陜西水能開發(fā)項目中的泥沙問題

程子勇

（陜西省水利廳，陜西 西安 710004）

一、泥沙研究是多沙河流區(qū)必須重視的問題

陜西地處內(nèi)陸地區(qū)，自然地形地貌條件和降雨特性使陜西處于土壤侵蝕高值區(qū)，特別是黃河流域水土流失嚴(yán)重，土壤年侵蝕模數(shù)一般為2000～20000t/km2,最高值達30000t/km2，致使黃河及其支流含沙量和輸沙量成為世界主要大河之冠。

陜西省流域面積100km2以上的河流有560條，其中黃河流域有348條，長江流域有212條，按照年均含沙量超過10kg/m3即為多沙河流來劃定，陜西省黃河流域的窟野河、無定河、延河、渭河、涇河、北洛河、南洛河等主要河流皆為多沙河流。而長江流域的嘉陵江流域略陽水文站多年平均含沙量為6.86kg/m3，也接近多沙河流。榆林地區(qū)的“四川四河”、清澗河、延河、渭河、涇河、北洛河都存在超過200kg/m3的高含沙洪水問題，實測最高含沙量都在1100～1500kg/m3之間。

高含沙洪水挾帶的大量泥沙，給水利工程帶來許多危害：

1.河道嚴(yán)重淤積及不斷延伸，河道比降變緩，行洪和輸沙能力相應(yīng)降低，加劇了工程的防洪壓力。

2.高含沙洪水含有大量泥沙，加大了洪峰流量。同時因洪水容重大，沖刷力強，破壞力大，增加了工程的安全隱患。

3.河道泥沙形成壩前淤積，威脅進水口安全。高含沙洪水一旦引入輸水工程和前池，會造成大量的淤積，而清淤需花費大量的時間和人力、物力。

4.多沙河流修建的水庫，如若設(shè)計運行不當(dāng)，會造成嚴(yán)重淤積，致使水庫喪失調(diào)節(jié)能力，甚至造成工程報廢。正常蓄水的淤積翹尾問題解決不好，提高了上游電站尾水位，可能帶來意想不到的麻煩和糾紛。

5.高含沙水會造成水輪機的葉輪、蝸殼、導(dǎo)葉和過水流道的嚴(yán)重磨損，降低機組出力，甚至報廢。

這些危害提醒我們必須高度重視河流泥沙問題。

二、加強對多沙河流特性的研究和總結(jié)

要避免和減少河流泥沙對水利工程的危害，首先必須摸清工程所在河流的泥沙特性，主動采取措施減少影響。雖然多沙河流的泥沙問題很復(fù)雜，但是仍有一些特點是可以在工程設(shè)計和運行中利用的，特別是掌握高含沙洪水的特性，對工程設(shè)計和運行十分重要。簡要總結(jié)河流泥沙主要有以下幾個特性：

1．泥沙與徑流同步。陜西省河道徑流是以降雨為主要來源的，年際分配中徑流量較大的年份降雨洪水較大，造成的土壤侵蝕較強，所以這些年份的輸沙量也較大，輸沙量最大年沙量與最小年沙量的比值遠(yuǎn)比徑流量的年際豐枯比值大。以渭河華縣斷面為例，豐枯年輸沙量的比值為21.4，而豐枯年徑流量的倍數(shù)只有5.6。洛河交口站1958-2005年的多年平均輸沙量為7648萬t，年最大輸沙量為22600萬t，是最小輸沙量1405萬t的16倍，而豐枯年徑流量的倍數(shù)只有3.95。所以多沙河流上的水電站在豐水年發(fā)電量大的時候，更要注意河道泥沙的危害。

2．洪峰陡漲陡落，沙峰陡漲緩落，沙峰峰值一般滯后于洪峰。北方河流的一般特點是洪水峰高量小，洪峰陡漲陡落，在暴雨洪水初期，由于暴雨和超滲產(chǎn)流的沖蝕，沙峰略遲于洪峰很快出現(xiàn)。暴雨后期，各種侵蝕，特別是重力侵蝕仍然會持續(xù)一段時間，因而沙峰并不會隨洪峰很快消退，不能因為洪峰已過就迅速蓄水或引水發(fā)電。以渭河寶雞峽渠首為例，1977年5月底的一場洪水，洪峰過程只有約12小時，但是超過100kg/m3含沙量的沙峰出現(xiàn)在洪峰之后，并持續(xù)了40多小時。

