新疆某水電站泥沙處理方案研究

李 偉

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

某水電站工程于2008年初投入運行至2009年，電站壓力前池夏季和冬季的排砂及排冰不暢，造成前池淤積和封凍、機組過流部件存在一定程度磨蝕，影響電站正常效益的發(fā)揮。為保證電站正常效益的發(fā)揮需新增工程措施解決泥沙及冰凌問題。

1 工程概況

新疆某水電站工程，是其河段規(guī)劃開發(fā)七個梯級中的第三個梯級。電站裝機容量49MW，電站工程等別為Ⅳ等小(1)型。電站設計引用流量75m3/s，電站額定水頭73.5m，保證出力13.8MW，年發(fā)電量2.739億KW·h，年利用小時數(shù)5590h，裝有2臺單機容量24.5MW混流式水輪發(fā)電機組。

該水電站工程由引水渠、壓力前池、側(cè)堰、泄水槽、排冰閘、壓力鋼管、電站廠房、尾水渠、渠系交叉建筑物等組成。引水渠長6.79km，壓力前池布置于山前傾斜平原，壓力前池承接引渠來水，后接壓力鋼管，在其左側(cè)布置側(cè)堰。為排除壓力鋼管進口處的淤積泥沙，在壓力前池設置沖沙洞，定期排除前池內(nèi)的泥沙。廠房與壓力前池布置于一直線，壓力鋼管與廠房軸線垂直。電站尾水通過尾水渠退回到河道東岸總干渠，尾水渠長3.66km。

2 工程存在的問題

該水電站兩臺機組分別于2008年3、4月投入運行。2008年6月，在電站前池攔污柵完全淤堵停機停水期間，發(fā)現(xiàn)前池積沙較多問題。

2008年8月，2號機組因主軸密封漏水停機，對機組進行蝸殼內(nèi)水下部分檢查時發(fā)現(xiàn)水輪機轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)嚴重磨蝕，轉(zhuǎn)輪上冠和頂蓋間隙已達3.6mm、轉(zhuǎn)輪下環(huán)和底環(huán)間隙最大達到21mm(設計值為1.1～1.4mm)，部分固定導葉中部出現(xiàn)深約5mm撞擊痕跡。

該工程泥沙淤積狀況見圖1、圖2。

圖1 前池淤積現(xiàn)狀

圖2 事故檢修門后淤積現(xiàn)狀

3 泥沙處理措施必要性及方案比選

3.1 淤沙情況調(diào)查分析及修建沉沙設施必要性

在總干渠渠首退水閘以及4+000m處2個地點進行了淤積物取樣，淤積物顆分成果見表1、圖3。淤積物中值粒徑為0.13mm，其中大于0.25mm的泥沙占16.85%，超過原設計值。因取樣時渠道已經(jīng)進行十余天沖沙，渠道淤積物主要為小于5mm的粉細砂，卵礫石已不多見，從前池淤積照片看，泥沙推移質(zhì)較多，最大粒徑達10cm。

表1 總干渠渠道淤積物顆粒級配成果表

圖3 總干渠渠道淤積物顆粒級配曲線圖

根據(jù)總干渠淤積物顆粒級配資料，平均d50=0.13mm;粒徑大于0.075mm的泥沙約占83%。說明渠道淤積物主要由引入的推移質(zhì)和懸移質(zhì)中的較粗顆粒泥沙組成。

通過對渠道、前池及機組流道的檢查表明:目前總干渠、引水渠以及電站前池泥沙淤積嚴重，淤積物主要來源于進入引水樞紐樞紐渠首的推移質(zhì)和懸移質(zhì)中的較粗顆粒組成。

該工程現(xiàn)狀壓力前池的排沙和排冰措施均不能有效處理入池泥沙和冰凌，造成前池的淤積及封凍，不能正常引水發(fā)電。為保證電站能按原設計發(fā)揮效益，應考慮在引水樞紐至電站壓力前池間布置二級沉砂設施。所以在引水樞紐渠首段下游布置二級沉沙池是有必要的。

