印度納斯帕切克瑞水電站的泥沙控制措施

［印度］ H.K.沙瑪

印度納斯帕切克瑞水電站的泥沙控制措施

［印度］ H.K.沙瑪

薩特萊杰河的泥沙含量高，尤其是納斯帕切克瑞水電站所處河段的泥沙顆粒堅(jiān)硬，為了保護(hù)水電站位于水下的機(jī)器部件，采取了一些有效的措施。對(duì)該工程的概況、薩特萊杰河的泥沙特征、水電站的安全運(yùn)行參數(shù)、采取的泥沙控制措施以及長(zhǎng)期控制規(guī)劃方案等作了介紹。

水電站;泥沙;控制措施;納斯帕切克瑞水電站;印度

在喜馬拉雅地區(qū)，泥沙的磨蝕作用常常導(dǎo)致電站關(guān)閉，給發(fā)電帶來(lái)了損失。泥沙磨蝕既可能損壞從進(jìn)水口至尾水渠的主要系統(tǒng)，也可能損壞次要系統(tǒng)，如冷卻器、密封以及排水設(shè)備。解決泥沙侵蝕損害問(wèn)題，除了需要制定河流排沙方案，還需要確定機(jī)械部件材料的冶煉方案。

納斯帕切克瑞水電站采取了各種措施，力爭(zhēng)將泥沙侵蝕損害降到最低程度，其中包括利用水庫(kù)調(diào)度進(jìn)行沖沙，該水庫(kù)水位為 1 495.50 m 時(shí)，有效庫(kù)容為 3.03億m3，死庫(kù)容為4 000萬(wàn)m3。利用低水閘沖沙，藉此保護(hù)有效庫(kù)容。同時(shí)，4個(gè)地下沉沙室(長(zhǎng) 525.00 m、高 27.50 m、寬 16.31 m)在洪水季節(jié)連續(xù)沖沙，旱季間隙沖沙。沉沙室的截沙率在90%以上(粒徑大于 0.2 mm 的粗沙)，總截沙率為40%。沉沙室可以攔截粒徑達(dá) 0.2 mm 的泥沙。為了提高水庫(kù)的泥沙攔截效率，降低水庫(kù)的沖沙頻率，還對(duì)長(zhǎng) 1 085 m的旁路導(dǎo)流隧洞的效率進(jìn)行了模型研究。

水電站運(yùn)行時(shí)，在攔污柵底部增加了擋板，可以防止河床以及集水區(qū)附近的高含量泥沙大量進(jìn)入。

1 工程概述

納斯帕切克瑞水電站位于薩特萊杰河上，薩特萊杰河發(fā)源于西藏高原海拔為4 570 m的瑪旁雍錯(cuò)湖地區(qū)。這里的河流含沙量很高，特別是在融雪高峰期以及洪水期，情況更為糟糕，對(duì)水電站的運(yùn)行是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。對(duì)建在喜馬拉雅地區(qū)河流上的徑流式水電站而言，這一問(wèn)題顯得更加尖銳。納斯帕切克瑞徑流式水電站裝機(jī)容量1 500 MW，是印度目前正在運(yùn)行的最大水電站。

薩特萊杰河納斯帕切克瑞水電站河段的泥沙顆粒堅(jiān)硬，其中大部分為磨蝕性很強(qiáng)的石英顆粒。因此，在水電站運(yùn)行的最初幾年，水輪機(jī)的水下部件受到了嚴(yán)重?fù)p壞。為此，水電站運(yùn)營(yíng)方采用幾種創(chuàng)新手段限制泥沙進(jìn)入水輪機(jī)，同時(shí)采用HVOF型碳化鎢耐磨涂層，對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行了整修。

除大壩和開(kāi)關(guān)站外，水電站所有主要組成部分都位于地下。電站的引水建筑物為混凝土重力壩，壩高62.5 m，設(shè)有5孔低位泄水閘，可通過(guò)設(shè)計(jì)流量5 660 m3/s，并有方便年際沖沙的設(shè)施。納斯帕水庫(kù)在正常蓄水位下(即 1 495.5 m)，有效庫(kù)容僅為3.03億m3。4個(gè)蛋形地下沉沙室用于排除粒徑為0.2 mm 以上的泥沙。長(zhǎng) 27.4 km，直徑為 10.50 m的引水隧洞，將水輸送到調(diào)壓井，其設(shè)計(jì)流量為405 m3/s。調(diào)壓井高301 m，是世界上最深的調(diào)壓井之一。該調(diào)壓井為有束窄孔的調(diào)壓室，直徑為21.6/10.2 m。3 口鋼襯壓力豎井直徑為 4.9 m，長(zhǎng)度從571 m到622 m不等。壓力豎井上連調(diào)壓井，下接6臺(tái)混流式水輪機(jī)。水輪機(jī)額定水頭428 m，設(shè)計(jì)流量383.88 m3/s，安裝在地下洞室中。洞室長(zhǎng)222.00 m，寬 20.00 m，高49.00 m。

