筱溪水電站排沙廊道設(shè)計(jì)

楊志明

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院長(zhǎng)沙市410007）

1 工程概況

筱溪水電站工程位于湖南資水干流中游，控制流域面積15 843 km2，Ⅵ級(jí)航道，電站裝機(jī)容量135 MW，正常蓄水位198.0 m，總庫容1.41億m3，大（Ⅱ）型工程。湖南省經(jīng)濟(jì)建設(shè)投資公司于2003年正式啟動(dòng)該項(xiàng)目的建設(shè)程序，2004年底主體工程開工建設(shè)，2008年1月首臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行。

樞紐由擋水壩、溢流壩、電站廠房和垂直升船機(jī)等主要建筑物組成，壩頂高程204 m，最大壩高47 m，壩頂長(zhǎng)340 m。

河床式電站廠房緊靠右岸岸邊布置，主廠房安裝3臺(tái)40 MW軸流機(jī)組，安裝場(chǎng)下安裝1臺(tái)15 MW的小軸流機(jī)組。

溢流壩段布置在主河槽，設(shè)計(jì)泄洪流量12 600 m3/s（P=1%），校核泄洪流量17 200 m3/s（P=0.1%），設(shè)8孔14 m×11.5 m（寬×高）的溢流表孔，堰頂高程186.5 m，溢流壩段總長(zhǎng)142.5 m；在廠壩之間結(jié)合施工導(dǎo)流和排沙設(shè)7 m厚縱導(dǎo)墻，在3#、4#閘孔之間結(jié)合施工導(dǎo)流設(shè)6 m厚縱導(dǎo)墻；8孔溢流壩均設(shè)底流消力池，池長(zhǎng)42.5 m，池深4.5 m，池底高程167.0 m，設(shè)梯形消力墩和差動(dòng)尾坎，后接20 m長(zhǎng)混凝土護(hù)坦和30 m長(zhǎng)格賓海漫。

垂直升船機(jī)布置在左岸岸邊，與緊鄰溢流壩的重力擋水壩結(jié)合，100 t級(jí)，采用門機(jī)提升過壩。如圖1所示。

圖1 筱溪水電站工程樞紐布置

2 淤沙問題分析

資水干流中游多年平均懸移質(zhì)輸沙率為0.163 kg/m3，系少沙河流，壩址多年平均輸沙量為258萬t/a，且挾沙大部分集中在汛期，按15%推移質(zhì)計(jì)算，庫區(qū)20年淤積總量415.37萬m3，對(duì)應(yīng)淤沙高程為175 m，可見該水庫并沒有嚴(yán)重的淤沙問題。但該電站為河床式廠房，進(jìn)水流道底板低于河床10 m，寬達(dá)85 m，抬高進(jìn)口高程或設(shè)置高攔沙坎的工程量巨大，其標(biāo)準(zhǔn)也難以確定；而擋水壩為混凝土重力壩，表孔溢流，溢流堰頂高出河床14 m，開閘泄洪時(shí)無法排走河床淤沙；由此可見，電站長(zhǎng)久運(yùn)行后，淤沙難免高于攔沙坎而大量進(jìn)入機(jī)組流道。在前期設(shè)計(jì)工作中，經(jīng)初步的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較認(rèn)為，探索合適的排沙設(shè)施是十分必要的。圖2為水電站廠壩縱剖面圖。

圖2 筱溪水電站廠壩縱剖面圖

3 排沙設(shè)計(jì)思路

筱溪水電站的水庫淤積問題并不突出，根據(jù)規(guī)范，不需考慮水庫內(nèi)淤沙的排泄，排沙主要目的是防止長(zhǎng)久運(yùn)行后淤沙高出攔沙坎而進(jìn)入機(jī)組流道，因此該排沙應(yīng)針對(duì)電站進(jìn)水口而進(jìn)行設(shè)計(jì)。

若采用常規(guī)的壩基排沙孔設(shè)計(jì)，在筱溪電站庫水深達(dá)25 m的情況下，排沙孔工作時(shí)，庫底流速很小，無法大范圍起動(dòng)淤沙，只能排走沖沙口局部淤沙和水流本身的少量挾沙，加之電站進(jìn)水口前緣長(zhǎng)達(dá)85 m，單個(gè)排沙孔根本無法實(shí)現(xiàn)其目的，沿進(jìn)水口前緣設(shè)置多個(gè)排沙孔又難以布置。因此，設(shè)計(jì)考慮在電站進(jìn)水口前緣全線設(shè)輸沙廊道，與壩基排沙孔相連，在輸沙廊道頂部開設(shè)多個(gè)串聯(lián)的排沙口，以期在攔沙坎前形成多個(gè)相互聯(lián)通的排沙漏斗，從而控制攔沙坎前的淤沙高度，以確保淤沙無法進(jìn)入機(jī)組流道。圖3為排沙系統(tǒng)布置示意圖。

圖3 筱溪排沙系統(tǒng)布置示意圖

4 原理與設(shè)計(jì)

