亞洲最長尾水渠電站設(shè)計(jì)與運(yùn)營中的突出問題分析

顧 軒， 李 偉

(四川圣達(dá)水電開發(fā)有限公司，四川樂山 614900)

1 概述

大渡河干流在銅街子水電站以上河水行進(jìn)在高山峽谷之間，水力開發(fā)適合采用傳統(tǒng)的高壩大庫方式。銅街子水電站以下河寬逐漸增大，銅街子鎮(zhèn)至樂山市河段長約45km，河谷開闊，動能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)十分優(yōu)越，但始終受制于平緩河段蓄水難、土地淹沒大、移民數(shù)量多等問題，致使該河段開發(fā)難度較大。為避免上述問題，大渡河沙灣河段開發(fā)方案突破性地采用了“向下挖水頭”的設(shè)計(jì)，開挖了現(xiàn)亞洲最長的尾水渠用以集中平緩河道的水頭，從而既充分利用了平緩河段的水能資源，又避免了高壩蓄水造成的淹沒問題，使得原本不具備開發(fā)條件的大渡河下游河段有了可行的開發(fā)方案。

河床式廠房加長尾水渠的混合式開發(fā)雖然能夠充分利用大江大河的下游河段，但在亞洲及國內(nèi)尚缺少采用該模式開發(fā)的電站運(yùn)營與管理經(jīng)驗(yàn)，超長尾水渠在運(yùn)營中的行洪、淤積及日常養(yǎng)護(hù)中存在著各種問題均值得我們進(jìn)行探討。

2 沙灣水電站長尾水渠設(shè)計(jì)的可行性與其具有的特點(diǎn)

2．1 沙灣水電站長尾水渠設(shè)計(jì)的可行性

大渡河沙灣河段沿河城鎮(zhèn)較多，人口密集。在充分利用水能資源的前提下，若采用傳統(tǒng)的高壩大庫方式進(jìn)行開發(fā)，由于其淹沒工礦、場鎮(zhèn)和省道103公路及大片耕地、民房而使得工程投資、移民難度巨大而不可行;若采用壩式+引水式方式開發(fā)，該河段流量雖大但比降小，經(jīng)濟(jì)效益不高。若采用純河床式開發(fā)，需建設(shè)兩級電站才能完成該河段水能資源的開發(fā)利用，其投入產(chǎn)出比效果也極佳。

經(jīng)過反復(fù)進(jìn)行論證比較，最終決定在該河段采用河床式廠房加長尾水渠的混合式開發(fā)，該方式一級即可完成該河段水能資源的開發(fā)利用。在河床式廠房后開挖長9．15km的尾水渠，在利用長尾水渠集中的14．5m水頭落差的基礎(chǔ)上，只需要再筑壩壅水15．5m高，既可使得電站總利用落差達(dá)到30m。采用長尾水渠獲得裝機(jī)容量220 MW，與單純的依靠筑壩蓄水獲取水頭的方式及兩級式的開發(fā)方式相比極大地減少了淹沒面積及投資與移民成本。

2．2 尾水流態(tài)分析

根據(jù)沙灣水電站的運(yùn)行方式，在尾水渠中有三種流態(tài)。第一種為:當(dāng)上游來水量小于滿發(fā)流量2203m3/s時(shí)，所有來水均用來發(fā)電，泄洪沖沙閘關(guān)閉，原河道無棄水;第二種為:當(dāng)上游來水流量為2203～5000m3/s時(shí)，機(jī)組滿發(fā)引走2203 m3/s的流量，其中大于2203m3/s、小于5000 m3/s的部分流量由泄洪閘下泄至原河道，兩股水流在尾水渠出口處匯合;第三種為:當(dāng)上游來水流量大于5000m3/s時(shí)，由于水流中含沙量大，上下游水頭差小，機(jī)組停機(jī)避峰，所有流量均由泄洪沖沙閘下泄至原河道，僅有部分水流從尾水渠左堤樁號為i+000至I+700處預(yù)留的溢流側(cè)堰翻入尾水渠，使尾水渠中的水流在停機(jī)狀態(tài)時(shí)仍處于流動中，從而有利于減少渠道左邊墻兩側(cè)的水位差和渠內(nèi)泥沙淤積，兩股水流在尾水渠出口處匯合。

2．3 尾水渠對河段行洪能力的影響

尾水渠局部穿過主河床。由于工程的建設(shè)造成本河段河道水流流態(tài)和河床關(guān)系的改變，從而造成河床再造的過程。經(jīng)計(jì)算，在流量Q=5500 m3/s(相當(dāng)于兩年一遇)下，工程建成后，尾水渠河段的平均河寬為338m，河床是穩(wěn)定的。根據(jù)實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)看河床未曾發(fā)生較大的河床演變。

