川西南山區(qū)河流引水式電站取水防沙設(shè)計(jì)探討

王曉東，王黨在

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 概述

我國(guó)川西南山區(qū)河流一般具有河道平均比降大、洪枯流量懸殊、河谷深切、河道及地形復(fù)雜等特點(diǎn)，河流輸沙量年內(nèi)分布不均勻，主要集中在汛期，沙峰隨洪峰出現(xiàn)。河流的水電開(kāi)發(fā)多采用修建攔河閘壩、引水式開(kāi)發(fā)，近些年來(lái)多采用“以庫(kù)代池”的方案，利用水庫(kù)沉沙，汛期不定期停機(jī)敞泄沖沙。由于其避沙時(shí)間短且又在汛期，能量損失較少，較沉沙池方案具有經(jīng)濟(jì)比較優(yōu)勢(shì)。電站運(yùn)行一定時(shí)期后水庫(kù)內(nèi)將沉積較多的泥沙，沙頭隨水流逐漸向取水口緩慢推移，因此，取水防沙是首部樞紐設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵內(nèi)容之一。

2 取水口的布置選擇

川西南山區(qū)河流上修建的引水式電站一般采用“側(cè)向取水、正向沖沙”的布置型式，多采用改進(jìn)印度式引水，即取水口與攔河閘壩軸線呈105°～110°，實(shí)踐證明這種布置的防沙效果較好。取水口多布置于河道的凹岸，利用彎曲河道的橫向環(huán)流作用，在表層少沙水流取水，同時(shí)將河底挾沙量較高的水流推向凸岸，使淤沙遠(yuǎn)離取水口。也有一些電站受引水線路的制約將取水口布置于凸岸，一般采用在凹岸上游設(shè)置導(dǎo)水墻布置，也有的工程采用人工開(kāi)挖改道的措施，調(diào)整河道主流至取水口一側(cè)。

表1 川西南山區(qū)部分引水式電站引水防沙設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)表

取水高程的合理選擇對(duì)取水防沙亦起到重要的作用。一般而言，取水口底板設(shè)置越高，越利于防沙;但設(shè)置過(guò)高，將帶來(lái)取水口寬度或高度的增加，往往不經(jīng)濟(jì)，因此，需根據(jù)取水需求、取水水位、沖沙槽底板高程以及其它防沙、排沙措施等綜合確定。表1列舉了一些水電站取水口設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)。

從以上電站的布置資料、模型試驗(yàn)及運(yùn)行情況看，由于川西南山區(qū)河流比降陡、泥沙含量高、汛期利用洪水敞泄沖沙運(yùn)行，取水口底高程一般較沖沙槽底板高3.5～4.5m以上，防沙效果較好。

3 沖沙閘的合理布置

在多泥沙河流上，沖沙閘是首部樞紐排沙的重要建筑物，一般緊鄰取水口布置，敞泄沖沙時(shí)，將取水口門(mén)前所沉的粗沙沖至下游，形成“門(mén)前清”。

3.1 沖沙閘底高程

沖沙閘的底高程應(yīng)根據(jù)河床比降及河床沖淤變化狀態(tài)確定，一般以取多年平均枯水期的河槽平均高程為宜。當(dāng)河流含沙量較大、河床本身也經(jīng)常處于淤積情況時(shí)，底板可適當(dāng)抬高0.5～1.5 m，以便把泥沙沖到遠(yuǎn)離建筑物的地方［1］。由于川西南山區(qū)河流比降陡，沖沙閘多布置于河流深槽部位。為增加沖沙槽內(nèi)的水深和避免下游沖刷，很多電站的沖沙閘底高程選擇為枯水期河槽的最低高程。

3.2 沖沙閘的尺寸

(1)根據(jù)流量頻率計(jì)算。根據(jù)河流的水文、泥沙、河道斷面等資料，分析確定沖沙閘的設(shè)計(jì)流量，有的采用多年平均流量、或采用50%頻率的日平均流量，還有的采用2.5% ～3%的多年日平均流量［1］。

