LAWI水電站取水防沙及沉沙池沉沙沖沙試驗(yàn)研究

呂會嬌，王英偉，鄭慧洋，蘇 通

(中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

LAWI水電站位于巴基斯坦開伯爾普赫圖赫瓦省地區(qū)附近的奇特拉爾河左岸支流Shishi河上，電站分為大壩樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐、營地設(shè)施和道路五個(gè)部分。其中大壩樞紐由溢流壩、沖沙壩、擋墻、消力池及下游護(hù)坦、上壩公路等部分組成。引水系統(tǒng)由進(jìn)水口、引水渠道、沉沙池等建筑物組成。由于工程來沙量大，庫容較小，且?guī)烨昂拥缹掗煟瑯O易泥沙淤積，尤其是汛期洪水挾帶大量泥沙，對工程的危害性很大。為力求引水的同時(shí)少進(jìn)沙，促進(jìn)水沙分離，引入“清水”而攔截底沙[1]，取水口上游設(shè)置一道攔沙坎，使電站進(jìn)水口前達(dá)到“門前清”效果。模型試驗(yàn)通過多種不同試驗(yàn)工況的測量，對原布置方案取水防沙問題進(jìn)行分析研究，對其防沙設(shè)施進(jìn)行了優(yōu)化完善，提出行之有效的取水方式，解決了電站的取水防沙問題，保證電站正常引水發(fā)電。

1 水文泥沙資料

LAWI電站為徑流引水式電站，電站裝機(jī)69 MW，設(shè)計(jì)引用流量20 m3/s，對應(yīng)水流含沙量為0.2 kg/m3。電站壩址年平均來沙量15.8 萬t，有效庫容為59.3 萬m3。溢流壩段上游正常蓄水位為1 711.20 m，最大洪水位為1 715.20 m。設(shè)計(jì)最大洪水頻率為500年一遇，洪水流量為872 m3/s，設(shè)計(jì)對應(yīng)含沙量為4 kg/m3；100年一遇洪水流量為705 m3/s，對應(yīng)含沙量為2 kg/m3；10年一遇洪水流量為259 m3/s，對應(yīng)含沙量為1 kg/m3；常遇洪水流量為130 m3/s，對應(yīng)含沙量為0.5 kg/m3。

2 模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用正態(tài)模型，幾何比尺αL=αH=40，模型設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)滿足水流運(yùn)動(dòng)相似、泥沙起動(dòng)和沉降相似[2]。模型主要相似比尺見表1。模型上游截取河道地形為壩前640 m，地形高程模擬到1 720 m，壩前橫向范圍模擬寬度為320 m，保證泄水建筑物進(jìn)口流態(tài)不受邊界影響，下游截取河道地形為壩后360 m，地形高程模擬到1 720 m。上述模擬范圍足以消除模型邊界對庫區(qū)水流影響，保證模型的可靠性[3]。工程布置見圖1。

圖1 工程布置圖

表1 主要相似比尺匯總表

根據(jù)原型河道泥沙觀測資料，得到河道中懸移質(zhì)粒徑級配和壩址河床推移質(zhì)粒徑級配，經(jīng)對多種模型沙比選，采用石英沙作為模型沙，其容重及穩(wěn)定干容重值與原型沙基本相同。模型沙懸移質(zhì)中值粒徑d50為0.021 mm，推移質(zhì)d50為0.24 mm。

3 電站進(jìn)水口取水防沙試驗(yàn)研究

電站取水口位于河道右側(cè)，緊鄰大壩沖沙道，原設(shè)計(jì)方案采用“正向取水”方式，取水方向平行于河道，設(shè)置單孔取水。針對電站進(jìn)水口需要解決的取水、防沙問題，避免推移質(zhì)泥沙進(jìn)入水電站[4]，模型試驗(yàn)進(jìn)行以下試驗(yàn)研究，如表2所示。

表2 電站進(jìn)水口取水防沙研究

3.1 原設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)研究

原設(shè)計(jì)方案采用正向取水方式，進(jìn)水口前設(shè)攔沙坎，攔沙坎體型為由進(jìn)水口和沖沙閘之間隔墩始直段加弧段形式與左岸邊墻相接。當(dāng)進(jìn)水口單獨(dú)取水時(shí)，控制下游沉沙池水面高程為1 710.59 m，實(shí)測進(jìn)水口前上游水位為1 711.16 m，低于正常蓄水位1 711.20 m，說明正向取水方案進(jìn)水口的設(shè)計(jì)滿足取水要求。但是試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)水口左側(cè)沖沙閘進(jìn)行拉沙時(shí)，攔沙坎會對進(jìn)入沖沙閘的水流起到導(dǎo)流作用，對拉沙效果影響較大，攔沙坎自隔墩始直線段為15 m，后開始起弧在進(jìn)水口前約27 m位置與左岸邊墻交接，起弧位置沖沙閘前橫向斷面變寬，水流速度變低，沖沙閘拉沙效果較差，攔沙坎正前方的淤沙不被拉走，并且引水過程中水流的前推作用會使此部分泥沙翻越攔沙坎進(jìn)入引水渠道，從而影響電站的正常發(fā)電運(yùn)行。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案研究