機(jī)組變壓器、氣體絕緣開(kāi)關(guān)站(SF6)以及尾水管閘門(mén)安裝在第2個(gè)洞室(196.0 m×17.5 m×27.4 m)中。尾水池將尾水泄回到薩特萊杰河，同時(shí)設(shè)有進(jìn)水建筑物，用于下游蘭布爾(Rampur)水電站的取水，該水電站與切克瑞水電站串聯(lián)。納斯帕水電站的沉沙設(shè)施對(duì)蘭布爾工程會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

2 河流泥沙特征

2.1 流域面積

薩特萊杰河納斯帕水電站以上流域面積49 820 km2，其中，僅12 920 km2位于印度境內(nèi)。流域大部分面積(74%)位于中國(guó)西藏，為高海拔沙漠。由于地質(zhì)脆弱、山坡陡峭，所以該地區(qū)融雪季節(jié)土壤侵蝕率很高。同時(shí)，由于河岸陡峭，雪崩和山體滑坡常常導(dǎo)致河流堵塞。而滑坡體落入河流，就會(huì)導(dǎo)致山洪爆發(fā)，河流中的泥沙含量也會(huì)因土壤侵蝕增加而急劇增加。斯比提(Spiti)河流域特征與薩特萊杰河類(lèi)似。

流域最大融雪以及最大降水發(fā)生在6、7、8三個(gè)月，這個(gè)時(shí)段內(nèi)，薩特萊杰河輸送的泥沙量占全年的大多數(shù)。10月到次年的5月，河流含沙量很低。這9個(gè)月的平均含沙量介于300 mg/L至600 mg/L之間。

6～8月，河流平均懸移質(zhì)含沙量介于2 500～6 000 mg/L之間。盡管洪水季節(jié)納斯帕的懸移質(zhì)含沙量的正常范圍為1 000～15 000 mg/L，但是，如果主河道發(fā)生堵塞，河流的懸移質(zhì)含沙量則可能高達(dá)30 000～150 000 mg/L。2007年8月12日，在納斯帕測(cè)得的2004年之后的最大含沙量為85 533 mg/L。2005年6月26日，帕熱俄初(Pareechu)決口之后，在切克瑞測(cè)得的最大含沙量為115 000 mg/L。

根據(jù)1971～1996年的觀測(cè)資料，懸移質(zhì)含沙量超過(guò)5 000 mg/L的平均天數(shù)為4 d，但是1982年觀測(cè)的懸移質(zhì)含沙量超過(guò)5 000 mg/L的天數(shù)為25 d。

2004～2009年，觀測(cè)的含沙量超過(guò)4 000 mg/L以及5 000 mg/L的天數(shù)分別為23 d和19 d。

2.2 懸移質(zhì)泥沙級(jí)配

薩特萊杰河懸移質(zhì)泥沙不同成分的平均百分比如下:

(1) 粗沙(＞0.2 mm)占16%;

(2) 中沙(0.075 mm)占22%;

(3)細(xì)沙(＜0.075 mm)占62%。

2005年，帕熱俄初決口之后，粗沙和中沙的百分比開(kāi)始增加，之后逐漸恢復(fù)正常。

2.3 巖相分析

薩特萊杰河挾帶的泥沙中，石英顆粒所占比例很高，石英沙粒的摩氏硬度為7。水電站運(yùn)行期間，納斯帕水庫(kù)取水口的觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，泥沙中的石英含量為66%。更早的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，石英含量平均占 43.6%。

2.4 運(yùn)行期懸移質(zhì)含沙量

2004～2010年，觀測(cè)了水電站運(yùn)行期間薩特萊杰河納斯帕處的懸移質(zhì)泥沙的平均含量:洪水季節(jié)(6～8月)的平均懸移質(zhì)泥沙含量為3 473 mg/L，枯水季節(jié)(9月～次年5月)則降低到479 mg/L。

同期，經(jīng)過(guò)水輪機(jī)水流的平均泥沙含量為1 130 mg/L(6～8月)和176 mg/L(9月～次年5月)。

3 電站安全運(yùn)行參數(shù)

印度國(guó)家電力局的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在2005年曾建議:電站運(yùn)行時(shí)，尾水管中的泥沙含量最大不得超過(guò)2 000 mg/L。據(jù)此，確定切克瑞電站運(yùn)行時(shí)的泥沙控制限值為:

