高泥沙河流徑流式水電站汛期避沙運(yùn)行技術(shù)及措施

張應(yīng)超，周偉鵬

（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

1 概述

庫(kù)區(qū)放水沖砂、水輪機(jī)磨蝕、年度發(fā)電目標(biāo)，對(duì)于多泥沙河流徑流式水電站是相互關(guān)聯(lián)的矛盾。汛期洪水推送大量推移質(zhì)涌入庫(kù)區(qū)，通過(guò)引水渠進(jìn)入引水發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)水輪機(jī)的水流泥沙含量較高，對(duì)機(jī)組的水輪機(jī)過(guò)流部位，尤其是轉(zhuǎn)輪將會(huì)造成嚴(yán)重磨蝕；對(duì)技術(shù)供水系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生安全隱患，其中閥門(mén)、減壓閥等均在高泥沙水環(huán)境下運(yùn)行，可能導(dǎo)致閥門(mén)穿孔外泄甚至管路彎頭處磨穿。隨著庫(kù)區(qū)泥沙的不斷淤積引水含沙量不斷增加，不僅影響發(fā)電效益、加速機(jī)組過(guò)流部件磨損，甚至?xí)斐尚购殚l門(mén)無(wú)法正常開(kāi)啟，影響水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，也會(huì)對(duì)大壩安全渡汛帶來(lái)安全隱患。因此，需要找上述關(guān)聯(lián)矛盾的平衡點(diǎn)和最佳合理點(diǎn)。

本文依托尼泊爾上馬相迪A 水電站多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行探索，采用現(xiàn)場(chǎng)定期與不定期監(jiān)測(cè)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法，比對(duì)機(jī)組的過(guò)流泥沙情況，提出一整套沖沙閘合理排泄、沉砂池引水渠清理、避開(kāi)特定時(shí)段發(fā)電等運(yùn)行技術(shù)及實(shí)施措施，有效減少泥沙淤積、機(jī)組過(guò)流泥沙含量，保障汛期電站的安全運(yùn)行及發(fā)電指標(biāo)。

上馬相迪A 水電站位于尼泊爾西部甘達(dá)基地區(qū)馬相迪河的上游河段，是一座以發(fā)電為主的徑流引水式水電樞紐工程。電站單機(jī)25 MW，總裝機(jī)容量50 MW。水庫(kù)總的庫(kù)容60.8 萬(wàn)m3，庫(kù)沙比0.06，水庫(kù)泥沙問(wèn)題較嚴(yán)重，死庫(kù)容44.6 萬(wàn)m3，有效庫(kù)容7.6 萬(wàn)m3，基本沒(méi)有調(diào)節(jié)的能力。站址距首都加德滿(mǎn)都約180 km，壩、廠(chǎng)址距Besishahar 鎮(zhèn)分別為13 km 和8 km。上馬相迪A 水電站設(shè)計(jì)汛期平均含沙量為2.49 kg/m3，設(shè)計(jì)過(guò)機(jī)水含沙量1.494 kg/m3，樞紐建筑物包括攔河閘壩、引水渠、沉沙池、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、地面發(fā)電廠(chǎng)房、開(kāi)關(guān)站及送出工程等。泄水閘壩壩址位于馬相迪河和納雅迪河匯合處下游約100 m 處。泄水閘布置在河道中央，泄水閘共3 孔，單孔寬12 m。沖沙閘設(shè)在泄水閘左側(cè)，沖沙閘孔口寬度為4 m。引水系統(tǒng)布置在左岸，由引水渠、沉砂池、暗涵快速閘、隧洞、調(diào)壓井、豎井及壓力管道等建筑物組成，見(jiàn)圖1。發(fā)電廠(chǎng)房位于庫(kù)區(qū)下游約5 km 處。2017 年1 月1 日2 臺(tái)機(jī)全面正式投入商業(yè)運(yùn)行，進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期以來(lái)，針對(duì)推移質(zhì)泥沙對(duì)閘壩泄水建筑物的沖蝕破壞問(wèn)題，根據(jù)不同部位沖蝕特點(diǎn)采用鋼軌、環(huán)氧細(xì)石砼、C60 鋼纖維砼、NE抗沖擊型復(fù)合環(huán)氧沙漿作為抗沖耐磨層，并持續(xù)探索更加合適的抗沖耐磨修復(fù)工藝，盡量延長(zhǎng)閘壩泄水建筑物過(guò)流面修復(fù)周期。