(2)根據(jù)河相關(guān)系和泥沙特性計(jì)算。其基本理論是:沖沙閘的寬深關(guān)系應(yīng)與進(jìn)水口所在河段多年平均流量的河道寬深關(guān)系相適應(yīng)。沖沙閘的設(shè)計(jì)流量選用河道多年平均流量，沖沙閘的寬度、水深、流速及縱坡使用河相關(guān)系、推移質(zhì)輸沙率公式、水流運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程四個(gè)關(guān)系式聯(lián)立求解［2］。

(3)根據(jù)限制過(guò)機(jī)泥沙的沉沙和沖沙流量計(jì)算。取水口正常取水時(shí)，為使過(guò)機(jī)限制最小粒徑止動(dòng)，確定沉沙槽的寬度，計(jì)算沖沙槽內(nèi)的沖沙流速，根據(jù)沖沙水位進(jìn)而確定沖沙閘的設(shè)計(jì)流量，最后根據(jù)寬頂堰公式確定沖沙閘的寬度及高度。

(4)根據(jù)洪水資料綜合確定泄洪閘、沖沙閘尺寸，并經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證。

不論采取何種方法，都必須綜合考慮天然河道的穩(wěn)定寬度及防沙、沖沙要求，使沖沙槽中的流態(tài)適應(yīng)引水口的要求，確保正常情況下的防沙、沖沙效果，有條件時(shí)在水工模型試驗(yàn)中驗(yàn)證。

4 防沙結(jié)構(gòu)

4.1 束水墻

山區(qū)河流在沖沙閘前多設(shè)置束水墻，與取水口及上游翼墻組成沉沙、沖沙槽，加大泄洪時(shí)沖沙閘前的水流流速，形成束水攻沙，確保取水口“門(mén)前清”。

束水墻的典型布置為垂直壩軸線呈直線布置，如瓦斯河龍洞電站、革什扎河吉牛電站、寶興河出居溝電站等;也有呈弧線布置的，如二瓦槽電站，因其閘址上游革什扎河彎道角度大，取水口布置于主流對(duì)岸，泄洪時(shí)閘前呈明顯橫向流，因而將束水墻布置成向河道內(nèi)的圓弧形，以增加沖沙閘的過(guò)閘流量;也有呈折線向內(nèi)側(cè)布置的，如黑水河色爾古電站，取水口位于河道凹岸，設(shè)計(jì)初期束水墻布置為直線，模型試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)敞泄拉沙時(shí)在取水口前形成一定強(qiáng)度的回流運(yùn)動(dòng)，有粗顆粒泥沙被帶進(jìn)電站進(jìn)水口內(nèi)，因而將束水墻布置成向內(nèi)的折線，并在上游側(cè)設(shè)置一道導(dǎo)沙墻，優(yōu)化方案有效地阻止了拉沙過(guò)程泥沙入侵電站取水口門(mén)內(nèi)。

一般為減少繞流，束水墻頭部宜做成有一定坡度的“魚(yú)咀”形，也有的電站布置成臺(tái)階狀。

從川西南十余座山區(qū)河流電站的布置、模型試驗(yàn)情況及運(yùn)行情況看，束水墻的平面和立面布置對(duì)防沙和排沙非常重要。由于上游河勢(shì)、閘址處河道斷面情況、泥沙情況、運(yùn)行方式等的不同，其布置應(yīng)綜合考慮。

4.2 攔沙坎

山區(qū)多泥沙河流水電站取水口前一般均設(shè)置有攔沙坎，其既可以防止上游淤沙推移至取水口，又可以在敞泄沖沙時(shí)防止經(jīng)過(guò)沖沙槽內(nèi)的底沙翻入取水口，攔沙坎的布置對(duì)防止粗沙進(jìn)入取水口關(guān)系很大。

