多泥沙流域水電站沖沙孔的設(shè)計和計算

藍(lán)曉君

（廣西水利電力勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

[關(guān)鍵字] 泥沙；沖沙底孔；排沙設(shè)計；水電站

1 工程概況

某水電站是尼泊爾Bheri 河上一梯級電站，為閘壩引水式開發(fā)，該河段干流比降約1%～3%。根據(jù)初步研究成果，該水電站正常蓄水位為1395 m，死水位為1385 m，總庫容為1036萬m3，其中死庫容為377 萬m3，調(diào)節(jié)庫容為659 萬m3。該水庫具有季調(diào)節(jié)性能。該水電站為河床徑流式電站，具有日調(diào)節(jié)性能，利用下游河道彎曲和大落差的特點(diǎn)，從右岸引水到Taksu Khola 支流上游2 km 處Bheri 河右岸地面廠房發(fā)電。電站總水頭約為384 m，發(fā)電引用流量為116 m3/s，裝機(jī)容量270 MW。年發(fā)電量1 360.04 GW·h（其中旱季443.84 GW·h，雨季916.20 GW·h）樞紐總布置方案為：攔河閘壩、右岸輸水系統(tǒng)、地下沉沙池、右岸地面廠房。

該水電站屬Ⅲ等工程、工程規(guī)模為中型。根據(jù)工程所屬等別，樞紐建筑物中攔河壩建筑物、發(fā)電廠房、引水系統(tǒng)等永久性主要水工建筑物級別為3級，其他次要建筑物級別為4級。

2 泥沙研究

尼泊爾喜馬拉雅山區(qū)的泥沙產(chǎn)量變化很大，特別是從東到西。尼泊爾西部高山地區(qū)的降雨量相當(dāng)?shù)?，與尼泊爾東部相比，氣候相對干旱，泥沙侵蝕模數(shù)1000～4000 t/（km2·a）；在高山往低山過渡地帶，山體滑坡頻發(fā)，導(dǎo)致泥沙侵蝕模數(shù)較高，侵蝕模數(shù)3000～8000 t/（km2·a）；在海拔較低的地區(qū)，降雨量大，泥沙侵蝕模數(shù)5000～15 000 t/（km2·a）。

Bheri流域泥沙來源主要是流域內(nèi)水土流失，流域植被覆蓋差，當(dāng)暴雨降到流域地表，或積雪融水在產(chǎn)流和匯流過程中，侵蝕坡地及溝壑的巖土，經(jīng)水流輸移到河流，形成河流泥沙。河流在輸送泥沙過程中，還會沖刷河床或河岸，進(jìn)一步增加泥沙量，如遇到暴雨引發(fā)泥沙流或滑坡，將更大程度的增加泥沙量。

Bheri 流域無實(shí)測泥沙資料，根據(jù)《Himalayan sediments issues and guidelines》（喜馬拉雅地區(qū)泥沙問題及指南），Bheri匯入的干流Karnali 河有水文站Beni/Seti，泥沙侵蝕模數(shù)為2503 t/（km2·a），其控制集雨面積與該電站接近，采用其模數(shù)計算的泥沙成果基本可行，故推薦壩址以上流域泥沙侵蝕模數(shù)采用2503 t/（km2·a），以此計算壩址多年平均懸移質(zhì)來沙量1394萬t，推移質(zhì)泥沙采用懸移質(zhì)泥沙的30%，以此計算壩址多年平均來沙量1813萬t。

3 主要建筑物布置

由于發(fā)電引水系統(tǒng)進(jìn)水口布置在右岸，并且原主河道靠河床右側(cè)，為便于沖沙，首部樞紐布置采用沖沙和泄洪功能分開的方案，把沖沙閘布置于右側(cè)占據(jù)主河道，泄洪閘緊靠沖沙閘左側(cè)布置。主要建筑物由右岸接頭壩、沖沙閘壩段、泄洪閘壩段、儲門槽壩段及左岸接頭壩組成。