針對原設(shè)計(jì)方案存在的問題，對攔沙坎體型進(jìn)行優(yōu)化，即將攔沙坎自隔墩始直線段由15 m延長為27 m，而后開始起弧與左岸邊墻交接位置較原體型往上游方向前移約12 m，并且將攔沙坎弧段開始至與左岸邊墻交接部分的坎頂高程加高4m，優(yōu)化后電站“正向取水”的引水方式變?yōu)椤皞?cè)向取水”。優(yōu)化前后攔沙坎體型對比見圖2。

圖2 優(yōu)化前后攔沙坎體型對比

在側(cè)向取水方式基礎(chǔ)上，試驗(yàn)按照LAWI電站水文泥沙設(shè)計(jì)資料，進(jìn)行了為期約15 d的洪水過程模擬，即模擬正常引水流量20 m3/s 10 d，河水含沙量0.2 kg/m3；模擬上游來流流量50 m3/s 2 d，河水含沙量0.3 kg/m3；模擬常遇洪水流量130 m3/s 2 d，河水含沙量0.5 kg/m3；模擬10年一遇洪水流量259 m3/s，河水含沙量1 kg/m36 h。

引水流量20 m3/s時(shí)，水流在攔沙坎直段上流速為0.70～1.75 m/s，水流在攔沙坎與進(jìn)水口前的范圍內(nèi)形成三個(gè)回流區(qū)，即攔沙坎加高區(qū)域與左岸邊墻形成的水域范圍、攔沙坎直線段與左岸邊墻形成的水域范圍和進(jìn)水口胸墻和兩側(cè)邊墩形成的水域范圍。水流穩(wěn)定后，進(jìn)水口胸墻位置水流表流速為0.54 m/s，底流速為0.67 m/s。進(jìn)水口前水深高、水流速度低，加沙后懸沙會漂浮在水流表面，水質(zhì)混濁。由于水流在攔沙坎與進(jìn)水口區(qū)域內(nèi)形成回流以及進(jìn)水口前水深高、水流速度低，挾沙水流在進(jìn)水口及沖沙閘前易落淤。引水流量20 m3/s 10 d后沖沙閘前約6.40 m，泥沙落淤厚度最大約為0.60 m；距進(jìn)水口邊墩約5.60 m，泥沙落淤厚度最大約為1.20 m；距進(jìn)水口胸墻約3.60 m，泥沙落淤厚度約為1.40 m。因此建議觀察進(jìn)水口前落淤情況，必要時(shí)進(jìn)行人工清淤。引水流量20 m3/s 引水10 d后進(jìn)水口前泥沙落淤形態(tài)見圖3(以此為例展示進(jìn)水口前落淤形態(tài))。

圖3 流量20 m3/s引水10 d后進(jìn)水口前泥沙落淤形態(tài)

試驗(yàn)?zāi)M上游來流流量50 m3/s，河水含沙量0.3 kg/m32 d后發(fā)現(xiàn)，沖沙閘前約6.4 m位置落淤厚度約為1 m。模擬上游來流為常遇洪水流量130 m3/s，河水含沙量0.5 kg/m32 d后發(fā)現(xiàn)，隨著流量的加大以及河水含沙量的增加，泥沙在沖沙閘前落淤增多，其落淤速度較上游來流流量為20 m3/s和50 m3/s時(shí)增大，沖沙閘前約6.40 m位置泥沙落淤厚度約為1.80 m。因此，當(dāng)上游來流流量大于常遇洪水流量130 m3/s時(shí)，不建議進(jìn)水口引水。模擬10年一遇洪水流量259 m3/s，河水含沙量1 kg/m3，6 h后發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水口前約8 m位置，泥沙落淤厚度最大約為1.4 m，沖砂閘前約6.4 m位置泥沙落淤厚最大約2 m。原來河道中因?yàn)檎Ｒ匀恍纬傻臏喜郏瑏砗樗蟊挥倨?，沖沙閘左側(cè)導(dǎo)墻的影響，使水流產(chǎn)生繞流，從而使導(dǎo)墻左側(cè)泥沙沖刷嚴(yán)重，易對導(dǎo)墻墻角產(chǎn)生淘刷，因而應(yīng)加強(qiáng)沖沙閘左側(cè)導(dǎo)墻的防護(hù)。