3.2 泥沙處理措施方案比選

針對該水電站工程特點，工程防沙排沙的原則是:充分利用引水樞紐的攔沙排沙功能，推移質(zhì)基本不進入總干渠，根據(jù)進入渠道的泥沙含量及顆粒級配分析，在總干渠增設二次泥沙處理設施，把進入渠道的推移質(zhì)及大顆粒懸移質(zhì)泥沙攔截排除。

因總干渠渠首退水閘和總干渠4+000取樣實測的顆分結(jié)果與引水樞紐水文站實測泥沙顆分存在差異，所以排沙方案的設計以水文站泥沙資料為基礎(chǔ)設計，同時兼顧總干渠實測的顆分結(jié)果。結(jié)合工程現(xiàn)狀，根據(jù)現(xiàn)場地形，在總干渠沿線選取距天然河道較近處布設沉沙排沙建筑物。

結(jié)合本工程現(xiàn)狀、工程地形等條件，初步選擇了條渠型沉沙池方案、渦環(huán)流排沙方案、圓中環(huán)沉砂池方案、廂式周期性沖洗池方案，進行研究分析比較。

3.2.1 條渠型沉沙池方案

條渠型沉沙池建筑物結(jié)構(gòu)較為簡單，不受河水影響，主要是防滲處理及運行過程中的人為清淤問題。

根據(jù)《水利水電工程沉沙池設計規(guī)范》(SL269-2001)要求，該電站過機設計最小沉降粒徑為0.35mm，大于等于最小沉降粒徑的泥沙沉降率為80～85%。由此擬定了三個沉沙規(guī)模進行比較，其計算成果見表2。通過上表分析，方案三即可滿足規(guī)范要求。

表2 條形沉沙池方案計算成果

3.2.2 渦環(huán)流排沙方案

“渦環(huán)流排沙”建筑物是一種新型的高效節(jié)水泥沙處理設施(以下簡稱為“旋池”)，“旋池”進水渠與總干渠軸線夾角為0°，從總干渠引水至“旋池”后，洪水期發(fā)電用水經(jīng)“旋池”側(cè)堰及匯流渠道將發(fā)電用水引入下游渠道，泥沙經(jīng)“旋池”底部排沙廊道排入天然河道;非洪水期發(fā)電用水通過進水閘及匯水渠接入下游渠道。

“旋池”主要由進水渠及進水閘、進水涵洞、斜懸板、穩(wěn)流桶、“旋池”室、排沙廊道、匯水渠等組成。需經(jīng)物理模型確定有關(guān)尺度，渦環(huán)流排沙建筑物布置如圖4所示。

圖4 渦環(huán)流排沙建筑物布置圖

圓中環(huán)沉砂池在其直徑不同時排沙粒徑范圍有所不同，由此擬定了三個沉砂規(guī)模進行比較，其計算成果如表3。

表3 園中環(huán)沉沙池方案計算成果

3.2.3 圓中環(huán)沉砂池方案

“圓中環(huán)”沉沙池軸線與總干渠軸線夾角為0°，從總干渠引水至“圓中環(huán)”沉沙池，洪水期發(fā)電用水經(jīng)“圓中環(huán)”溢流側(cè)堰及周邊匯流渠道將發(fā)電用水引入下游渠道，泥沙由排沙廊道排入天然河道，沉砂池沖洗時部分發(fā)電用水通過“圓中環(huán)”溢流堰及匯水渠接入下游渠道。

“圓中環(huán)沉沙池”主要由進水渠、進水閘及進水涵洞、“圓中環(huán)”室、排沙廊道、匯水渠等組成。渦環(huán)流排沙建筑物布置如圖5所示。

圖5 渦環(huán)流排沙建筑物布置圖

3.2.4 箱式周期性沖洗池

廂式周期性沖洗池，沉沙段凈寬30m，長200m，沉沙池沖洗系統(tǒng)復雜，必須經(jīng)物理模型確定有關(guān)尺度。

3.2.5 四種沉沙處理措施方案比較分析

針對條渠型沉沙池方案、渦環(huán)流排沙方案、圓中環(huán)沉砂池方案、廂式周期性沖洗池方案各建筑物特性，從其排沙耗水量、處理排沙粒徑的范圍、排漂功能、電能效益、工程投資等方面做出比較分析，詳見表4。