圖1 庫(kù)區(qū)水工建筑物分布圖

尼泊爾上馬相迪A 水電站機(jī)組在2018 年汛后機(jī)組過(guò)流部件檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片磨損嚴(yán)重，存在貫穿延展性裂紋，于2019 年年初對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、止漏環(huán)等部件進(jìn)行更換，并采取了碳化鄔表面噴涂工藝，提升過(guò)流部件耐磨性能，2021 年遭受馬相迪河流域5 年一遇洪水，檢測(cè)到來(lái)水最大含沙量達(dá)27.35 kg/m3，河道高含沙量洪水倒灌入尾水渠內(nèi)，經(jīng)尾水管與375 r/min 額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的轉(zhuǎn)動(dòng)部位共同作用，導(dǎo)致過(guò)流部件及座環(huán)、尾水管等埋件磨損嚴(yán)重，現(xiàn)已進(jìn)行修復(fù)，運(yùn)行狀態(tài)良好，機(jī)組出力正常。

2 泥沙參數(shù)分析

尼泊爾上馬相迪河流域含沙量達(dá)到2 kg/m3。通過(guò)巖性分析，河流來(lái)沙中礦物組成主要包括石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、白云石、角閃石、方解石和云母，以及少量的黏土礦物。其中占比最大的是石英，平均占比達(dá)1/3，硬度大于5 的礦物平均占比約為70%，來(lái)沙硬度總體偏大。巖性分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 淤積泥沙巖性分析

3 排淤與避沙措施原理

（1）將水庫(kù)用作第一階梯沉沙池使用，短時(shí)消力與沉淀作用，可減小水中的含沙量，采取降低庫(kù)區(qū)的水位措施或?qū)?kù)區(qū)進(jìn)行排水放空，小流量持續(xù)性沖刷帶走沉淀的泥沙，將淤積于庫(kù)底的沉淀物及時(shí)沖排，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)降沙與排沙。

（2）收集庫(kù)底沉淀物，主要是泥沙，采取休止角測(cè)定方法測(cè)定沉淀物休止角，結(jié)合大壩建筑物結(jié)構(gòu)尺寸特點(diǎn)，測(cè)定計(jì)算閘前允許的最高沉淀高度，同時(shí)研究引水渠內(nèi)流速及上游入庫(kù)來(lái)水流量、庫(kù)底沉淀高程共計(jì)3 個(gè)排沙指標(biāo)，更準(zhǔn)確掌控確定排沙頻次與時(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)高效沉沙與排沙。

4 庫(kù)區(qū)排淤技術(shù)措施

4.1 排淤指標(biāo)

庫(kù)區(qū)排沙運(yùn)行參照定期沖洗式沉沙池運(yùn)行方式，為最大程度利用庫(kù)區(qū)作為一級(jí)沉沙運(yùn)行設(shè)施，摸索出以下排沙時(shí)機(jī)指標(biāo)。