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，側(cè)向取水的引水方式不僅能滿足電站取水要求，還改善了沖沙閘的拉沙效果，阻止了翻沙現(xiàn)象發(fā)生。

4 沉沙池內(nèi)懸移質(zhì)沉降試驗(yàn)研究

利用沉沙池處理泥沙是水利工程中一項(xiàng)行之有效的措施，沉降率是沉沙池設(shè)計(jì)的主要控制指標(biāo)，泥沙沉降率的計(jì)算直接影響著沉沙池的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[5,6]。本工程中，沉沙池與進(jìn)水口通過連接渠道相連，沉沙池總長113.03 m，主要包含進(jìn)口漸變段、沙室段、末端溢流堰和集水渠、沖沙道等結(jié)構(gòu)。沉沙池平面布置形式如圖4所示。

圖4 沉沙池平面圖

4.1 沉沙池沉沙

沉沙池的工作原理是水流進(jìn)入沉沙池后，流速顯著減小，使得水流挾沙能力降低，從而改變了原有水流泥沙運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，達(dá)到沉沙的目的。沉沙池內(nèi)流場分布越均勻，越有利于泥沙沉降，沉沙池的沉降效果越好[7]。電站正常引水時(shí)，沉沙池內(nèi)水面高程為1 710.59 m，水流以2.22 m/s的流速進(jìn)入沉沙池的連接段，配水墩將沉沙池分為左池和右池，由于受上游彎段連接渠道的影響，水流在沉沙池內(nèi)形成較大范圍的回流區(qū)，水流進(jìn)入左池工作段的流速明顯大于進(jìn)入右池工作段的水流流速，水流在沉沙池內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)，流速分布相對均勻，流速分布如圖5所示。連接段渠道內(nèi)水流經(jīng)沉沙池上游連接擴(kuò)散進(jìn)入工作段，隨著過流斷面沿程擴(kuò)大，流速沿程遞減，粗粒泥沙逐漸沉落。首端沉沙受水流沖刷作用，形成類似魚鱗狀形態(tài)，下游泄水渠方向沉沙形態(tài)較平坦。

圖5 沉沙池內(nèi)流速分布

進(jìn)水口引水約15 d后，左池沉沙體積約為247.12 m3，右池沉沙體積約為251.81 m3，左、右池沉沙相對均勻，沉沙體積相差不大。試驗(yàn)測得上游來流不同流量時(shí)沉沙池的沉降率，并將引水15 d后的沉沙池體積的增長速率與引水流量20 m3/s引水10 d沉沙體積的增長速率進(jìn)行了對比，見表3。

表3 沉沙池沉降速率對比分析

由表3及圖6可知，當(dāng)上游來流流量為259 m3/s時(shí)(10年一遇洪水)，沉沙池粒徑大于等于0.2 mm的泥沙沉降率為94.38%，略低于95%，不滿足設(shè)計(jì)沉降率要求，因此當(dāng)上游來流大于常遇洪水流量130 m3/s時(shí)不建議進(jìn)水口引水。隨著時(shí)間的推移，沉沙池下游的沉沙厚度越來越高，若以沉沙高程達(dá)到沉沙池水深的1/4為淤滿情況計(jì)算，上游來流流量只為20 m3/s，河水含沙量0.2 kg/m3時(shí)，沉沙池淤滿需要時(shí)間約為1.8個(gè)月；若按引水15 d的沉沙速率推演計(jì)算，沉沙池淤滿需要時(shí)間約為1.5個(gè)月。

圖6 沉沙池沉沙厚度曲線

4.2 沉沙池沖沙

原設(shè)計(jì)方案沉沙池沖沙管道直徑為1 m，左右池各分別設(shè)置一個(gè)沖沙管道，沖沙過程中發(fā)現(xiàn)沖沙孔前水流流速偏小，沉積泥沙不易被帶走，究其原因是沖沙管道半徑偏小，沖沙能力較弱。對沖沙管道體型進(jìn)行了兩種方案的優(yōu)化(均考慮為水流自然沖沙)。優(yōu)化方案一：分別在左右池各增加一個(gè)管徑相等的沖沙管道；優(yōu)化方案二：將左、右池沖沙管道直徑增大為1.4 m。針對兩種優(yōu)化方案分別進(jìn)行沉沙池沖沙試驗(yàn)。