表4 四種沉沙處理方案比較分析成果表

根據(jù)表4比較項目分析，主要得出以下幾點結(jié)論。

(1)排沙耗水量分析。圓中環(huán)沉沙池排沙耗水量最小，可從排沙耗水中爭取更多的電能，且排沙時可不久間斷供水發(fā)電。條渠型沉砂池及廂式周期性沖洗池需停機排沙砂，排沙耗水量相對較大。

(2)處理泥沙的粒徑范圍分析。圓中環(huán)沉砂池、條渠型沉砂池及廂式周期性 )沖洗池的的工作原理均為控制沉砂池中流速，使泥沙在沉砂池中沉積，采用水力及人工方式清除泥沙。條渠型沉砂池需采用人工清淤，可處理泥沙粒徑范圍相對較廣，但年清淤費較高。廂式周期性沖洗池采用了水力沖砂，但其耗水量大且運行管理繁瑣。圓中環(huán)沉砂池采用人工環(huán)流沖砂，處理泥沙粒徑范圍廣、耗水量小，同時運行管理方便。渦環(huán)流排沙池僅能處理特定范圍粒徑的泥沙。

(3)電能效益分析。圓中環(huán)沉砂池排沙過程中耗水量最少，在洪水期運行時從排沙耗水中爭取電能較多，渦環(huán)流排沙池次之，條渠型沉砂池及廂式周期性沖洗池沖排沙時均需停機，會導致電站在網(wǎng)上的供電質(zhì)量相對較差，且年度電能損耗最大。

(4)工程投資、運行功能分析。渦環(huán)流排沙池工程投資最小，使用過程中需引水樞紐渠首及電站壓力前池排沙設施協(xié)調(diào)調(diào)度運行。條渠型沉砂池及廂式周期性沖洗池工程投資相對較大，均需停機沖排砂，且需增加相應運行管理費。圓中環(huán)沉沙池工程投資比渦環(huán)流排沙池略高，但其較好的解決了排沙、排漂、排冰與引水發(fā)電的矛盾，圓中環(huán)沉砂池耗水量最小，同時可滿足夏季及冬季的部分排漂問題，可有效緩解現(xiàn)狀壓力前池運行壓力。

綜合分析四種沉砂池措施方案，從處理泥沙的功能上均能滿足泥沙過機要求，但圓中環(huán)沉砂池具有耗水量小、處理泥沙粒徑范圍廣、從排沙耗水中爭取的電能最多、同時可兼顧部分排漂功能，具有一專多能的特點，因而本工程二次排沙處理措施采用圓中環(huán)沉砂池方案。

4 結(jié)語

通過對常規(guī)沉砂池、特殊體型沉砂池的研究和大量計算成果分析與對比工作，最終確定了本工程二次排沙處理方案，及“圓中環(huán)”沉砂池方案。本文對四種沉砂池從排沙耗水量、排沙粒徑范圍、排漂功能、工程投資等方面進行了綜合分析和總結(jié)，積累了一些經(jīng)驗，對于此類需采取沉沙處理的引水渠道、明渠引水式電站工程起到了一定借鑒和參考作用。

本工程“園中環(huán)”沉砂池自2010年4月修建完工投入運行至今，目前運行良好，有效解決了水電站泥沙淤積及封凍問題，起到了排沙、排冰作用，為電站的正常運行發(fā)揮了作用。工程運行狀況見圖6。

圖6 園中環(huán)沉砂池完工及運行照片

［1］《圓中環(huán)水沙分離裝置》［P］.高亞平 專利號:E02B13/00;E02B3/02;B01D21/02.

［2］DL/T5107-1999.水電水利工程沉沙池設計規(guī)范［S］.

［3］DL/T5398-2007.水電站進水口設計規(guī)范［S］.