右岸接頭壩2 個壩段，總長42.25 m，為膠凝砂礫石壩。沖沙閘分成2個壩段，沖沙閘壩段總長50 m，沿水流方向長度60 m。沖沙閘共設(shè)3孔沖沙孔，采用1 孔+2 孔的布置型式，為胸墻式平底閘，沖沙孔孔寬6 m，出口處孔口高度8 m，孔底高程1366 m，每孔均設(shè)工作弧門和事故平板閘門各一道。3孔沖沙閘由上游束水墻和下游導(dǎo)墻隔開為右1孔和左2孔。最右1 孔沖沙孔緊靠發(fā)電引水系統(tǒng)進(jìn)水口布置，束水墻最上游端布置有攔沙坎，攔沙坎頂部高程1378 m，束水墻與進(jìn)水口前端平臺構(gòu)成沖沙廊道。在發(fā)電引水時，在此處形成水流平穩(wěn)的區(qū)域，使水流中的推移質(zhì)沉落在廊道內(nèi)，開啟閘門沖沙時，可沖出廊道內(nèi)沉積的泥沙，達(dá)到進(jìn)水口“門前清”的作用。另外，在汛期維持水庫水位在死水位1385 m，根據(jù)來流量增大依次開啟左2 孔沖沙孔一起參與沖沙泄洪，維護(hù)原主河床不致淤塞，使河道主流穩(wěn)定在進(jìn)水口一側(cè)形成深槽，并達(dá)到保持一定調(diào)節(jié)庫容的作用。

緊靠沖沙閘左側(cè)為泄洪閘壩段，沖沙閘與泄洪閘通過上游束水墻和下游導(dǎo)墻隔開，泄洪閘壩段總長72 m，沿水流方向長度60 m，分成3 個壩段。泄洪閘溢流堰采用WES型實(shí)用堰，為開敞式。每孔均設(shè)工作弧門和檢修平板閘門各一道。堰體與下游護(hù)坦采用反弧段相接，護(hù)坦頂部高程1365 m，護(hù)坦沿水流方向長度60 m，護(hù)坦末端設(shè)消力坎。護(hù)坦下游接80 m 長的拋石海漫，塊石粒徑0.8～1.0 m。泄洪閘和沖沙閘上游設(shè)鋼筋混凝土鋪蓋，各閘室、溢流堰、護(hù)坦板表層等過流面均采用1 m 厚的抗沖耐磨混凝土保護(hù)。為了順暢排沙并盡可能達(dá)到?jīng)_淤平衡，保證水庫具有一定的調(diào)節(jié)庫容滿足長期運(yùn)行要求。在汛期來流量大于1830 m3/s時，泄洪閘在泄洪的同時也參與沖沙。由于沖沙效果對本工程長期運(yùn)行至關(guān)重要，因此，建議下階段對水庫泥沙淤積形態(tài)，泄洪沖沙閘及沖沙底孔沖排沙效果，堰頂高程取值等結(jié)合水工模型試驗作詳細(xì)的研究。

鑒于河流含沙量較高的情況，根據(jù)尼泊爾同類工程泄流建筑物過流面抗沖耐磨的實(shí)例，泄洪閘和沖沙閘除在過流面采用抗沖耐磨混凝土外，同時采用在過流面鋪設(shè)工字鋼提高其抗沖耐磨能力。

4 沖沙孔孔口尺寸確定

4.1 計算原則

（1）結(jié)合水庫運(yùn)行方式，汛期在死水位1385 m時沖沙作為計算依據(jù)。

（2）上游設(shè)置束水墻和攔沙坎，使發(fā)電引水與壩前水體隔開，形成沖沙廊道，水流只能從束水墻上游端通過沖沙廊道進(jìn)入進(jìn)水口。

（3）只引水不沖沙時，沖沙廊道前緣流速應(yīng)小于等于限制進(jìn)入進(jìn)水口最小粒徑泥沙的止動流速，使進(jìn)入沖沙廊道內(nèi)的泥沙沉落，利用這個原則確定沖沙廊道前緣的最小尺寸。

（4）沖沙時，要求沖沙閘（沖沙廊道處為其中一孔）各斷面流速，大于泥沙平均粒徑和單個塊石最大粒徑起動流速的1.2～1.4倍，以此確定沖沙閘寬度B。

（5）泥沙粒徑由于暫時沒有實(shí)測數(shù)據(jù)，參考類似工程取值，建議下階段進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測獲取相關(guān)參數(shù)，再對本計算進(jìn)行修正。

（6）沖沙孔底板高程按與原河床高程接近或者略高取，通過計算確定沖沙孔尺寸和孔數(shù)。

4.2 沖沙廊道尺寸計算

發(fā)電引水時，沖沙廊道前緣寬度bi=Qi/（vz·hi），式中：Qi為通過沖沙廊道的發(fā)電流量，計算時采用機(jī)組總額定流量；hi為沖沙廊道內(nèi)考慮泥沙淤積的水深；vz為限制進(jìn)入進(jìn)水口最小粒徑dmin的泥沙的止動流速，vz=vk/1.2，vk=4.6dmin1/3·hi1/6。經(jīng)計算沖沙廊道前緣寬度bi=6.8 m，取7.0 m。