（1）淤沙特性。

筱溪水庫長(zhǎng)38 km，壩前水深（23～28）m，正常發(fā)電期壩前流速（0.01～0.13）m/s，汛期流速（0.5～1.0）m/s，大洪水流速（1.4～1.7）m/s。因此，電站長(zhǎng)久運(yùn)行后，淤積在壩前的淤沙粒徑主要為0.005 mm以下的懸移質(zhì)，其次為汛期少量（0.5～4.0）mm的推移質(zhì)，再次為大洪水挾來極少量（4～20）mm的沙礫石。參照玉清公式及成都勘測(cè)設(shè)計(jì)院經(jīng)驗(yàn)公式求得泥沙止動(dòng)流速和起動(dòng)流速見表1。

表1 泥沙止動(dòng)流速和起動(dòng)流速

考慮每年汛期利用棄水沖沙，排沙口附近的淤沙不會(huì)因長(zhǎng)期沉積而固結(jié)，則以0.005 mm以下粒徑為主的淤沙孔隙率為0.7～0.8，淤沙水下內(nèi)摩擦角（休止角）為11°～12°。

（2）排沙原理。

按淤沙水下休止角12°進(jìn)行排沙口和攔沙坎的布置。設(shè)3 m高攔沙坎（與排沙廊道結(jié)合），坎頂高程176.0 m（發(fā)電最大流速0.35 m/s），當(dāng)排沙系統(tǒng)每年汛期開閘排沙時(shí)，只要排沙廊道和各排沙口具有可靠的起動(dòng)和挾動(dòng)淤沙的能力，各排沙口周邊勢(shì)必形成12°休止角的錐形漏斗，在176 m高程的漏斗半徑為15.6 m。筱溪排沙口間距為27 m（圖4），因此，攔沙坎前緣殘留淤沙最高點(diǎn)高程為175.55 m，淤沙始終不會(huì)越過攔沙坎而進(jìn)入電站流道。

圖4 排沙原理示意圖

（3）水力計(jì)算。

從圖4可見，要確保各排沙口均具有可靠的拉沙作用，必須保證排沙孔和排沙廊道的過流能力遠(yuǎn)大于排沙口的進(jìn)水能力。也就是說，當(dāng)排沙孔開閘時(shí)，首先1號(hào)排沙口擊穿淤沙進(jìn)水排沙，此時(shí)2號(hào)排沙口須具有足夠的負(fù)壓擊穿淤沙，2號(hào)進(jìn)水排沙后，3號(hào)排沙口仍須有足夠的負(fù)壓擊穿淤沙。另外排沙廊道全線須確保流速大于各粒徑的起動(dòng)流速。

筱溪水電站排沙廊道設(shè)計(jì)通過反復(fù)計(jì)算分析，確定排沙口采用圓形斷面，直徑2 m，排沙廊道截面由3 m×2 m漸變至3 m×5 m，排沙孔出口斷面3 m×4.3 m，水力計(jì)算條件及成果見表2。

表2 水力計(jì)算成果

上游庫水位198.0 m，下游排沙水位177.0 m，排沙口糙率0.017，排沙廊道糙率0.022 5。

（4）細(xì)部設(shè)計(jì)。

排沙口體型：為了減小進(jìn)口水頭損失，加大排沙漏斗半徑，采用喇叭口型式，上口直徑3 m，下口直徑2 m，口壁厚2 m。具體見圖5（a）。

排沙孔型式：壩基排沙孔布置在廠壩分界處的溢流壩右邊墩內(nèi)，采用有壓流形式，與排沙廊道密封連接，出口采用底流消能，消力池長(zhǎng)30 m，尾坎采用1∶2.5的反坡。閘墩上游段設(shè)檢修平板鋼閘門，閘門豎井開口于閘墩頂206 m高程，利用溢流壩上游檢修門移動(dòng)門機(jī)啟閉；閘墩尾部設(shè)工作門，采用前止水平板鋼閘門，閘門豎井開口于192 m高程，設(shè)固定式卷揚(yáng)啟閉機(jī)及啟閉機(jī)房。示意見圖5（b）。

材料：排沙系統(tǒng)（排沙口、輸沙廊道、排沙孔）內(nèi)壁均采用1 m厚抗沖耐磨的C40HF混凝土。

圖5 細(xì)部示意圖

5 結(jié)語

筱溪水電站的排沙廊道設(shè)計(jì)是采用深水區(qū)潛孔局部拉沙的方式，以達(dá)到防止電站長(zhǎng)久運(yùn)行后淤沙高出攔沙坎而進(jìn)入機(jī)組流道的目的。設(shè)計(jì)新穎，原理簡(jiǎn)單，投資較小，目前運(yùn)行狀況和感觀效果良好，在延長(zhǎng)電站正常使用壽命方面具有較高的參考價(jià)值。遺憾的是未能進(jìn)行水工單體模型試驗(yàn)驗(yàn)證，在今后工程運(yùn)行中將進(jìn)行實(shí)際觀測(cè)，追蹤運(yùn)行效果，并在以后類似工程的應(yīng)用中得到進(jìn)一步的研究和形成完整體系。

1 GB 50288-99.灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

2 SL269-2001.水利水電工程沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

3 DL5077-1997.水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

4 武漢水利電力學(xué)院.河流泥沙工程學(xué)[M].北京：水利出版社，1981.

5 沙玉清.泥沙運(yùn)動(dòng)學(xué)引論[M].北京：中國(guó)工業(yè)出版社，1965.