沙灣水電站尾水渠修建后，長尾水渠占用天然河道，導(dǎo)致天然河道過流能力下降、過流時(shí)水位上升，設(shè)計(jì)洪水水位最大上升0．47m，已對本河段行洪產(chǎn)生了比較明顯的影響，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧p少對行洪能力的影響。其主要原因是部分尾水渠道占用了河道主槽，如CS4～CS8附近的尾水渠，對于這部分河道，須開挖疏浚河道，恢復(fù)河道的行洪寬度和行洪斷面。

2．4 長尾水渠對河段泄洪效能的影響

由于有尾水渠的存在和影響，從而使沙灣水電站的泄洪和消能與純河床式電站有著本質(zhì)上的不同。因?yàn)槲菜窃诤哟采祥_挖出來的，其底高程大大低于原河床，而且全斷面都進(jìn)行了襯砌，糙率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原天然河道，從而增大了電站的行洪能力。

此外，若電站未從天然河道棄水時(shí)，閘下屬于干枯狀態(tài)。在閘門剛開啟時(shí)，與其它純河床式電站相比閘下總是少了一個(gè)機(jī)組的發(fā)電流量，而采用長尾水渠設(shè)計(jì)的電站閘下水位增長緩慢，致使消能問題異常嚴(yán)峻。為解決天然河床干枯帶來的消能問題，沙灣水電站閘下消能方式必須采用三級消能池消力，從而造成了投資增加。

3 長尾水渠泥沙淤積問題分析

3．1 入庫泥沙特性分析

天然情況下，沙灣水電站入庫懸移質(zhì)泥沙年輸沙量為3910萬t，推移質(zhì)泥沙年輸沙量為78．5萬t。暫不考慮雙江口水電站的攔沙作用，其上游瀑布溝水電站水庫具有季調(diào)節(jié)能力，泥沙出庫率為13．1%，出庫含沙量為0．115kg/m3，水庫運(yùn)用100a時(shí)，泥沙出庫率為13．7%，出庫含 沙量 為0．121kg/m3。

瀑布溝水電站建成后較長時(shí)間內(nèi)下泄的泥沙主要為顆粒較細(xì)的沖泄質(zhì)，水流處于次飽和狀態(tài)，沒有推移質(zhì)泥沙出庫，沙灣與瀑布溝水電站區(qū)間內(nèi)的推移質(zhì)沙量大約為 60．4萬 t(合30．2萬m3)，經(jīng)過龔嘴和銅街子水電站水庫攔蓄后，進(jìn)入本工程庫區(qū)的泥沙主要以細(xì)顆粒懸移質(zhì)泥沙為主，多年平均入庫懸移質(zhì)泥沙輸沙量為1170萬t(合836萬m3)，沒有推移質(zhì)泥沙入庫，水庫懸移質(zhì)泥沙顆粒的分界粒徑dk=0．15～0．4mm，沖泄質(zhì)約占90%以上。

3．2 尾水渠泥沙淤積程度計(jì)算

設(shè)計(jì)要求，當(dāng)工程遭遇大流量時(shí)，尾水渠將參與行洪。由此而可能出現(xiàn)的問題包括:不同年份(豐、中、枯三個(gè)典型年)進(jìn)入渠道的泥沙量有多少、泥沙沿程淤積形態(tài)、渠道淤沙級配組成情況及泥沙淤積對尾水渠運(yùn)行影響分析。

由于沙灣水電站為日調(diào)節(jié)電站，無任何調(diào)蓄能力，當(dāng)上游來水大于5000m3/s時(shí)，全閘開啟，大排大泄，故以入庫泥沙特性作為尾水渠淤積計(jì)算的依據(jù)。

根據(jù)四川大學(xué)高速水力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的CRS—1和CRS—3河流泥沙數(shù)學(xué)模型對尾水河段、尾水渠道水流泥沙進(jìn)行模擬計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如下:

(1)豐、中、枯三個(gè)典型年入渠沙量分別為:3490 萬 t、1920 萬 t、1505 萬 t。

(2)泥沙淤積對尾水渠運(yùn)行影響分析。

泥沙沿程淤積形態(tài)(20a)見圖1。由圖1可知，最大淤積厚度為0．75m，泥沙淤積平衡后的渠道底坡坡比為1∶30300。沙灣水電站尾水渠泥沙淤積20a(中+豐+中+枯+中循環(huán)4次)泥沙淤積基本平衡，在引用發(fā)電流量下，電站尾水位升高0．09m，即發(fā)電水頭減少0．09m，因此，尾水渠泥沙淤積對電站發(fā)電水頭存在一定影響。

3．3 沙灣水電站尾水渠淤積量的測量及分析

為掌握沙灣水電站自運(yùn)行以來尾水渠內(nèi)的泥沙淤積情況，公司于2010年11月24日組織人員沿尾水渠下游至上游逐段對尾水渠斷面淤積情況進(jìn)行了勘察，采用水下測量法進(jìn)行了測量(表1)。

根據(jù)沙灣水電站發(fā)電部《關(guān)于尾水渠淤積量測量情況報(bào)告結(jié)果》與尾水渠施工設(shè)計(jì)實(shí)際情況，筆者做了以下分析:

圖1 沙灣水電站尾水渠泥沙沿程淤積形態(tài)(20a)圖

表1 沙灣水電站長尾水渠淤積厚度表

(1)從水面高程進(jìn)行分析。水面高程不是按一定坡比向下順降，而是在尾水渠出口高程存在升高現(xiàn)象，分析其原因是該處設(shè)置的攔沙坎和渠底淤積物對水流產(chǎn)生阻礙導(dǎo)致，局部抬高了水位。

(2)從各斷面水深數(shù)據(jù)分析。深度基本一致，但在尾水渠出口有突降，應(yīng)與該處擋沙坎和地方傾倒廢料堵塞河道有關(guān)。尾8+155．00處的水深與渠底高程變化有差異，應(yīng)與前期地方船只私自進(jìn)入尾水渠內(nèi)進(jìn)行開采有關(guān)。

3．4 淤積量計(jì)算

尾水渠渠底寬度為91m，渠底淤積平緩段尾0+00至尾7+102．00平均預(yù)計(jì)厚度為18cm。

突變段尾7+102．00至尾9+015．00平均厚度為76．9cm。

則尾水渠總淤積量為:

式中 V為長尾水渠內(nèi)淤積總量;W為長尾水渠底面寬度;H1為平緩段平均淤積厚度;H2為突變段平均淤積厚度;L為平緩段長度。

V=0．18×91×7102+0．769×91×(9015-7102)=250200(m3)，即25 萬 m3。

實(shí)際情況與設(shè)計(jì)計(jì)算相比淤積問題突出，可能與測量之前上游瀑布溝水電站并未蓄水有關(guān)。

4 沙灣水電站長尾水渠河段的管理

從對9．15km長尾水渠觀察的情況看，目前尾水渠水工建筑物總體運(yùn)行正常、安全可靠，但右岸擋墻局部由于車輛碰撞而造成倒塌破損，需進(jìn)行修復(fù)。

5 結(jié)論與建議

通過對沙灣水電站的開發(fā)方式及其長尾水渠水力特點(diǎn)進(jìn)行分析，筆者得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識:

老砍頭走了，秀容月明再也撐不住，叫了聲“越秀”，就倒了下去。 越秀顧不得虛弱，將丈夫抱入山洞，手忙腳亂地給他止血。

(1)因地制宜地采用符合沙灣河段所處的地理、環(huán)境特點(diǎn)的河床式廠房加長尾渠開發(fā)方案，在技術(shù)上是可行的，在經(jīng)濟(jì)上是合理的。

(2)對類似沙灣河段的河流下游淺丘、平原地區(qū)河段水能資源的開發(fā)問題，當(dāng)采取常規(guī)開發(fā)方式開發(fā)河段水能資源因淹沒等因素受到限制或不經(jīng)濟(jì)時(shí)，采用尾水渠集中該河段水頭、增大裝機(jī)容量是一個(gè)有效的模式。

(3)受尾水渠影響，閘門下游河段水位低、流量小，閘下底流消能應(yīng)由一級增加至三級。

(4)應(yīng)在主廠房前設(shè)置兩道攔沙設(shè)施，避免推移質(zhì)泥沙通過機(jī)組流道進(jìn)入渠中，同時(shí)應(yīng)疏浚下游河道的高邊灘和心灘，以利于行洪，避免泥沙入渠。

(5)鑒于沙灣水電站尾水渠通過大量開挖河道而獲得的水頭，建議對施工棄渣和水保問題進(jìn)行專題研究。

(6)尾水渠河段在不棄水的情況下脫水，極大地影響了河床景觀及生態(tài)環(huán)境。建議今后采用長尾水渠模式開發(fā)的工程，在脫水河段應(yīng)增加生態(tài)機(jī)組或閥門，以保護(hù)原河道的生態(tài)環(huán)境。

(7)建議每年汛后對尾水渠淤積量進(jìn)行定期測量，著重安排對尾水渠末端2km范圍內(nèi)進(jìn)行定期清淤。

6 沙灣水電站長尾水渠推廣應(yīng)用的前景

(1)大型河流下游段一般都具有流量大、河谷開闊、水流散亂的特點(diǎn)。沿河耕地、人口和城鎮(zhèn)密集，工礦業(yè)發(fā)達(dá)，交通道路縱橫，若采用傳統(tǒng)水能開發(fā)方式單純依靠筑壩蓄水來獲得水頭，將受到淹沒條件的限制而變得不可行。只有采取尾水渠集中這些河段水頭的方式，才能使這些河段的水能開發(fā)由不可能變?yōu)榭赡埽刹唤?jīng)濟(jì)變?yōu)榻?jīng)濟(jì)。

(2)隨著國內(nèi)各主要河流中、上游高山河谷段的開發(fā)殆盡，沙灣水電站這種利用尾水渠集中河段水頭的開發(fā)方式很適合對下游平緩地區(qū)的水能資源開發(fā)，在具有適合的條件時(shí)有很好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。