(1)切克瑞電站取水口處水中的泥沙含量的上限為3 500 mg/L。河流中的相應(yīng)泥沙含量的上限為4 000 mg/L。

(2)電站取水口處粒徑在 0.2 mm以上的粗沙顆粒含量的上限為600 mg/L。

(3)尾水管中的水中泥沙含量的上限為 2 000 mg/L。

通過(guò)噴涂HVOF碳化鎢抗磨損涂層，泥沙的總量限值為70～80 t。

4 泥沙控制措施

4.1 沉沙設(shè)施的布置

經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，將沉沙設(shè)施布置在薩特萊杰河的左岸，包括4個(gè)地下沉沙室，每個(gè)沉沙室有一個(gè)獨(dú)立的取水口，輸水隧道呈馬蹄形，直徑6 m，漸變段長(zhǎng)50 m。沉沙室的中心位置有一個(gè)5 m的沙倉(cāng)，寬度為16.31 m。沉沙室外觀呈蛋形，圓頂弧墻，設(shè)計(jì)目的是沉淀和沖排粒徑大于 0.2 mm的泥沙。沙倉(cāng)頂部?jī)蓚?cè)設(shè)置了檢查平臺(tái)。沙倉(cāng)的底部設(shè)置了一個(gè)連續(xù)的沉淀槽、以及1～3個(gè)沖沙管道。沖沙管道下降坡比為1∶400。沉沙室平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 沉沙室平面布置

每個(gè)沉沙室底部各有3條沖沙管道，分別用來(lái)在沉沙室的1/3的長(zhǎng)度處沖排粗沙、中沙和細(xì)沙顆粒，沖沙流速介于3～3.75 m/s之間。

通過(guò)這些沖沙管道，對(duì)沉積在沙倉(cāng)底部的泥沙進(jìn)行定期沖排。沖沙流量由安裝在每1條沖沙管道上的蓋板式?jīng)_沙閘門(mén)控制，閘門(mén)遠(yuǎn)離沉沙室的下游端，具有獨(dú)立的閘室。沖沙管道上設(shè)置了很多大小不一的開(kāi)孔，用來(lái)吸拉沉淀槽中的泥沙。沖沙管道的尺寸介于 0.7 m ×1.8 m(起始端) ～1.0 m ×1.8 m(管尾)之間。每1條沖沙管道上的第1個(gè)開(kāi)孔尺寸為寬 0.6 m、長(zhǎng)1.2 m，其他開(kāi)孔直徑介于0.24～0.36 m 之間，中心間距 6～7 m。沉沙室的過(guò)水面積(沉沙室的寬度和深度)應(yīng)確保水流流經(jīng)沉沙室時(shí)，速度在 0.30 m/s左右，以排除粒徑大于0.20 mm 的泥沙。

沉沙室的長(zhǎng)度，根據(jù)泥沙顆粒從水流頂層降落到沉沙室底所需時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)的水平距離計(jì)算獲得。關(guān)閉取水口和出水口閘門(mén)，可將沉沙室隔離。沉沙室設(shè)置了進(jìn)出通道，供維護(hù)人員以及輕型設(shè)備進(jìn)出使用。沙倉(cāng)頂部的檢查通道用作清除泥沙的主要工作平臺(tái)。每一沉沙室內(nèi)安裝3部龍門(mén)起重機(jī)，分別位于不同的高度，以方便施工作業(yè)，且這些起重機(jī)就留在沉沙室內(nèi)，用于今后的檢查和維護(hù)。

4.2 高含沙量情況下的發(fā)電機(jī)組性能

機(jī)組在高含沙量條件下運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)了一些問(wèn)題，如導(dǎo)葉、夾板(cheek plates)、轉(zhuǎn)輪進(jìn)口、轉(zhuǎn)輪出口受到嚴(yán)重磨蝕，出口處的轉(zhuǎn)輪輪葉出現(xiàn)了裂紋或者破裂，迷宮密封損壞，主進(jìn)水口的閥門(mén)(MIV)止水被破壞等。經(jīng)采用流體力學(xué)(CFD)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析和采用有限元法(FEM)分析后，采取了補(bǔ)救措施，包括修改轉(zhuǎn)輪，使用奧氏體焊條修補(bǔ)轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉，利用HP HVOF工藝，采用鈷鉻基碳化鎢維修3臺(tái)機(jī)組的導(dǎo)葉和導(dǎo)葉密封環(huán)，在下迷宮的密封上噴涂硬質(zhì)涂層等。