（1）機(jī)組50 MW 滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行條件下，水庫(kù)至沉砂池引水渠道設(shè)計(jì)過(guò)流量為50 m3/s，為矩形規(guī)則斷面，寬8 m，發(fā)電時(shí)水深6 m，由此可計(jì)算得到正常發(fā)電時(shí)引水渠內(nèi)流速1.04 m/s，通過(guò)流速測(cè)量?jī)x測(cè)量庫(kù)區(qū)引水渠進(jìn)水口前斷面流速，計(jì)算平均流水接近1.0 m/s 時(shí)，表明庫(kù)區(qū)泥沙淤積至最高位，庫(kù)區(qū)泥沙淤積飽和，庫(kù)區(qū)來(lái)水泥沙含量接近引水渠內(nèi)水泥沙含量，此時(shí)作為庫(kù)區(qū)定期敞泄排沙的重要節(jié)點(diǎn)，對(duì)保障壩區(qū)安全和泥沙沉積效率均具有重要意義。在以250 m3/s 作為計(jì)算入庫(kù)流量，經(jīng)過(guò)對(duì)壩前斷面淤積高程與斷面平均流速進(jìn)行計(jì)算確定，當(dāng)庫(kù)上游斷面沉淀物頂面高程接近898 m 高程時(shí)，庫(kù)區(qū)上游斷面的流速與引水渠的流速接近。由此可以將壩前沉淀物頂面高程接近898 m 時(shí)作為庫(kù)區(qū)排瘀的決策條件。

（2）從河道內(nèi)取沉淀物中含量最多的泥沙樣品，休止角測(cè)定方法測(cè)得水下休止角34.2°，綜合庫(kù)內(nèi)水流影響，選擇庫(kù)區(qū)內(nèi)動(dòng)水下沉淀物水下休止角30°，計(jì)算得到閘前允許沉淀物最高為897.75 m。壩前斷面最大沉淀物頂面高處達(dá)897 m 時(shí)作為庫(kù)區(qū)排瘀的決策條件，此條件覆蓋上述898 m 決策指標(biāo)，定期通過(guò)水上測(cè)量船進(jìn)行庫(kù)區(qū)水下泥沙淤積形狀、高程指標(biāo)動(dòng)態(tài)測(cè)量監(jiān)控，必要時(shí)可進(jìn)行提前排瘀。

（3）結(jié)合電站4 年多以來(lái)的水文泥沙實(shí)測(cè)數(shù)值，統(tǒng)計(jì)得到了水中含沙量與庫(kù)區(qū)淤積沉淀量間的關(guān)系趨勢(shì)，庫(kù)內(nèi)沉淀量急劇增加發(fā)生在洪水量大、含沙量高的時(shí)段，與上游的河道勘察數(shù)據(jù)分析一致，沉淀物中主要是泥沙，來(lái)自上游河道周邊的大量推移質(zhì)，洪水流量越大，推移質(zhì)隨之增加，由此，來(lái)水量較大，且水中含沙量高時(shí)應(yīng)停機(jī)避峰，同步開(kāi)展庫(kù)內(nèi)淤積監(jiān)測(cè)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，來(lái)水量大于250 m3/s、水中沙含量大于3.74 kg/m3時(shí)可考慮避峰泄水排沙。

4.2 庫(kù)區(qū)排淤方法步驟

小庫(kù)容徑流式水電站，庫(kù)水排、蓄時(shí)間短，按照此類(lèi)特點(diǎn)，選擇在低水位上利用來(lái)水進(jìn)行沖刷排瘀成本低，效率高，效果好。為了探索更好的排瘀水位，在試驗(yàn)過(guò)程設(shè)置3 種降水位指標(biāo)進(jìn)行對(duì)照，以便選用最佳水位，按照壩區(qū)高程結(jié)構(gòu)，壩前蓄水高處選擇901.25 m、900.25 m、壩區(qū)放空狀態(tài)。對(duì)照組每次以庫(kù)區(qū)沉淀物高程達(dá)到897 m，來(lái)水量接近250 m3/s 時(shí)進(jìn)行下排，不同水位情況下測(cè)得平均引水渠中水含沙量如表2。顯然，水位越低，引水渠中水含沙量越小，放空狀態(tài)與正常發(fā)電水位時(shí)引水渠中水含沙量減少0.529 kg/m3。采取降低水位排除淤積，能夠有效減小發(fā)電用水的含沙量。總之達(dá)到一定指標(biāo)后，庫(kù)區(qū)來(lái)水情況正常情況下，若發(fā)電用水含沙量過(guò)高，對(duì)庫(kù)區(qū)進(jìn)行放空排沙方式最高效。按照大壩設(shè)計(jì)，大壩左岸設(shè)置了專(zhuān)門(mén)的沖沙泄水弧門(mén)，汛期處于全天24 h 開(kāi)啟狀態(tài)，布置的另外三孔泄水弧門(mén)，根據(jù)具體來(lái)水量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，以維持庫(kù)區(qū)水位穩(wěn)定。

