印度蘭吉特大壩的泥沙管理

印度·Siba Prasad Sen

印度蘭吉特大壩的泥沙管理

印度·Siba Prasad Sen

印度蘭吉特河（Rangit）是提斯塔河（Teesta）的主要支流，位于東喜馬拉雅地區(qū)。蘭吉特水電站裝機(jī)60 MW，于2000年2月投入運(yùn)行。每年5～9月汛期之間，蘭吉特河輸沙量巨大，2006年，該電站發(fā)生水淹廠房事故。

蘭吉特大壩；沉積物；修復(fù)

2006年7月11日午夜時(shí)分，蘭吉特河沖向發(fā)電廠房和3臺(tái)正在滿負(fù)荷運(yùn)行的發(fā)電機(jī)的峰值流量達(dá)1 405 m3/s，含沙量為51.5 kg/m3·s-1。泥沙混合著其他雜物進(jìn)入了水輪機(jī)、冷卻水系統(tǒng)以及閥門等各部件運(yùn)行的各個(gè)部位，并造成了堵塞。

隨后機(jī)組停止發(fā)電，進(jìn)行清理。但兩日之后，即7月13日，在清理一個(gè)閥門時(shí)，忽然有水流進(jìn)入。堵塞的閥門無法關(guān)閉，之后，廠房被淹，水位到達(dá)儀器箱高度。電站在10月中旬前都無法發(fā)電，效益損失巨大，同時(shí)，水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)也遭受了巨大的損失。

圖1 蘭吉特大壩Fig.1 Rangit dam

為降低未來再次發(fā)生此類事故的可能性，對(duì)溢洪道閘門和大壩的操作流程進(jìn)行了復(fù)核，對(duì)進(jìn)水口閘門和溢洪道的操作流程進(jìn)行了修改。雖然一定程度上減小了峰值發(fā)電能力，但電站的性能和運(yùn)行都得到了極大的改善。因?yàn)闊o法減小流經(jīng)溢洪道的水流含沙量和改變其特性，因此不能完全消除每年度對(duì)溢洪道反弧段及下游消力池的損壞。

1 電站概況

蘭吉特水電站由印度國(guó)家水電公司（National Hydroelectric Power Corporation，NHPC）修建，建于蘭吉特河上，是位于東喜馬拉雅地區(qū)錫金的提斯塔河右岸的主要支流。蘭吉特河發(fā)源于達(dá)龍（Talung）冰川，在向前蜿蜒61 km后，在梅里匯入提斯塔河。蘭吉特大壩壩址處，流域排水區(qū)面積為979 km2，降雨集水區(qū)面積為712 km2，平衡區(qū)為雪線4 570 m高程以上的融雪供養(yǎng)區(qū)。整個(gè)流域高程為600～7 338 m之間。大壩上游約360 m處，蘭吉特河與另一條河——Rothangchu相匯。蘭吉特河和Rothangchu河的輸沙量都非常大，主要集中在汛期。蘭吉特大壩是一座混凝土重力壩，從壩基最深處算起，蘭吉特大壩壩高為50 m。蘭吉特大壩有3條帶閘門的溢洪道，每個(gè)溢洪道閘墩跨徑為9 m，溢洪道的總開度為39 m。溢洪道設(shè)計(jì)在水庫滿庫水位（full reservoir level，F(xiàn)RL）時(shí)的流量為2 725 m3/s。蘭吉特水庫總蓄水量為106×104m3。根據(jù)2006年汛后水庫調(diào)查，其調(diào)節(jié)庫容為98.3×104m3。蘭吉特水庫很小，有2個(gè)分支，長(zhǎng)約1 km，延伸到了蘭吉特河和Rothangchu河中。電站的進(jìn)水口位于大壩和蘭吉特河的左岸。引水隧洞長(zhǎng)3 km，設(shè)計(jì)流量為56 m3/s。引水隧洞和地面壓力鋼管末端是地面發(fā)電廠房，位于蘭吉特河岸。電站總裝機(jī)容量60MW（3×20MW），于1999年12月～2000年2月開始投入運(yùn)行。