在過(guò)沙量達(dá)到30～40萬(wàn)t時(shí)，未加涂層的機(jī)械零件出現(xiàn)了磨損，而對(duì)于(利用HVOF工藝)噴涂了300 μm厚碳化鎢涂層的零件，在過(guò)沙量達(dá)到70～80萬(wàn)t時(shí)，才需要修復(fù)。2006～2007年，由于在季風(fēng)季節(jié)到來(lái)之前采取了上述補(bǔ)救措施，才使電站能夠在季風(fēng)季節(jié)仍保持高水位發(fā)電。而且頰板螺栓沒(méi)有損壞，導(dǎo)葉套筒和軸瓦僅有些許微小的損壞，但沒(méi)有出現(xiàn)因上迷宮的密封嚴(yán)重泄漏而導(dǎo)致停機(jī)的情況。在尾水管處觀測(cè)到的含沙量達(dá)到2 000 mg/L時(shí)，電站依然能正常運(yùn)行。目前，頰板以及導(dǎo)葉密封環(huán)上的硬質(zhì)涂層厚度增加到了500 μm。

4.3 HVOF碳化鎢涂層

2006年洪水季節(jié)到來(lái)之前，對(duì)所有的轉(zhuǎn)輪和其他一些部件都噴涂了300 μm的HVOF碳化鎢涂層。因此，在這個(gè)洪水季節(jié)，當(dāng)通過(guò)機(jī)組的泥沙量為70～80萬(wàn)t時(shí)，機(jī)組運(yùn)行仍然正常。2007年，某些部件的HVOF碳化鎢涂層厚度增加到了500 μm。預(yù)計(jì)，在一定過(guò)沙量條件下，機(jī)組水下零件的壽命會(huì)隨著涂層厚度的增加而大大延長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)2009年和2010年維修后的6臺(tái)水輪機(jī)的過(guò)沙量見(jiàn)表1。

表1 2009～2010年維修后的水輪機(jī)過(guò)沙量 t

4.4 取水建筑物擋板

水庫(kù)上層水體的懸移質(zhì)含沙量低于下層水體，因此，在取水口底部設(shè)置了水平擋板，這樣可以防止河床附近的高含沙量水體進(jìn)入取水口。在普納市CW和PRS分別進(jìn)行的模型研究證實(shí)，擋板有助于防止泥沙，特別是粗顆粒泥沙進(jìn)入電站取水口。因此，2007年2月，將閘門(mén)3和閘門(mén)4攔污柵板的最下部分封死。

當(dāng)年，水庫(kù)沖沙時(shí)，關(guān)閉或者打開(kāi)取水閘門(mén)(包括閘門(mén)3和閘門(mén)4)時(shí)，均沒(méi)有遇到任何問(wèn)題。

同年，有人建議將閘門(mén)1和閘門(mén)2攔污柵板的最下部分層也封死，并根據(jù)泥沙管理專家委員會(huì)的建議配備泥漿泵。

4.5 水庫(kù)運(yùn)行和水位調(diào)節(jié)

為了采取通過(guò)閘門(mén)控制的方式來(lái)調(diào)節(jié)和維持水庫(kù)的水位，使進(jìn)入取水口的泥沙數(shù)量最低，同時(shí)也使水庫(kù)沖沙作業(yè)(包括電站關(guān)閉)的次數(shù)最少，建議作如下安排。

(1)入庫(kù)流量開(kāi)始超過(guò)設(shè)計(jì)流量時(shí)，打開(kāi)取水口附近的閘門(mén)，排泄多余的水量，保持取水口區(qū)域無(wú)泥沙沉積。

(2)如果入庫(kù)流量很大，則應(yīng)同時(shí)開(kāi)啟5孔閘門(mén)，以便能夠均勻地排泄多余水量。

(3)洪水季節(jié)，使庫(kù)水位維持在正常水位附近，即1 495.5 m，以發(fā)揮水庫(kù)的最大效益。

該運(yùn)行方案已經(jīng)過(guò)物理模型試驗(yàn)以及原型試驗(yàn)的驗(yàn)證。在此情況下，定期進(jìn)行了回聲測(cè)深，以監(jiān)測(cè)取水口閘門(mén)前的水庫(kù)泥沙淤積深度。

4.6 水庫(kù)沖沙

原計(jì)劃是，當(dāng)入庫(kù)流量很大以及含沙量太高導(dǎo)致電站關(guān)閉時(shí)，每年對(duì)納斯帕大壩壩后的水庫(kù)進(jìn)行一次或者多次沖沙。沖沙時(shí)，壩內(nèi)所有的低位閘門(mén)(洪水季節(jié)也用作溢洪道)完全開(kāi)啟，水庫(kù)自由出流，允許庫(kù)內(nèi)水位下降。每年進(jìn)行的沖沙作業(yè)可以減少進(jìn)入取水口的泥沙，能夠確保較好的沉沙效益，減輕維護(hù)工作量。