表2 不同水位調(diào)度引水渠中水含沙量

汛期壩區(qū)進(jìn)行定期安全監(jiān)測(cè)，庫(kù)內(nèi)沉淀淤積情況采取每周1 次近壩庫(kù)內(nèi)水下地形測(cè)量，壩前斷面最大沉淀物頂面高處達(dá)897 m 時(shí)作為庫(kù)區(qū)排瘀的決策條件；或庫(kù)上游來(lái)水量共計(jì)達(dá)5 年一遇洪水時(shí)；或2 臺(tái)機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷出力運(yùn)行下，測(cè)得引水渠初始斷面平均流速達(dá)1.0 m/s 時(shí)，均應(yīng)決策進(jìn)行庫(kù)區(qū)放空排瘀，每次放空約6 h。

（1）日常庫(kù)區(qū)清淤閘門(mén)調(diào)度操作步驟如下：

來(lái)水量較大的雨季，按照至少1 次/d（全關(guān)的閘門(mén)）閘前淤積泥沙深度（測(cè)點(diǎn)高程887.75 m）。泄水閘及沖沙閘排沙運(yùn)行方式與泄洪及下游消能防沖統(tǒng)籌考慮，排沙時(shí)應(yīng)根據(jù)上游來(lái)水量及泥沙淤積深度開(kāi)啟泄水閘或沖沙閘，開(kāi)度控制應(yīng)使上游保持在正常蓄水位。

1）為了確保閘門(mén)安全啟閉，弧門(mén)前沉淀物總深按不大于4 m 管控，以防沉淀物過(guò)多導(dǎo)致泥沙推移至弧門(mén)高處，形成擠壓導(dǎo)致弧門(mén)所需啟閉力過(guò)大，閘門(mén)啟閉受阻將危害大壩運(yùn)行安全。

2）庫(kù)區(qū)上游總來(lái)水量過(guò)小時(shí)，保持沖沙閘一定開(kāi)度的前提下，按照定期輪換的機(jī)制，3 孔泄水弧門(mén)1 次/周輪替切換開(kāi)啟,時(shí)長(zhǎng)視具體來(lái)水情況而定，保證弧門(mén)前泥沙輪替沖刷下排。

3）弧門(mén)前沉淀物深度不足2 m 時(shí)，按照閘門(mén)輪替開(kāi)啟泄水的方式進(jìn)行泥沙下排即可。

4）弧門(mén)前沉淀物深度大于2 m，但小于4 m 時(shí)，來(lái)水量充足情況下可全部小開(kāi)度進(jìn)行沖刷排瘀；若來(lái)水量不滿(mǎn)足的情況，可按照先沖刷泥沙淤積多的弧門(mén)進(jìn)行泄水排沙，依次完成沖刷。

5）弧門(mén)前沉淀物深度大于4 m 時(shí)，可采取短時(shí)間開(kāi)啟弧門(mén)，可不惜降低機(jī)組出力或降低蓄水水位進(jìn)行排水沖刷弧門(mén)前淤積泥；若效果不佳，可對(duì)進(jìn)行進(jìn)行停機(jī)，按照庫(kù)區(qū)放空排沙方式進(jìn)行進(jìn)一步?jīng)_刷弧門(mén)前淤積泥沙，以此保證閘門(mén)啟閉安全。

