沙坪二級(jí)水電站取消廠房沖沙孔的可行性研究

田建海，付希文

（1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014；

2.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 工程概況

沙坪二級(jí)水電站位于四川省峨邊彝族自治縣境內(nèi)的大渡河干流上，下接已建的龔嘴水電站。樞紐主要由河床式廠房、泄洪閘、魚道等建筑物組成。河床式廠房布置在左岸臺(tái)地上，廠內(nèi)布置6臺(tái)單機(jī)容量為58 MW燈泡貫流式機(jī)組，電站總裝機(jī)容量348 MW。

壩址處天然情況下多年平均含沙量為0.854 kg/m3。考慮上游梯級(jí)瀑布溝、深溪溝等電站建成后的水庫(kù)攔沙作用，壩址多年平均含沙量為0.207 kg/m3，多年平均懸移質(zhì)輸沙量為902萬(wàn)t，推移質(zhì)年輸沙量為1.0萬(wàn)t。

2 預(yù)可階段廠房沖沙設(shè)計(jì)

為避免推移質(zhì)、減少懸移質(zhì)通過(guò)機(jī)組流道，降低泥沙對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組造成磨蝕，在預(yù)可行性研究設(shè)計(jì)階段，參考上游深溪溝水電站、枕頭壩一級(jí)水電站及下游的龔嘴水電站排沙設(shè)計(jì)，沙坪二級(jí)水電站布置了3個(gè)沖沙孔。廠房結(jié)構(gòu)采用兩機(jī)一縫的方式布置，結(jié)合燈泡貫流式機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，沖沙孔布置兩機(jī)之間的中墩內(nèi)，沖沙孔斷面尺寸為4.5 m×5.0 m（寬×高）。

3 問(wèn)題的提出

隨著可研階段勘探設(shè)計(jì)工作的開展，揭示出廠房左岸進(jìn)水口前緣邊坡分布較大范圍的崩坡積體。如設(shè)計(jì)取消沖沙孔布置，縮短廠房長(zhǎng)度，可減小對(duì)崩坡積體坡腳的開挖擾動(dòng)影響、降低邊坡的開挖支護(hù)難度，對(duì)邊坡穩(wěn)定有利。取消沖沙孔同時(shí)也可減少?gòu)S房土建工程量，縮短電站施工工期，降低工程投資。

根據(jù)資料，在廠房布置沖沙孔的電站中，沖沙孔運(yùn)行時(shí)有的電站存在振動(dòng)問(wèn)題?？紤]到燈泡貫流式廠房空腔比大，自重相對(duì)較輕，較其它型式廠房燈泡貫流式廠房振動(dòng)方面的問(wèn)題需引起重視。如取消沖沙孔布置，可避免沖沙運(yùn)行過(guò)程中可能引起廠房振動(dòng)的相關(guān)問(wèn)題，有利于GIS等設(shè)備安全運(yùn)行。

考慮到上下游梯級(jí)深溪溝水電站、枕頭壩水電站、龔嘴水電站均設(shè)置了廠房沖沙孔，沙坪二級(jí)水電站如取消廠房沖沙孔布置，須進(jìn)行慎重的分析論證，以保證電站建成后能安全、可靠運(yùn)行。

4 取消廠房沖沙孔的可行性

沙坪二級(jí)水電站計(jì)劃于2015年投產(chǎn)發(fā)電時(shí)上游瀑布溝水電站、深溪溝水電站均已投產(chǎn)發(fā)電?？紤]上游梯級(jí)電站建成后的泥沙攔蓄作用，壩址處多年平均含沙量降低為0.207 kg/m3，電站入庫(kù)泥沙量將大幅度減少。

沙坪二級(jí)水電站樞紐主要由泄洪閘、河床式發(fā)電廠房組成，經(jīng)樞紐布置格局比選，選擇泄洪閘布置在主河道、發(fā)電廠房布置在左岸臺(tái)地的樞紐布置格局。廠房進(jìn)水口采用側(cè)向進(jìn)水方式引水，進(jìn)水渠前緣基本未侵占天然主河道，進(jìn)水口所選擇的位置對(duì)廠房引水防沙有利。電站泄洪建筑物布置在原主河道，對(duì)電站泄洪排沙有利。泄洪閘底板比廠房進(jìn)水渠攔沙坎頂?shù)?.0 m，泄洪過(guò)程中，閘前淤積的推移質(zhì)泥沙將沿主河槽排入下游河道，泥沙淤積不會(huì)對(duì)廠房進(jìn)水口造成較大影響。另經(jīng)水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算，淤積平衡后，壩前泥沙淤積高程低于廠房進(jìn)水渠底板高程。