2 水流特性

蘭吉特河70%～80%的總流量發(fā)生在汛期，即每年6～9月。若加上汛前的5月，這幾個(gè)月的流量占比可高達(dá)85%。工程設(shè)計(jì)時(shí)，預(yù)測(cè)每年平均輸沙量為269×104t，但2006～2007年的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，其實(shí)際輸沙量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)測(cè)值，約在380×104～1 728×104t之間。

每年汛期的水流量占全年總流量的70%～80%，而輸沙量則占整年的90%～98%，這為大壩和電站的運(yùn)行增加了難度。

很明顯，年沉積量和年泄流量沒有相關(guān)性，因此預(yù)測(cè)或預(yù)報(bào)汛期的泥沙流量實(shí)際是不可能的。雖然工程設(shè)計(jì)階段未預(yù)料到有如此大的輸沙量，但工程進(jìn)水口建筑物有2扇不同高程的進(jìn)水口閘門。

大壩溢洪道頂高程為620 m，下層的進(jìn)水口頂高程為621.50 m，上層的進(jìn)水口頂高程為632.50 m。汛期泄洪時(shí)，大量水和泥沙通過溢洪道，其結(jié)果是，下層的進(jìn)水口處水流泥沙含量較高。

蘭吉特河幾乎正對(duì)進(jìn)水口，將兩條河流中的大部分泥沙帶到了大壩處。由于進(jìn)水口距兩河交匯處很近，且水庫長(zhǎng)度不大，深度不大，水庫死庫容幾乎已經(jīng)被泥沙填滿，因此水庫中泥沙沉積的密度分布不均衡。

另外，每年汛期，溢洪道也承受著含沙水流的沖擊。對(duì)沉積物進(jìn)行巖石學(xué)分析表明，其中約65%的沉積物含有石英作為其主要成分。含沙水流也對(duì)水輪機(jī)各部件造成了巨大的破壞，如流道、導(dǎo)流葉片、迷宮密封、底封及其他水下部件，還堵塞了冷卻水管和冷卻水系統(tǒng)。泥沙還對(duì)溢洪道的反弧段及消力池的緩坡造成了較大損毀。

含沙水流對(duì)溢洪道和消力池的破壞主要是在斜坡段和消力池的左邊。因?yàn)镽othangchu河與蘭吉特河交匯時(shí)成銳角，因此水流和大部分泥沙由于慣性會(huì)滯留在左岸，因此，其對(duì)溢洪道造成的破壞也是非對(duì)稱的，更多的泥沙進(jìn)入了位于左岸的進(jìn)水口。含沙水流對(duì)消力池造成的破壞也非常嚴(yán)重，已經(jīng)威脅到了大壩本身的穩(wěn)定性。2006年汛前，即5月份，運(yùn)行單位對(duì)溢洪道和消力池的主要部分進(jìn)行了維修，采用了含微硅的高性能混凝土作為其表層，厚約500 mm。消力池的剩余部分在2007年初的旱季得到維修。

3 2006年7月的水淹廠房事故及其破壞情況

2006年7月11日，突發(fā)大流量洪水，且泥沙含量極高，下層的進(jìn)水口閘門無法立即關(guān)閉。洪水?dāng)y帶著原木、淤泥和垃圾通過了攔污柵，進(jìn)入引水隧洞，沉積物堵塞了沉砂池。大量沉積物和淤泥通過引水隧洞進(jìn)入發(fā)電廠房，堵塞了發(fā)電廠房?jī)?nèi)的所有設(shè)備組件，主進(jìn)水口閥門（main inlet valve，MIV）的壓力開始下降。

冷卻水系統(tǒng)被堵塞，3臺(tái)發(fā)電機(jī)組在凌晨1點(diǎn)30分被關(guān)停。此次突發(fā)含有大量雜物和原木的洪水的原因是，蘭吉特大壩上游16 km處一天然形成的堤壩突然發(fā)生了潰決。