（2）庫(kù)區(qū)放空排沙閘門(mén)調(diào)度操作步驟如下：

1）因電站左岸庫(kù)區(qū)翼墻缺陷問(wèn)題，所以按照沖沙泄水閘5 m 開(kāi)度→3 號(hào)泄水弧門(mén)1.5 m 開(kāi)度→1號(hào)泄水弧門(mén)1.5 m 開(kāi)度→2 號(hào)泄水弧門(mén)1.5 m 開(kāi)度。

2）當(dāng)來(lái)水量逐漸升高，按照逐個(gè)增加泄水弧門(mén)開(kāi)度對(duì)應(yīng)增加下瀉流量，按照3 號(hào)→2 號(hào)→1 號(hào)泄水閘順序逐級(jí)開(kāi)閘，每孔弧門(mén)開(kāi)啟每級(jí)開(kāi)度不得大于1.0 m。

3）因電站左岸庫(kù)區(qū)翼墻缺陷問(wèn)題，庫(kù)區(qū)放空排水后，應(yīng)根據(jù)具體來(lái)水量情況，調(diào)整1 號(hào)泄水弧門(mén)開(kāi)度，減小1 號(hào)弧門(mén)側(cè)開(kāi)度，同時(shí)進(jìn)行小開(kāi)度小流量沖刷，防止淤積的泥沙堵住弧門(mén)，又降低庫(kù)區(qū)上游左岸翼墻變形量。

4）放空后初期利用3 號(hào)弧門(mén)、2 號(hào)弧門(mén)泄水通道將庫(kù)區(qū)內(nèi)淤積泥沙排完，根據(jù)剩余泥沙的分布位置調(diào)度1 號(hào)泄水閘開(kāi)度進(jìn)行徹底清排，并將1 號(hào)弧門(mén)前的淤積泥沙沖刷趕緊后，重新調(diào)度弧門(mén)開(kāi)度，庫(kù)區(qū)逐步蓄水。

5）庫(kù)區(qū)蓄水時(shí)弧門(mén)啟閉調(diào)度順序與上述放空過(guò)程弧門(mén)調(diào)度順序相反。

6）為確保庫(kù)區(qū)邊坡穩(wěn)定性，水庫(kù)放空時(shí)，水位下降速度控制不大于5 m/h。并注意觀(guān)察庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定情況。

7）水庫(kù)蓄水時(shí)，庫(kù)水位在895 m 以上時(shí)，水位上升速度控制不大于10 m/h。同樣注意觀(guān)察庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定情況。

5 引水渠排淤技術(shù)措施

5.1 排淤時(shí)機(jī)

按照條渠沉沙池排沙設(shè)計(jì)要求，以電站機(jī)組停機(jī)，庫(kù)區(qū)敞泄排沙為排沙時(shí)機(jī)，同步利用暗涵內(nèi)水錘反水及合理調(diào)度閘門(mén)開(kāi)、關(guān)順序，對(duì)引水渠內(nèi)的淤積泥沙進(jìn)行小流量沖洗，通過(guò)排沙廊道將淤積泥沙排至下游河道。

5.2 引水渠排淤方法步驟

（1）引水渠淤積泥沙反沖處理結(jié)合水庫(kù)敞泄過(guò)程進(jìn)行。首先關(guān)閉引水渠工作門(mén)，待水庫(kù)水位低于引水渠進(jìn)口底高程896 m 后，開(kāi)啟引水渠工作門(mén)至0.5 m,利用引水渠工作門(mén)之后的水量對(duì)引水渠內(nèi)淤積泥沙進(jìn)行反沖處理。

