李 偉

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

某水電站工程于2008年初投入運行至2009年，電站壓力前池夏季和冬季的排砂及排冰不暢，造成前池淤積和封凍、機組過流部件存在一定程度磨蝕，影響電站正常效益的發(fā)揮。為保證電站正常效益的發(fā)揮需新增工程措施解決泥沙及冰凌問題。

1 工程概況

新疆某水電站工程，是其河段規(guī)劃開發(fā)七個梯級中的第三個梯級。電站裝機容量49MW，電站工程等別為Ⅳ等小(1)型。電站設計引用流量75m3/s，電站額定水頭73.5m，保證出力13.8MW，年發(fā)電量2.739億KW·h，年利用小時數(shù)5590h，裝有2臺單機容量24.5MW混流式水輪發(fā)電機組。

該水電站工程由引水渠、壓力前池、側堰、泄水槽、排冰閘、壓力鋼管、電站廠房、尾水渠、渠系交叉建筑物等組成。引水渠長6.79km，壓力前池布置于山前傾斜平原，壓力前池承接引渠來水，后接壓力鋼管，在其左側布置側堰。為排除壓力鋼管進口處的淤積泥沙，在壓力前池設置沖沙洞，定期排除前池內的泥沙。廠房與壓力前池布置于一直線，壓力鋼管與廠房軸線垂直。電站尾水通過尾水渠退回到河道東岸總干渠，尾水渠長3.66km。

2 工程存在的問題

該水電站兩臺機組分別于2008年3、4月投入運行。2008年6月，在電站前池攔污柵完全淤堵停機停水期間，發(fā)現(xiàn)前池積沙較多問題。

2008年8月，2號機組因主軸密封漏水停機，對機組進行蝸殼內水下部分檢查時發(fā)現(xiàn)水輪機轉輪出現(xiàn)嚴重磨蝕，轉輪上冠和頂蓋間隙已達3.6mm、轉輪下環(huán)和底環(huán)間隙最大達到21mm(設計值為1.1～1.4mm)，部分固定導葉中部出現(xiàn)深約5mm撞擊痕跡。

該工程泥沙淤積狀況見圖1、圖2。

圖1 前池淤積現(xiàn)狀

圖2 事故檢修門后淤積現(xiàn)狀

3 泥沙處理措施必要性及方案比選

3.1 淤沙情況調查分析及修建沉沙設施必要性

在總干渠渠首退水閘以及4+000m處2個地點進行了淤積物取樣，淤積物顆分成果見表1、圖3。淤積物中值粒徑為0.13mm，其中大于0.25mm的泥沙占16.85%，超過原設計值。因取樣時渠道已經進行十余天沖沙，渠道淤積物主要為小于5mm的粉細砂，卵礫石已不多見，從前池淤積照片看，泥沙推移質較多，最大粒徑達10cm。

表1 總干渠渠道淤積物顆粒級配成果表

圖3 總干渠渠道淤積物顆粒級配曲線圖

根據(jù)總干渠淤積物顆粒級配資料，平均d50=0.13mm;粒徑大于0.075mm的泥沙約占83%。說明渠道淤積物主要由引入的推移質和懸移質中的較粗顆粒泥沙組成。

通過對渠道、前池及機組流道的檢查表明:目前總干渠、引水渠以及電站前池泥沙淤積嚴重，淤積物主要來源于進入引水樞紐樞紐渠首的推移質和懸移質中的較粗顆粒組成。

該工程現(xiàn)狀壓力前池的排沙和排冰措施均不能有效處理入池泥沙和冰凌，造成前池的淤積及封凍，不能正常引水發(fā)電。為保證電站能按原設計發(fā)揮效益，應考慮在引水樞紐至電站壓力前池間布置二級沉砂設施。所以在引水樞紐渠首段下游布置二級沉沙池是有必要的。

3.2 泥沙處理措施方案比選

針對該水電站工程特點，工程防沙排沙的原則是:充分利用引水樞紐的攔沙排沙功能，推移質基本不進入總干渠，根據(jù)進入渠道的泥沙含量及顆粒級配分析，在總干渠增設二次泥沙處理設施，把進入渠道的推移質及大顆粒懸移質泥沙攔截排除。

因總干渠渠首退水閘和總干渠4+000取樣實測的顆分結果與引水樞紐水文站實測泥沙顆分存在差異，所以排沙方案的設計以水文站泥沙資料為基礎設計，同時兼顧總干渠實測的顆分結果。結合工程現(xiàn)狀，根據(jù)現(xiàn)場地形，在總干渠沿線選取距天然河道較近處布設沉沙排沙建筑物。

結合本工程現(xiàn)狀、工程地形等條件，初步選擇了條渠型沉沙池方案、渦環(huán)流排沙方案、圓中環(huán)沉砂池方案、廂式周期性沖洗池方案，進行研究分析比較。

3.2.1 條渠型沉沙池方案

條渠型沉沙池建筑物結構較為簡單，不受河水影響，主要是防滲處理及運行過程中的人為清淤問題。

根據(jù)《水利水電工程沉沙池設計規(guī)范》(SL269-2001)要求，該電站過機設計最小沉降粒徑為0.35mm，大于等于最小沉降粒徑的泥沙沉降率為80～85%。由此擬定了三個沉沙規(guī)模進行比較，其計算成果見表2。通過上表分析，方案三即可滿足規(guī)范要求。

表2 條形沉沙池方案計算成果

3.2.2 渦環(huán)流排沙方案

“渦環(huán)流排沙”建筑物是一種新型的高效節(jié)水泥沙處理設施(以下簡稱為“旋池”)，“旋池”進水渠與總干渠軸線夾角為0°，從總干渠引水至“旋池”后，洪水期發(fā)電用水經“旋池”側堰及匯流渠道將發(fā)電用水引入下游渠道，泥沙經“旋池”底部排沙廊道排入天然河道;非洪水期發(fā)電用水通過進水閘及匯水渠接入下游渠道。