4.3 沖沙廊道處沖沙孔寬度B1的計算

開啟閘門沖沙時，要求沖沙廊道內(nèi)各斷面流速達(dá)到能夠沖洗全部淤沙的沖沙流速vc，vc=(1.2～1.4)4.6dh，式中：dop為泥沙的平均粒徑；hoi為沖沙廊道內(nèi)底板以上水深。

式中：μ為孔流流量系數(shù)；he為孔高，可根據(jù)常用閘門尺寸調(diào)整；H為堰上水頭。

經(jīng)計算，取孔高h(yuǎn)e=8.0 m，得B1=5.6 m，取6.0 m。

4.4 沖沙閘寬度B的確定

由于本工程處多泥沙河流，水庫庫容小并且要保證有一定的調(diào)節(jié)性能，因此沖沙閘的功能不僅要保證進(jìn)水口“門前清”，還要排沙范圍大、效果好，使得閘前淤沙少，基本保持原河床的狀態(tài)，以保證水庫調(diào)節(jié)庫容滿足長期運(yùn)行要求。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，取5 a 一遇洪水流量Q作為造床流量，代入式（1），得B=18.7 m，取18.0 m。

最后選定1孔+2孔，共3孔，每孔孔寬6.0 m，孔高8.0 m的布置方案。

5 水庫泥沙調(diào)度運(yùn)行方式

為解決該水電站工程泥沙問題，除首部樞紐需設(shè)置必要的引水防沙設(shè)施外，還需要擬定經(jīng)濟(jì)、合理、可行的水庫泥沙調(diào)度方式，以防止推移質(zhì)進(jìn)入取水口，減少粗顆粒泥沙過機(jī)含沙量，控制庫區(qū)淹沒等。

由于來沙量主要集中在汛期，若汛期水庫水位控制在高水運(yùn)行，入庫泥沙沉降率較大，庫內(nèi)攔淤泥沙較多，庫尾將大量落淤泥沙，排沙時難于沖走，庫容不易恢復(fù)，而庫區(qū)淤積體淤積侵蝕基準(zhǔn)面較高，將造成回水水位明顯抬高，對水庫淹沒不利。因此，從提高電站的發(fā)電效益、妥善解決電站引水防沙、水庫排水沖沙、保持水庫調(diào)節(jié)庫容及減輕庫區(qū)淹沒等因素考慮，借鑒已建類似水庫泥沙調(diào)度運(yùn)行的經(jīng)驗，本工程水庫泥沙調(diào)度方式采用汛期控制在水位1385 m和1390 m兩個運(yùn)行方案來進(jìn)行水庫調(diào)沙。

為保證水庫排沙的效果，同時確保首部樞紐引水系統(tǒng)的正常運(yùn)用，雨季（7～9 月）來水量和輸沙量較大，考慮平均每個月安排3～6 d敞泄沖沙，以將壩前淤積的泥沙沖往壩下，保持進(jìn)水口門前清，同時將庫尾淤積的泥沙部分沖往壩前排出水庫。敞泄沖沙期間，電站停止發(fā)電，沖沙結(jié)束后水庫回蓄至死水位恢復(fù)發(fā)電。

考慮到該水電站庫容小，水庫泥沙淤積速率較快，其他時段當(dāng)壩前泥沙淤積高程接近攔沙坎頂部高程時，需利用夜間用電低谷時段，開啟沖沙閘進(jìn)行夜間低谷停機(jī)敞泄沖沙，以保持電站取水口“門前清”和提高壩前沉降水深。

由于該水電站水庫調(diào)節(jié)能力較差，汛期仍有大量細(xì)顆粒懸移質(zhì)泥沙進(jìn)入取水口。同時該電站水頭較高，最高毛水頭達(dá)300 m，在防止粗顆粒泥沙進(jìn)入取水口的前提下，仍需要求采用抗磨性能好的機(jī)組。

6 結(jié)語

由于沖沙效果對本工程長期運(yùn)行至關(guān)重要，因此，多泥沙水電站在完成沖沙設(shè)計和計算的前提下，仍須對水庫泥沙淤積形態(tài)、泄洪沖沙閘及沖沙底孔沖排沙效果、堰頂高程取值等專題作詳細(xì)的研究。對首部樞紐布置進(jìn)行水工模型試驗，在取水防沙、消能防沖方面進(jìn)一步優(yōu)化首部樞紐布置。