4.2.1 優(yōu)化方案一沖沙試驗(yàn)

試驗(yàn)首先利用沉沙池內(nèi)已存水量進(jìn)行“泄空沖沙”，待沉沙池內(nèi)水量泄空時(shí)，上游進(jìn)水口閘門局部開啟給定1～2 m3/s的流量進(jìn)行“平水沖沙”，此時(shí)沉沙池底部溝槽內(nèi)沉沙隨水流向前滾動(dòng)沿著沖沙管道流出，沖沙孔前流速約為3 m/s，孔前水深約為1 m。由于沉沙池橫斷面為梯形槽形式，底部溝槽兩側(cè)均存在1∶2.5的坡度，所以當(dāng)沉沙池底部溝槽內(nèi)沉沙沖完，高程在1 m水深以上的沉沙將不受水流沖刷作用，此時(shí)應(yīng)逐漸加大沖沙流量至4～5 m3/s進(jìn)行“壅水沖沙”，流量加大，沉沙池內(nèi)水深增高，水流沖刷作用將溝槽兩側(cè)高程在1 m水深以上的沉沙帶入溝槽，隨水流運(yùn)動(dòng)向前移動(dòng)，而后繼續(xù)調(diào)小流量進(jìn)行“平水沖沙”，如此循環(huán)往復(fù)、交替運(yùn)行，完成沉沙池沖沙。

4.2.2 優(yōu)化方案二沖沙試驗(yàn)

試驗(yàn)同樣首先進(jìn)行“泄空沖沙”，待沖沙孔前水深降至1.4 m時(shí)，沉沙會隨著水流沿沖沙管道沖出。沉沙池內(nèi)原有水量泄空時(shí)，上游進(jìn)水口閘門局部開啟給定4～5 m3/s的流量進(jìn)行“平水沖沙”，此時(shí)沉沙池底部溝槽內(nèi)沉沙隨著水流向前滾動(dòng)沿著沖沙管道流出，沖沙孔前流速約為3 m/s，孔前水深約為1.4 m。當(dāng)沉沙池底部溝槽內(nèi)沉沙沖完，高程在1.4 m水深以上的沉沙將不受水流沖刷作用，此時(shí)可人工輔助用高壓水槍沖刷溝槽兩側(cè)高程在1.4 m水深以上的沉沙，使其隨斜坡滑落進(jìn)入溝槽，隨水流運(yùn)動(dòng)向前移動(dòng)。

對比分析沖沙管道兩種體型優(yōu)化方案的沖沙結(jié)果可知，兩種優(yōu)化方案達(dá)到的沖沙效果基本相同，都能滿足設(shè)計(jì)沖沙需求，但相較于優(yōu)化方案一，優(yōu)化方案二只需進(jìn)行“泄空沖沙-平水沖沙”即可，操作簡便，并且沖沙管道管徑較大，沖沙孔前水深約為1.4 m時(shí)即可開始沖沙，孔前沖沙范圍相對較大，并且每池1根沖沙管道，造價(jià)相對較低，施工工藝相對簡單，因此沖沙管道體型建議采用優(yōu)化方案二。

5 結(jié) 語

本文采用物理模型試驗(yàn)對徑流引水式電 站的取水、防沙問題進(jìn)行了研究，通過優(yōu)化攔沙坎體型，使原來“正向引水”調(diào)整為“側(cè)向引水”，解決了進(jìn)水口前的翻水翻沙問題。對沉沙池的沉沙規(guī)律進(jìn)行研究，同時(shí)優(yōu)化沉沙池沖沙管道體型，保證了沉沙池內(nèi)沉沙的順利排出，滿足了工程中水輪機(jī)對懸移質(zhì)泥沙的要求，保障了電站的正常發(fā)電運(yùn)行。

(1)電站進(jìn)水口應(yīng)采用“側(cè)向取水”方式，不僅能有效阻止坎前推移質(zhì)在水流作用下翻越攔沙坎，還能改善沖沙閘拉沙效果。

(2)上游來流大于常遇洪水流量130 m3/s時(shí)，沉沙池粒徑大于等于0.2 mm的泥沙沉降率為94.38%，略低于95%，不滿足設(shè)計(jì)沉降率要求，不建議進(jìn)水口引水。

(3)沉沙池沖沙應(yīng)遵循“泄空沖沙-平水沖沙-壅水沖沙-平水沖沙”順序，沖沙管道體型優(yōu)化后，沉沙池沖沙只需“泄空沖沙-平水沖沙”即可，操作簡便，沉沙池沖沙孔前沖沙范圍相對較大。