3．輸沙量年內(nèi)集中于幾場洪水中。多沙河流的汛期徑流量占全年的50%～70%,而汛期輸沙量要占全年的70%～90%，個別河流的汛期輸沙量占全年輸沙量的95%以上。據(jù)統(tǒng)計，北洛河的最大3天輸沙量占全年的53%，最大5天輸沙量占全年的64%，最大10天的輸沙量占全年的80%。陜北的多沙河流情況更突出，如佳蘆河的最大3天輸沙量占全年的84%，5天輸沙量占92.5%，10天輸沙量占97.5%。因而控制好幾場高含沙洪水期的運行，就可以減緩泥沙對工程的不利影響。

4．高含沙洪水歷時一般較短。一般高含沙洪水的歷時短者數(shù)小時，長者2～3天。例如2003年8～10月的渭河洪水，6場洪水首尾相連，歷時長達60天，但是高含沙的洪水過程并不長。1＃洪峰主要來自涇河上游多沙區(qū)，含沙量大。涇河張家山站最大含沙量734kg/m3，華縣站最大含沙量606kg/m3；第2～5＃洪峰主要來自渭河中下游，含沙量較小，華縣站最大含沙量僅為159kg/m3，總體含沙量超過100kg/m3的天數(shù)并不多。所以水電站搶1～2天的滿發(fā)得到的效益與引入高含沙水發(fā)電造成的危害相比，孰輕孰重顯而易見。

三、水電站設(shè)計中有關(guān)的泥沙問題

大量的電站工程實踐證明，解決泥沙問題有兩個重點：一是充分考慮庫區(qū)泥沙淤積，通過合理的工程布置和運行方式，延長工程的使用壽命。二是嚴(yán)格控制高含沙洪水進入引水系統(tǒng)和機組。防沙措施主要有導(dǎo)（導(dǎo)離進水口）、攔（攔在進水口以外）、排（排往下游）、沉（設(shè)置沉沙池）、沖（將已淤積的泥沙沖出）幾種方式。

水利工程中的泥沙分析和處理存在許多不確定因素，在實際工程設(shè)計中，除了進行必要的河流泥沙特性分析和淤積計算外，更應(yīng)參考已成工程的實際淤積形態(tài)和實例，合理確定相應(yīng)的工程布局和結(jié)構(gòu)形式?？偨Y(jié)近年來設(shè)計審查和工程驗收遇到的問題，主要應(yīng)注意以下幾個方面的研究。

1.引水樞紐的總體布置。在一些水庫庫容論證中按照全攔全蓄考慮了泥沙淤積問題，但是仍然應(yīng)該設(shè)置沖沙建筑物，確保引水口門前清。對無調(diào)節(jié)的低壩樞紐，設(shè)置沖沙建筑物是非常必要的。沖沙建筑物應(yīng)與引水建筑物一并結(jié)合壩址地形地質(zhì)條件就近布置。充分考慮河流的河勢變化和水流流態(tài)，盡量防止泥沙進入進水口。

2.擋水建筑物的形式。受河道兩岸鐵路和公路的限制，現(xiàn)在的低壩引水電站一方面為抬高正常蓄水位、另一方面為降低樞紐投資，在一些少沙河流的擋水建筑物中采取自動翻板閘。實踐證明，在蓄水運用期間，因閘底泥沙淤積造成閘門難以在過洪時自動翻門，同時翻板閘底坎抬高了河道侵蝕基準(zhǔn)面，將帶來新的矛盾。因此，宜在翻板閘門的一側(cè)設(shè)置相應(yīng)的沖沙泄洪閘門，降低侵蝕基準(zhǔn)面。同時翻板閘門應(yīng)考慮設(shè)置液壓推桿，確保過洪時閘門能夠翻起。當(dāng)然，在多沙河流建堤壩引水最好采用閘壩式擋水建筑物。