攔沙坎一般布置成折線形，多為開(kāi)口狀，敞泄沖沙后期的下泄水流亦可將攔沙坎內(nèi)的泥沙帶走，如圖1中龍洞電站的布置。也有的電站為減少敞泄沖沙時(shí)大量底沙隨局部旋流倒灌入攔沙坎內(nèi)，下游端與排污閘或沖沙閘邊墩相連，底部設(shè)置排沙孔，如圖2中民治電站的布置。

圖1 龍洞電站攔沙坎布置示意圖

圖2 民治電站攔沙坎布置示意圖

攔沙坎上游段與取水口翼墻或岸邊導(dǎo)墻的角度宜取30°～40°。角度太大，阻水作用明顯，易造成取水口前流態(tài)混亂攪起底部泥沙翻入攔沙坎內(nèi);角度太小，攔沙坎距離取水口太近，防沙能力有限。攔沙坎的頂高程一般與取水口底板高程相近，以能夠阻止泥沙翻過(guò)且不妨礙取水口取水為宜。表1中列舉了部分電站攔沙坎的布置數(shù)據(jù)。

5 運(yùn)行方式

合理的調(diào)度運(yùn)行方式是延長(zhǎng)水庫(kù)壽命、減少淤積、確保電站安全、提高工程效益的重要手段之一。山區(qū)河流電站的水庫(kù)一般為河道型，在汛期閘前，水位多控制在排沙運(yùn)行水位;當(dāng)上游形成較大洪水或入庫(kù)流量達(dá)到適宜的沖沙流量時(shí)，電站停機(jī)避峰敞泄沖沙。當(dāng)泥沙淤積造成調(diào)節(jié)庫(kù)容減少、沙洲洲頭推進(jìn)到特定位置時(shí)，利用電站日負(fù)荷低谷期，停機(jī)敞泄沖沙，造成庫(kù)內(nèi)強(qiáng)烈的溯源沖刷，將庫(kù)內(nèi)的泥沙大部分沖出，恢復(fù)調(diào)沙庫(kù)容。宜開(kāi)展庫(kù)區(qū)泥沙監(jiān)測(cè)斷面觀測(cè)，及時(shí)掌握入庫(kù)水文情勢(shì)﹑庫(kù)區(qū)泥沙沖淤變化等與上、下游梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度，共同泄水沖沙，并根據(jù)電站引水防沙效果在實(shí)際運(yùn)行中積累經(jīng)驗(yàn)，逐漸優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行方式。

6 青龍水電站取水防沙設(shè)計(jì)

6.1 工程概況

青龍水電站屬白水江水電規(guī)劃一庫(kù)七級(jí)方案中的第七級(jí)梯級(jí)電站，為引水式開(kāi)發(fā)，單一發(fā)電工程。閘高16.5m，水庫(kù)正常蓄水位高程1272m，汛期運(yùn)行水位高程1270.5m，正常蓄水位以下庫(kù)容為23.4萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容7.8萬(wàn)m3。電站引用流量132.66m3/s，裝機(jī)容量102MW。

6.2 泥沙資料

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，青龍閘址處多年平均懸移質(zhì)年輸沙量 93.5 萬(wàn) t，多年平均含沙量 0.458kg/m3，汛期(5～10月)平均含沙量0.626kg/m3。實(shí)測(cè)懸移質(zhì)顆粒級(jí)配成果見(jiàn)表3，其最大粒徑0.868mm，中值粒徑0.036mm。床沙中最大粒徑230mm，中值粒徑119mm，平均粒徑129mm。

表3 懸移質(zhì)顆粒級(jí)配成果表

6.3 取水防沙布置

白水江為山區(qū)性多泥沙河流，青龍水電站為河道型水庫(kù)，庫(kù)沙比非常小，庫(kù)區(qū)泥沙淤積速率快，推移質(zhì)淤積將很快抵達(dá)閘前，電站首部樞紐引水防沙問(wèn)題十分突出，因此，青龍閘壩樞紐布置的重要任務(wù)之一是解決好取水、防沙的問(wèn)題。