根據(jù)模型研究，在沖沙流量為1 500 m3/s的情況下，1 d可以沖排250萬(wàn)m3泥沙。2006年洪峰季節(jié)，根據(jù)庫(kù)內(nèi)沉積的泥沙數(shù)量，每周或者每?jī)芍苓M(jìn)行一次沖沙，使得水庫(kù)的泥沙沉積情況有所好轉(zhuǎn)，并減少了進(jìn)入電站取水口的泥沙數(shù)量。

2007年，巴哈巴(Bhaba)尾水引水工程竣工，庫(kù)水位上升到1 494 m。在較高的水位下，水庫(kù)長(zhǎng)度增加了2 km以上，與前幾年最高運(yùn)行水位維持在1 484 m時(shí)相比，水庫(kù)的沉沙效率大幅度增加。2007年水庫(kù)沖沙的次數(shù)減少，粗顆粒泥沙均沉積在水庫(kù)的起始段，電站取水口前沉積的泥沙量減少。

2007、2008年和2009年共沖沙3次，2006年沖沙10次。每次沖排的泥沙量介于55萬(wàn)t～60萬(wàn)t之間。

另外，當(dāng)河流含沙量超過(guò)4 000 mg/L時(shí)(2007年出現(xiàn)過(guò)3次)，應(yīng)停止發(fā)電，使水庫(kù)保持自由出流狀態(tài)進(jìn)行沖沙并降低水位。

沖沙頻率取決于以下條件:

(1)攔污柵上游沉積的泥沙深度大于±5 m;(2)河流流量大于700 m3/s;

(3)水庫(kù)沉沙效率明顯下降。

5 長(zhǎng)效措施

5.1 興建納斯帕大壩新導(dǎo)流隧道

(1)SJVN公司正在研究在納斯帕大壩軸線方向、位于大壩上游 750 m處興建新導(dǎo)流隧洞的可能性，以向大壩下游排放高含沙量的水流。目標(biāo)是，經(jīng)該隧洞向大壩下游排放最大流量達(dá)1 000 m3/s的水流，這樣可以為取水口區(qū)域創(chuàng)造一個(gè)相對(duì)平靜的環(huán)境，提高水庫(kù)的截沙效率，減少進(jìn)入電站取水口的泥沙量。

(2)當(dāng)高含沙量的來(lái)水超過(guò)電站取水口的設(shè)計(jì)流量時(shí)，超出的部分水流經(jīng)該導(dǎo)流隧洞繞過(guò)取水口區(qū)域，這樣水庫(kù)地勢(shì)較低部位的泥沙沉積率將因此大幅度降低，從而減少?zèng)_沙的次數(shù)。在普納(Pune)市CW和PRS分別進(jìn)行了水力模型研究，定性分析了進(jìn)入取水口泥沙量的削減量，對(duì)該設(shè)施的效益進(jìn)行了評(píng)估。模型研究的結(jié)果令人樂(lè)觀，目前，正在進(jìn)行雙隧洞替代方案的水力模型研究。

5.2 流域治理

流域治理的長(zhǎng)效措施包括納斯帕大壩上游的植被覆蓋以及水土保持措施，這些措施將降低河流的含沙量。流域內(nèi)的堤岸沖刷是SJVNL公司最關(guān)心的問(wèn)題，目前，關(guān)于邊坡穩(wěn)定以及防止脆弱地段的堤岸沖刷，已經(jīng)提出了最終的相應(yīng)處理建議。

流域治理規(guī)劃由SJVNL公司、HD林業(yè)部門(mén)以及印度邊境道路建設(shè)局共同起草。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)納斯帕切克瑞水電站在最近6 a的運(yùn)行狀況，針對(duì)如何減少薩特萊杰河大量泥沙所造成的破壞方面開(kāi)展了大量研究工作，SJVNL公司已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)。采取的發(fā)電優(yōu)化措施可總結(jié)歸納如下:

(1)控制泥沙進(jìn)入取水口，并定期實(shí)施沖沙;

(2)優(yōu)化水庫(kù)運(yùn)行;

(3)在水輪機(jī)部件上噴涂硬質(zhì)保護(hù)涂層;

(4)修建新的旁通隧洞，并實(shí)施流域治理規(guī)劃。

朱慶云 譯自英刊《水電與大壩》2010年第6期

山松校

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2011-06-06