3．沖沙建筑物的規(guī)模和高程論證。對于有調(diào)節(jié)庫容的水電站一般沖沙建筑物都會結(jié)合導(dǎo)流和泄洪建筑物布置，泄流量一般較大，從保持終極庫容出發(fā)，泄流量以大為宜。更為重要的是沖沙建筑物的底板高程要從淤積高程、導(dǎo)流需求和保持引水進口“門前清”等幾方面的綜合因素進行論證。對低壩引水工程的沖沙閘主要是設(shè)置位置、泄流量和底板高程的綜合論證。同時進水口宜采用壩式進水口，以減輕沖沙建筑物的布置難度，增強排沙能力，控制泥沙進洞。

4．低壩樞紐的淤積計算侵蝕基準(zhǔn)面分析。關(guān)于低壩樞紐淤積計算，在沖沙閘達到一定的沖沙泄流規(guī)模和泄流寬度的情況下，以沖沙閘底板高程作為侵蝕基準(zhǔn)面是可行的，但是這一要求在低壩樞紐中一般難以達到，所以一般應(yīng)以溢流壩頂或泄洪閘底板高程作為淤積侵蝕基準(zhǔn)面。

5．庫區(qū)淤積分析。在梯級電站的設(shè)計中，淤積分析計算時，除了合理確定侵蝕基準(zhǔn)面之外，更要關(guān)注庫尾淤積問題，要充分考慮淤積翹尾問題，留有足夠的銜接余地，以免上下游電站的糾紛。

6．引水系統(tǒng)設(shè)計。主要注意三個問題，一是引水工程的比降要考慮一定流量時的水流流速要大于不淤流速，在設(shè)定斷面或比降的情況下就要考慮設(shè)定一定的引水沙限。二是進水口設(shè)置攔沙坎或?qū)硥?，減少泥沙進入。三是在引水工程的合適位置設(shè)置沉沙坑，減輕泥沙進入機組的壓力。同時在前池等位置應(yīng)設(shè)置沖沙設(shè)施。

7．水庫的運行方式。對于有一定調(diào)節(jié)能力的水庫而言，要研究水庫合理的運行方式，利用泄洪排沙設(shè)施適時進行排沙，保持有效庫容。對于低壩引水工程，最主要的措施是及時總結(jié)河流泥沙特性，控制發(fā)電運行，在高含沙洪水期間停機避沙，杜絕高含沙洪水對機組的高危害。

8．廠址選擇與尾水渠設(shè)計。引水徑流式電站的廠址宜選擇在河道相對較寬的河段，以減輕防洪壓力和對沿岸設(shè)施的影響。壩后式電站要注意樞紐泄洪消能對電站尾水渠的不利影響，最好將廠房置于影響區(qū)之外，或者修建一段導(dǎo)墻，防止洪水泥沙淤堵尾水渠。

9．機組選型和耐磨措施。泥沙一點不進入引水系統(tǒng)和機組是不可能的，泥沙對水輪機和流道的磨損必然存在。解決的方法只有采取相應(yīng)的防沖耐磨措施和選好相適應(yīng)的水輪機組，盡量延長設(shè)備的使用壽命。近年來，隨著水輪機制造業(yè)的發(fā)展，水輪機選型一般傾向于高比轉(zhuǎn)速。但是比轉(zhuǎn)速的提高也必將導(dǎo)致水輪機流道中水流速度的相應(yīng)加大，在泥沙條件基本相同的情況下，水輪機設(shè)計參數(shù)越高，水流速度越快，水輪機磨蝕破壞越嚴(yán)重，所以在設(shè)計中應(yīng)充分考慮多泥沙特點，適當(dāng)降低水輪機基本參數(shù)，限制水輪機過流部件流速，以有效減少高速含沙水流對水輪機過流部件的磨蝕，采用防沖耐磨技術(shù)和材料，提高機組的抗磨蝕強度和抗氣蝕性能。

【1】《高含沙引水及淤灌技術(shù)》,陜西省水利廳.

【2】焦居仁.《對渭河“03?9”洪水與泥沙的幾點淺識》.