“旋池”主要由進水渠及進水閘、進水涵洞、斜懸板、穩(wěn)流桶、“旋池”室、排沙廊道、匯水渠等組成。需經物理模型確定有關尺度，渦環(huán)流排沙建筑物布置如圖4所示。

圖4 渦環(huán)流排沙建筑物布置圖

圓中環(huán)沉砂池在其直徑不同時排沙粒徑范圍有所不同，由此擬定了三個沉砂規(guī)模進行比較，其計算成果如表3。

表3 園中環(huán)沉沙池方案計算成果

3.2.3 圓中環(huán)沉砂池方案

“圓中環(huán)”沉沙池軸線與總干渠軸線夾角為0°，從總干渠引水至“圓中環(huán)”沉沙池，洪水期發(fā)電用水經“圓中環(huán)”溢流側堰及周邊匯流渠道將發(fā)電用水引入下游渠道，泥沙由排沙廊道排入天然河道，沉砂池沖洗時部分發(fā)電用水通過“圓中環(huán)”溢流堰及匯水渠接入下游渠道。

“圓中環(huán)沉沙池”主要由進水渠、進水閘及進水涵洞、“圓中環(huán)”室、排沙廊道、匯水渠等組成。渦環(huán)流排沙建筑物布置如圖5所示。

圖5 渦環(huán)流排沙建筑物布置圖

3.2.4 箱式周期性沖洗池

廂式周期性沖洗池，沉沙段凈寬30m，長200m，沉沙池沖洗系統(tǒng)復雜，必須經物理模型確定有關尺度。

3.2.5 四種沉沙處理措施方案比較分析

針對條渠型沉沙池方案、渦環(huán)流排沙方案、圓中環(huán)沉砂池方案、廂式周期性沖洗池方案各建筑物特性，從其排沙耗水量、處理排沙粒徑的范圍、排漂功能、電能效益、工程投資等方面做出比較分析，詳見表4。

表4 四種沉沙處理方案比較分析成果表

根據(jù)表4比較項目分析，主要得出以下幾點結論。

(1)排沙耗水量分析。圓中環(huán)沉沙池排沙耗水量最小，可從排沙耗水中爭取更多的電能，且排沙時可不久間斷供水發(fā)電。條渠型沉砂池及廂式周期性沖洗池需停機排沙砂，排沙耗水量相對較大。

(2)處理泥沙的粒徑范圍分析。圓中環(huán)沉砂池、條渠型沉砂池及廂式周期性 )沖洗池的的工作原理均為控制沉砂池中流速，使泥沙在沉砂池中沉積，采用水力及人工方式清除泥沙。條渠型沉砂池需采用人工清淤，可處理泥沙粒徑范圍相對較廣，但年清淤費較高。廂式周期性沖洗池采用了水力沖砂，但其耗水量大且運行管理繁瑣。圓中環(huán)沉砂池采用人工環(huán)流沖砂，處理泥沙粒徑范圍廣、耗水量小，同時運行管理方便。渦環(huán)流排沙池僅能處理特定范圍粒徑的泥沙。

(3)電能效益分析。圓中環(huán)沉砂池排沙過程中耗水量最少，在洪水期運行時從排沙耗水中爭取電能較多，渦環(huán)流排沙池次之，條渠型沉砂池及廂式周期性沖洗池沖排沙時均需停機，會導致電站在網(wǎng)上的供電質量相對較差，且年度電能損耗最大。

(4)工程投資、運行功能分析。渦環(huán)流排沙池工程投資最小，使用過程中需引水樞紐渠首及電站壓力前池排沙設施協(xié)調調度運行。條渠型沉砂池及廂式周期性沖洗池工程投資相對較大，均需停機沖排砂，且需增加相應運行管理費。圓中環(huán)沉沙池工程投資比渦環(huán)流排沙池略高，但其較好的解決了排沙、排漂、排冰與引水發(fā)電的矛盾，圓中環(huán)沉砂池耗水量最小，同時可滿足夏季及冬季的部分排漂問題，可有效緩解現(xiàn)狀壓力前池運行壓力。

綜合分析四種沉砂池措施方案，從處理泥沙的功能上均能滿足泥沙過機要求，但圓中環(huán)沉砂池具有耗水量小、處理泥沙粒徑范圍廣、從排沙耗水中爭取的電能最多、同時可兼顧部分排漂功能，具有一專多能的特點，因而本工程二次排沙處理措施采用圓中環(huán)沉砂池方案。

4 結語

通過對常規(guī)沉砂池、特殊體型沉砂池的研究和大量計算成果分析與對比工作，最終確定了本工程二次排沙處理方案，及“圓中環(huán)”沉砂池方案。本文對四種沉砂池從排沙耗水量、排沙粒徑范圍、排漂功能、工程投資等方面進行了綜合分析和總結，積累了一些經驗，對于此類需采取沉沙處理的引水渠道、明渠引水式電站工程起到了一定借鑒和參考作用。

本工程“園中環(huán)”沉砂池自2010年4月修建完工投入運行至今，目前運行良好，有效解決了水電站泥沙淤積及封凍問題，起到了排沙、排冰作用，為電站的正常運行發(fā)揮了作用。工程運行狀況見圖6。

圖6 園中環(huán)沉砂池完工及運行照片

［1］《圓中環(huán)水沙分離裝置》［P］.高亞平 專利號:E02B13/00;E02B3/02;B01D21/02.

［2］DL/T5107-1999.水電水利工程沉沙池設計規(guī)范［S］.

［3］DL/T5398-2007.水電站進水口設計規(guī)范［S］.