藍曉君

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

[關鍵字] 泥沙；沖沙底孔；排沙設計；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，調節(jié)庫容為659 萬m3。該水庫具有季調節(jié)性能。該水電站為河床徑流式電站，具有日調節(jié)性能，利用下游河道彎曲和大落差的特點，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)的降雨量相當低，與尼泊爾東部相比，氣候相對干旱，泥沙侵蝕模數1000～4000 t/（km2·a）；在高山往低山過渡地帶，山體滑坡頻發(fā)，導致泥沙侵蝕模數較高，侵蝕模數3000～8000 t/（km2·a）；在海拔較低的地區(qū)，降雨量大，泥沙侵蝕模數5000～15 000 t/（km2·a）。

Bheri流域泥沙來源主要是流域內水土流失，流域植被覆蓋差，當暴雨降到流域地表，或積雪融水在產流和匯流過程中，侵蝕坡地及溝壑的巖土，經水流輸移到河流，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 流域無實測泥沙資料，根據《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，泥沙侵蝕模數為2503 t/（km2·a），其控制集雨面積與該電站接近，采用其模數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采用2503 t/（km2·a），以此計算壩址多年平均懸移質來沙量1394萬t，推移質泥沙采用懸移質泥沙的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)進水口布置在右岸，并且原主河道靠河床右側，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占據主河道，泄洪閘緊靠沖沙閘左側布置。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，束水墻與進水口前端平臺構成沖沙廊道。在發(fā)電引水時，在此處形成水流平穩(wěn)的區(qū)域，使水流中的推移質沉落在廊道內，開啟閘門沖沙時，可沖出廊道內沉積的泥沙，達到進水口“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，維護原主河床不致淤塞，使河道主流穩(wěn)定在進水口一側形成深槽，并達到保持一定調節(jié)庫容的作用。

緊靠沖沙閘左側為泄洪閘壩段，沖沙閘與泄洪閘通過上游束水墻和下游導墻隔開，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型實用堰，為開敞式。每孔均設工作弧門和檢修平板閘門各一道。堰體與下游護坦采用反弧段相接，護坦頂部高程1365 m，護坦沿水流方向長度60 m，護坦末端設消力坎。護坦下游接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鋼筋混凝土鋪蓋，各閘室、溢流堰、護坦板表層等過流面均采用1 m 厚的抗沖耐磨混凝土保護。為了順暢排沙并盡可能達到沖淤平衡，保證水庫具有一定的調節(jié)庫容滿足長期運行要求。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行至關重要，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，堰頂高程取值等結合水工模型試驗作詳細的研究。

鑒于河流含沙量較高的情況，根據尼泊爾同類工程泄流建筑物過流面抗沖耐磨的實例，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）結合水庫運行方式，汛期在死水位1385 m時沖沙作為計算依據。

（2）上游設置束水墻和攔沙坎，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入進水口。

（3）只引水不沖沙時，沖沙廊道前緣流速應小于等于限制進入進水口最小粒徑泥沙的止動流速，使進入沖沙廊道內的泥沙沉落，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測數據，參考類似工程取值，建議下階段進行現場實測獲取相關參數，再對本計算進行修正。

（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。

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，計算時采用機組總額定流量；hi為沖沙廊道內考慮泥沙淤積的水深；vz為限制進入進水口最小粒徑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，要求沖沙廊道內各斷面流速達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為沖沙廊道內底板以上水深。

式中：μ為孔流流量系數；he為孔高，可根據常用閘門尺寸調整；H為堰上水頭。

經計算，取孔高he=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節(jié)性能，因此沖沙閘的功能不僅要保證進水口“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)，以保證水庫調節(jié)庫容滿足長期運行要求。根據類似工程經驗，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 水庫泥沙調度運行方式

為解決該水電站工程泥沙問題，除首部樞紐需設置必要的引水防沙設施外，還需要擬定經濟、合理、可行的水庫泥沙調度方式，以防止推移質進入取水口，減少粗顆粒泥沙過機含沙量，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行，入庫泥沙沉降率較大，庫內攔淤泥沙較多，庫尾將大量落淤泥沙，排沙時難于沖走，庫容不易恢復，而庫區(qū)淤積體淤積侵蝕基準面較高，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度運行的經驗，本工程水庫泥沙調度方式采用汛期控制在水位1385 m和1390 m兩個運行方案來進行水庫調沙。

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，沖沙結束后水庫回蓄至死水位恢復發(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，開啟沖沙閘進行夜間低谷停機敞泄沖沙，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節(jié)能力較差，汛期仍有大量細顆粒懸移質泥沙進入取水口。同時該電站水頭較高，最高毛水頭達300 m，在防止粗顆粒泥沙進入取水口的前提下，仍需要求采用抗磨性能好的機組。

6 結語

由于沖沙效果對本工程長期運行至關重要，因此，多泥沙水電站在完成沖沙設計和計算的前提下，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的研究。對首部樞紐布置進行水工模型試驗，在取水防沙、消能防沖方面進一步優(yōu)化首部樞紐布置。