常蓄水位以下庫容16081萬m3。

根據(jù)施工進度安排，計劃于2018年11月5日開始下閘蓄水，起始水位為1039.00m。為控制蓄水安全風(fēng)險，本工程初期蓄水先蓄至1053.00m后保持該水位半個月，在此期間通過巡視檢查確認(rèn)上游庫岸邊坡穩(wěn)定后，再逐漸蓄水至正常蓄水位1054.50m。下閘蓄水前，工程形象進度、庫區(qū)移民搬遷、專項遷改、庫底清理、應(yīng)急預(yù)案等各項工作均已滿足蓄水要求，溢洪道閘門啟閉設(shè)備運轉(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度為375.16m，右岸土石壩段壩頂長度為1049.52m。由于土石壩對水位變幅比較敏感，因此蓄水過程中每天的水位變幅不宜過大。根據(jù)國內(nèi)土石壩水庫工程的蓄水經(jīng)驗[6-11]，上漲速率通常為1～2m/d?？紤]本工程壩軸線較長的特點，擬定蓄水原則為：蓄水初期上漲幅度不超過2m/d，蓄水后期上漲幅度不超過1.0m/d；由于庫區(qū)內(nèi)存在較高的土質(zhì)直立岸坡，為避免在水庫水位消落時庫岸失穩(wěn)[3]，控制庫水位降幅不超過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

2.1 水庫來水分析

水庫上游來水主要為上游已投運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大的支流河道匯入，因此本電站來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)律相對固定。蓄水期間，上游電站放水到達(dá)本電站歷時5h。根據(jù)典型來水流量過程，蓄水時期上游來水日平均流量為905m3/s，用電負(fù)荷高時流量較小，用電峰時流量大。高用電負(fù)荷時段(21：00～9：00)、即到達(dá)本電站時間(2：00～14：00)的平均來水流量為768m3/s，低用電負(fù)荷時段(9：00～21：00)、即到達(dá)本電站時間(14：00～次日2：00)的平均來水流量為1042m3/s。

2.2 水位-庫容關(guān)系

本樞紐工程庫水位與庫容關(guān)系見表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，總蓄水庫容1.33億m3。

表1 庫水位-庫容關(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)。計劃13d時間完成初期蓄水工作。根據(jù)表1水位-庫容關(guān)系、按照以上分期蓄水計劃，約1026萬m3/d的蓄水量。

由于已知上游來水過程，可根據(jù)水量平衡原理準(zhǔn)確控制水庫蓄水過程[12]。1026萬m3/d的蓄水量對應(yīng)的蓄水速率為119m3/s，本次初期蓄水方案初擬119m3/s的流量作為入庫流量。根據(jù)上游來水流量過程，蓄水期間每天分為2個時段，第1時段為高負(fù)荷用電時段、即小流量來水時段，上游來水平均流量為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時段為低負(fù)荷用電時段、即大流量來水時段，上游來水平均流量為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，小流量來水時段和大流量來水時段的入庫流量均為119m3/s，相應(yīng)的下泄流量在各個時段均可滿足下游用水需求，同時根據(jù)水位庫容關(guān)系計算可知，119m3/s的入庫流量、即1026萬m3/d的蓄水量基本可以滿足水位上漲速率的控制要求。而要實現(xiàn)上述下泄流量控制目標(biāo)，則需要通過閘門開度的準(zhǔn)確控制來實現(xiàn)。

3 溢洪道泄流能力及閘門操作程序

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。通過水工模型試驗結(jié)合泄流計算分析，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 底孔溢洪道底孔庫水位～流量關(guān)系曲線(3孔)

圖2 表孔溢洪道閘門全開和局開時庫水位～流量關(guān)系曲線(2孔)

根據(jù)上述水位流量關(guān)系曲線，計算出在各種庫水位條件下、溢洪道達(dá)到649、923m3/s的下泄流量時對應(yīng)的閘門開度組合，這樣只需每天在小流量來水時段和大流量來水時段分別進行1次閘門開度調(diào)整即可。整個蓄水過程僅需26次調(diào)整閘門開度即可完成歷時13d的初期蓄水計劃。

根據(jù)水工模型試驗，表孔泄流時的流態(tài)優(yōu)于底孔，因此在蓄水過程中需充分利用表孔泄流。但蓄水初期庫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)蓄水時段的泄流要求。因此，庫水位到達(dá)1051.00m高程以前通過逐漸減小3個底孔閘門開度控制下泄流量，表孔閘門全開；到達(dá)1051.00m高程后全關(guān)3個底孔，通過逐漸減小2個表孔閘門開度控制下泄流量。

4 蓄水過程

根據(jù)上述蓄水方案，實際蓄水過程中執(zhí)行了26次閘門開度調(diào)整。根據(jù)實時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：①蓄水歷時13d(312h)，從1039.00m蓄水至1053.00m，與預(yù)期目標(biāo)完全相符，且計劃中的3個階段蓄水進度都得到了準(zhǔn)確控制，說明本工程蓄水方案科學(xué)合理，閘門開度計算準(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m3，與預(yù)期計劃基本相符；③上游水位變化過程保持平穩(wěn)上漲，上漲幅度除第1天之外，均未超過計劃中的上漲控制要求，下降幅度也均未超過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

2018年11月18日，伊辛巴水電站水庫順利實現(xiàn)初期蓄水目標(biāo)。本工程通過對來水流量、水位-庫容關(guān)系、溢洪道泄流能力以及閘門開度與泄流量的分析計算得到閘門開度控制程序，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，實現(xiàn)了以最少的閘門操作次數(shù)、使水庫水位平穩(wěn)上升至目標(biāo)高程的蓄水目標(biāo)。通過以上方案研究，既保證了蓄水進度，又最大程度地避免了蓄水過程對大壩結(jié)構(gòu)和庫岸邊坡穩(wěn)定的影響。