（2）水庫(kù)開(kāi)始蓄水后，關(guān)閉引水渠工作閘。當(dāng)壩前水位接近引水渠進(jìn)口底高程896.0 m 時(shí)，調(diào)整泄水閘門(mén)開(kāi)度維持壩前水位896.3 m 左右，將引水渠工作閘門(mén)前泥沙通過(guò)排沙漏斗排除。

（3）水庫(kù)蓄水過(guò)程中，當(dāng)水位漫過(guò)排沙漏斗懸板高程900.9 m 后，控制庫(kù)水位不超過(guò)901.3 m，通過(guò)懸板對(duì)引水隧洞充水。

（4）待引水隧洞達(dá)到充水平衡后，根據(jù)引水渠淤積泥沙反沖處理效果和調(diào)度批準(zhǔn)的停機(jī)時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)確定是否需要對(duì)引水渠淤積泥沙進(jìn)行二次反沖處理，如果需要?jiǎng)t參照上述處理步驟進(jìn)行，如果不需要?jiǎng)t水庫(kù)繼續(xù)蓄水至正常蓄水位。

6 機(jī)組避沙運(yùn)行措施

結(jié)合以上庫(kù)區(qū)、引水渠排淤時(shí)機(jī)的監(jiān)測(cè)控制方法，通過(guò)采取對(duì)多年汛期高頻次泥沙含量檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，暗涵引水含沙量在3.5 kg/m3以上次數(shù)約為7 次/年；暗涵引水含沙量在6.0 kg/m3以上次數(shù)約為2 次/年，雖然頻次不高，但對(duì)機(jī)組及廠(chǎng)房水系統(tǒng)過(guò)流部件磨損量大，在經(jīng)過(guò)對(duì)快速水含沙量檢測(cè)方法（布氏漏斗法）進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證與精度對(duì)比，確認(rèn)其有效性后，明確如下機(jī)組避沙運(yùn)行措施：

（1）汛期每天進(jìn)行1 次引水含沙量快速檢測(cè)，當(dāng)暗涵引水含沙量超過(guò)3.5 kg/m3時(shí)，考慮申請(qǐng)調(diào)度進(jìn)行停機(jī)避沙，并加密監(jiān)測(cè)引水含沙量。

（2）當(dāng)暗涵引水含沙量超6.0 kg/m3果斷申請(qǐng)調(diào)度停機(jī)避沙。

（3）結(jié)合庫(kù)區(qū)水下地形檢測(cè)（壩前20 m 斷面泥沙淤積深度達(dá)到898 m）、引水渠水流速（平均流速達(dá)到1.0 m/s）及來(lái)水量大小指標(biāo)（來(lái)水達(dá)到5 年一遇洪水1 180 m3/s）時(shí)，果斷申請(qǐng)調(diào)度停機(jī)，對(duì)庫(kù)區(qū)及引水渠進(jìn)行排瘀，降低發(fā)電用水中泥沙含量。

7 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)實(shí)測(cè)水文泥沙數(shù)據(jù)，汛期引水含沙量相對(duì)入庫(kù)含沙量的減小率逐步提高后穩(wěn)定，2017 年剛投運(yùn)年為28%、2018 年30%、2019 年為33%后穩(wěn)定。從以上減沙成效來(lái)看，此套方法減沙成效有限，接下來(lái)只能將關(guān)注點(diǎn)放在避沙措施。

對(duì)于多泥沙河流上的水電站，制定合理有效的減沙避沙措施對(duì)電站機(jī)組、水系統(tǒng)過(guò)流部件乃至整個(gè)大壩、電站安全穩(wěn)定運(yùn)行十分重要。必要情況下可持續(xù)開(kāi)展勘察，改進(jìn)引水布置等措施，進(jìn)一步提高電站運(yùn)行發(fā)電過(guò)程減沙避沙效能，并有效提升多泥沙河流中徑流式水電站減沙避沙方面的原始設(shè)計(jì)冗余度。

參考文獻(xiàn)：

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