沙坪二級(jí)水電站水庫(kù)庫(kù)容較小，水庫(kù)正常蓄水位為554.00 m。當(dāng)入庫(kù)流量大于3 000 m3/s時(shí)，庫(kù)水位降至550.00 m運(yùn)行。隨著泄洪流量增大，下游水位逐漸抬高，電站發(fā)電水頭逐漸減小。當(dāng)下泄流量大于6 200 m3/s，電站上下游水頭差已低于機(jī)組發(fā)電最小水頭，此時(shí)機(jī)組停止發(fā)電。汛期對(duì)應(yīng)大流量時(shí)段機(jī)組停止發(fā)電有利于避開泥沙高峰，減輕泥沙對(duì)機(jī)組的磨蝕。

受燈泡貫流式廠房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制約，廠房流道進(jìn)口底板與沖沙孔進(jìn)口底板之間的高差一般不會(huì)太大。在預(yù)可研階段，廠房流道進(jìn)口底高程為520.00 m，沖沙孔進(jìn)口底高程為513.20 m，高差6.8 m。國(guó)內(nèi)近年設(shè)置沖沙孔的燈泡貫流式廠房有黃河沙坡頭電站、紅水河百龍灘電站，兩電站流道與沖沙孔的高差均不大，沙坡頭電站為5.05 m，百龍灘電站為2.5 m。由于流道與沖沙孔高差不大，而且機(jī)組流道斷面（16.2 m×14.7 m）較沖沙孔斷面大很多，發(fā)電運(yùn)行期間開啟沖沙孔對(duì)降低過(guò)機(jī)泥沙效果有限，設(shè)置沖沙孔的作用不大。

根據(jù)陳上群等提出的關(guān)于水輪機(jī)磨損問(wèn)題的判別式：H·Sd＞7（式中 H 為電站水頭，Sd為粒徑大于0.05 mm的平均含沙量），認(rèn)為H·Sd大于7時(shí)泥沙對(duì)水輪機(jī)磨損嚴(yán)重[1]。沙坪二級(jí)水電站設(shè)計(jì)水頭14.3 m，粒徑大于0.05 mm的平均含沙量為0.052 kg/m3，其 H·Sd為 0.74，遠(yuǎn)小于 7，水輪機(jī)磨損問(wèn)題應(yīng)不會(huì)突出。

通過(guò)上述論證分析，設(shè)計(jì)認(rèn)為理論上沙坪二級(jí)水電站具備取消沖沙孔的條件。

5 水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證電站泥沙淤積狀況，檢驗(yàn)泄洪時(shí)對(duì)廠房進(jìn)水口前泥沙的拉沙效果，在水工泥沙模型試驗(yàn)中進(jìn)行了進(jìn)水口推移質(zhì)沙帶模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)分別采用5年、50年一遇洪水流量進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，推移質(zhì)基本上沒有翻過(guò)攔沙坎進(jìn)入廠房進(jìn)水口區(qū)域；即使在假設(shè)攔沙坎前堆滿推移質(zhì)泥沙的情況下，泄洪閘敞泄后也會(huì)將坎前泥沙沖走。水工模型試驗(yàn)同時(shí)表明，在汛期廠房停機(jī)時(shí)段，會(huì)有少量的細(xì)顆粒泥沙通過(guò)懸浮形式越過(guò)攔沙坎，落淤在廠房進(jìn)水口前，但當(dāng)電站開始引水發(fā)電后，落淤在進(jìn)水口的泥沙會(huì)迅速被水流沖走。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)綜合論證分析及水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證，沙坪二級(jí)電站在可研設(shè)計(jì)階段取消廠房沖沙孔的布置。取消沖沙孔后廠房長(zhǎng)度可縮短13.5 m，降低了左岸邊坡開挖高度及邊坡支護(hù)難度，節(jié)約土建工程投資約2 500萬(wàn)元。

［1］泥沙設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.