7月13日，在打開一個(gè)堵塞的過濾器隔離閥時(shí)，水位開始上升。不到4 h，廠房?jī)?nèi)水位上升到儀器箱的高度，造成許多組件被淹，包括排水泵及其控制面板、主進(jìn)水口閥門、渦輪、定子、轉(zhuǎn)子及所有機(jī)組的勵(lì)磁板等。

8月13日，完成了整個(gè)發(fā)電廠房的清淤和排水工作。印度巴拉特重型電器有限公司（Bharat Heavy Electricals Ltd.，BHEL）也參與了廠房的恢復(fù)工作，其是機(jī)械和輔助元件的制造商?；謴?fù)工作包括清理定子、轉(zhuǎn)子和發(fā)電組件，包括對(duì)水管、定子冷卻器、軸承冷卻器進(jìn)行吹氣、清理和沖洗以及進(jìn)行壓力測(cè)試。對(duì)渦輪機(jī)，工作內(nèi)容包括調(diào)節(jié)器的恢復(fù)及更換軸密封。

印度國(guó)家水電公司負(fù)責(zé)發(fā)電廠房的工作小組幾乎連續(xù)工作了24 h，以恢復(fù)生產(chǎn)。電站的3個(gè)機(jī)組在10月18日之前全部投入運(yùn)營(yíng)。

因?yàn)榇舜问鹿?，印度?guó)家水電公司發(fā)電效益的損失約為700萬美元，其恢復(fù)和損毀修復(fù)的費(fèi)用約為100萬美元。

4 修復(fù)措施

由于諸多限制因素，河流中和（通過上下兩層進(jìn)水口進(jìn)入）引水隧洞的含有大量泥沙的水流容易對(duì)蘭吉特電站造成影響。其中關(guān)鍵的因素有水庫容量小、蘭吉特河及Rothangchu河汛期都會(huì)攜帶大量泥沙，且有時(shí)含量極高。此外，下層的進(jìn)水口與溢洪道高程接近，即幾乎和水庫底在同一水平位置，由于大部分水流由下層的進(jìn)水口進(jìn)入，因此，高密度的泥沙可輕易地進(jìn)入進(jìn)水口。高密度的泥沙還會(huì)堵塞沉砂池、冷卻水系統(tǒng)并破壞水下部件，影響電站的運(yùn)行，有時(shí)甚至導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。

為了解決這個(gè)問題，研究了許多方案，其中包括一個(gè)提議——汛期將下層的進(jìn)水口關(guān)閉。首先檢驗(yàn)了下層進(jìn)水口的水力學(xué)特性。水庫滿庫高程是639 m，上層進(jìn)水口頂高程為632.5 m。后來發(fā)現(xiàn)從上層進(jìn)水口按照設(shè)計(jì)流量引水會(huì)增加0.2～0.3 m的水頭損失。通過將滿庫水位提高0.12～0.15 m，并將流量提高到比設(shè)計(jì)流量多幾個(gè)百分點(diǎn)就可以解決這個(gè)問題。另外，水流也十分順暢。

設(shè)計(jì)師考慮到兩進(jìn)水口位于不同的高程，最終采納了如下針對(duì)進(jìn)水口和溢洪道閘門的操作流程：

（1）汛期或水流量較大期間，所有3個(gè)溢洪道閘門都打開相同高度，這樣在大壩處，更重要的是在消力池中，水和泥沙的分布是均勻的。

（2）5月1日～9月30日期間，不論河流中的泥沙量如何，都應(yīng)關(guān)閉下層進(jìn)水口閘門。

（3）由于河水流量在汛期間歇性上漲，應(yīng)關(guān)閉發(fā)電廠房并打開所有溢洪道閘門，按一系列程序泄洪沖砂。比如，6月期間，當(dāng)河水流量超過200 m3/s時(shí)進(jìn)行沖砂。不考慮河水流量，至少應(yīng)進(jìn)行一次泄洪沖砂。7月期間，河水流量超過400m3/s時(shí)進(jìn)行沖砂，若6月流量未超過這一數(shù)值，則無論流量如何，7月至少應(yīng)進(jìn)行一次泄洪沖砂。以上每種工況中，在泄洪沖砂的最后一小時(shí)，打開下層進(jìn)水口閘門，把下層進(jìn)水口附近淤積的泥沙通過溢洪道和消力池移除，打開消力池的所有閘門，然后再關(guān)閉下層進(jìn)水口。