受引水線路選擇的制約，青龍水電站取水口順河側(cè)向布置于沖沙閘前微彎河道的凸岸，與壩軸線呈105°交角，形成“側(cè)向引水、正向沖沙”的布置型式。設(shè)6孔開(kāi)敞式取水口，閘孔寬度為5 m，取水口底板高程1265m，較沖沙閘底板高3 m。根據(jù)洪水流量并與泄洪閘綜合考慮后，沖沙閘最終采用寬2.5m、高4m的帶胸墻平底寬頂堰，底板高程采用1262m。為改善沖沙效果，在沖沙閘上游設(shè)置束水墻，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)45m，基本延伸至取水

口上游側(cè)，將沖沙閘與泄洪閘水流分開(kāi);同時(shí)，為減少頭部繞流以及避免妨礙取水，束水墻頭部布置成坡度1∶2的“魚(yú)咀”形。為防止敞泄沖沙時(shí)底部泥沙大量翻入取水口以及攔截到達(dá)取水口的推移質(zhì)泥沙，在取水口前設(shè)攔沙坎，坎頂高程1265m，比沖沙閘底板高3m，折線布置，上游與取水口側(cè)左岸導(dǎo)墻成32°角。取水口底坎與攔沙坎、攔沙坎與束水墻之間形成兩道沖沙槽，可加大閘前束水攻沙能力，達(dá)到使取水口“門(mén)前清”的目的。

6.4 電站運(yùn)行方式

根據(jù)白水江水沙特性和工程特點(diǎn)，青龍水電站采用不定期敞泄沖沙的調(diào)度方式:汛期(5～10月)，正常情況下，將閘前水位控制在汛期排沙運(yùn)用水位，讓入庫(kù)泥沙在庫(kù)內(nèi)淤積，當(dāng)取水口前沿淤積床面高程接近攔沙坎頂高程時(shí)，利用電站日負(fù)荷低谷期，開(kāi)啟沖沙閘﹑泄洪閘，敞泄排沙，恢復(fù)調(diào)沙庫(kù)容，每次沖沙時(shí)間為6h。另外，當(dāng)上游銜接梯級(jí)——雙河水電站在入庫(kù)流量大于180m3/s時(shí)，相應(yīng)于青龍水電站210m3/s(約為兩年一遇洪水流量)，電站停機(jī)敞泄沖沙運(yùn)行。非汛期(11月～次年4月)，由于入庫(kù)沙量較少，閘前水位可在正常蓄水位至死水位之間調(diào)度運(yùn)用。

7 結(jié)論及建議

(1)河流泥沙運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性、上游河勢(shì)的不同，決定了河道型水庫(kù)低閘引水式電站取水防沙措施的多樣性和綜合性。

(2)川西南山區(qū)河流有其自身的特點(diǎn)，坡降陡、水流湍急、河勢(shì)復(fù)雜、泥沙含量高，取水口底板高程宜高于沖沙槽3.5～4.5m，攔沙坎前段與上游結(jié)構(gòu)的角度宜取30°～40°，頂高程一般與取水口底板高程相近;束水墻的布置對(duì)引水防沙效果也有較大影響，因此設(shè)計(jì)中須全面、綜合考慮。

(3)由于取水防沙措施的多樣性和綜合性，有條件時(shí)應(yīng)借鑒類似工程經(jīng)驗(yàn)擬定初步布置，通過(guò)整體水工模型試驗(yàn)，確定適合工程特點(diǎn)的的布置方式。

［1］華東水利學(xué)院.水工設(shè)計(jì)手冊(cè)，8灌區(qū)建筑物［M］.北京:水利電力出版社，1984.