（4）9月30日之后，下層進(jìn)水口閘門可適時(shí)打開，但10月31日之后，應(yīng)一直保持開啟，以保證峰值發(fā)電。在汛期，當(dāng)進(jìn)水口引流量為設(shè)計(jì)流量或大于設(shè)計(jì)流量的75%時(shí)，應(yīng)將上層和下層進(jìn)水口都完全打開，以使水流順暢且水頭損失最小。一直保持這種狀態(tài)，直到水流中的泥沙含量小于5 kg/m3·s-1。

（5）水流中的泥沙含量達(dá)到或大于5 kg/m3·s-1時(shí)，應(yīng)關(guān)閉下層進(jìn)水口閘門。這將導(dǎo)致額外的水頭損失。

5 洪水后的運(yùn)行情況

2007～2008年，進(jìn)行并完成了對(duì)水下部件的修理工作，這是上一年遺留下來的工作。因此，當(dāng)年的效能指數(shù)和災(zāi)難發(fā)生前幾乎一模一樣。但2008～2009年后，蘭吉特電站性態(tài)在機(jī)器可用性方面有了巨大改善。

溢洪道和消力池的破壞仍然會(huì)發(fā)生，但由于修復(fù)中使用了含有微硅粒子的高性能混凝土，大大減小了破壞程度。2010年和2012年汛期后，只需要進(jìn)行非常輕微的修復(fù)工作。非常有必要對(duì)高性能混凝土進(jìn)行進(jìn)一步研究，以制作抗沖蝕和抗氣蝕的表面。

6 結(jié)語

蘭吉特水電站所在位置有著十分充沛的水流，同時(shí)也含有大量泥沙。就發(fā)電能力而言，此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)相對(duì)保守。

然而，考慮到汛期河流中含有大量泥沙且水庫庫容很小，電站的運(yùn)行也十分困難。2006年7月，一次含有高含量泥沙的災(zāi)難性洪水對(duì)整個(gè)電站和水壩造成了嚴(yán)重破壞。工程師和技術(shù)人員團(tuán)隊(duì)付出了艱苦卓絕的努力才將電站恢復(fù)到正常發(fā)電的狀態(tài)，但是巨大的經(jīng)濟(jì)損失已經(jīng)無法挽回。

在這種情況下，制定了讓大壩和電站得以安全運(yùn)行的替代方案。與理想化的替代方案相去甚遠(yuǎn)，它是基于先進(jìn)的大壩運(yùn)行預(yù)測(cè)系統(tǒng)得出的，但由于諸多因素的限制，該方案被否決了。

隨后，對(duì)大壩和電站的運(yùn)行流程進(jìn)行了復(fù)核審查，基于大壩現(xiàn)場(chǎng)采集的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有運(yùn)行工況下采用了一套新的運(yùn)行導(dǎo)則。結(jié)果顯示，大壩的整體運(yùn)行情況有了顯著改善。對(duì)新的運(yùn)行導(dǎo)則，預(yù)期中也能應(yīng)對(duì)類似2006年7月的突發(fā)情況。

然而，溢洪道的沖蝕和氣蝕破壞現(xiàn)象仍然存在。通過使用含有微硅粒子的高性能混凝土，這一情況得到改善，但仍需進(jìn)行更深入的研究?！?/p>

Sediment management for Rangit dam in India

Siba Prasad Sen

Rangit River,a major tributary of River Teesta,in the Eastern Himalaya supplies the 60 MW Rangit Hydro Power Station which was commissioned in February 2000 by NHPC.However,the river transports a large quantity of silt with its water during the monsoon months of May to September and during an incident in 2006 the project's powerhouse was flooded.

Rangit dam;sediment;repair

TV697.1

B

1671-1092（2017）03-0067-03

2017-04-27

文獻(xiàn)來源：HYDRO REVIEW WORLDWIDE

編譯：崔弘毅

校核：許傳桂