廟林電站首部樞紐攔河壩沖沙研究和結(jié)構(gòu)布置

(云南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院， 云南 昆明 650021)

廟林電站首部樞紐攔河壩沖沙研究和結(jié)構(gòu)布置

李曉平田輝李現(xiàn)飛

(云南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院， 云南 昆明 650021)

本文采用準(zhǔn)二維恒定非均勻流輸沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算泥沙淤積形態(tài)和庫前沖沙漏斗，根據(jù)輸沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果，提出首部樞紐攔河壩泄水建筑物的結(jié)構(gòu)布置形式和水庫調(diào)度運(yùn)行方案，成功解決了廟林電站首部樞紐沖沙泄洪、減少過機(jī)泥沙的關(guān)鍵技術(shù)問題。經(jīng)幾年的運(yùn)行觀測，攔河壩排沙效果較好，攔河壩上游均未出現(xiàn)泥沙淤積，淤積形態(tài)優(yōu)于設(shè)計(jì)預(yù)期，有效延長了水庫的使用壽命，使水庫和發(fā)電機(jī)組效益最大化。

廟林水電站； 攔河壩； 關(guān)鍵技術(shù)； 研究； 實(shí)踐

1 前 言

廟林電站位于云南省昭通市彝良縣、大關(guān)縣境內(nèi)，金沙江一級支流橫江的支流洛澤河下游河段。取水壩距彝良縣城約9.9km。取水壩正常蓄水位1815.00m，正常庫容999萬m3。

電站采用有壓引水式開發(fā)，首部樞紐的攔河壩為混凝土重力壩，最大壩高52m，總庫容1158.4萬m3。總裝機(jī)容量65MW。電站樞紐工程為Ⅲ等，電站規(guī)模為中型。

擋水建筑物的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，相應(yīng)洪峰流量2866m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇，相應(yīng)洪峰流量4283m3/s。地震設(shè)防烈度為Ⅶ度。

壩址為U字形峽谷，谷底寬約50m，兩岸地形坡度較陡，依次出露灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖、長石石英砂巖。

攔河壩壩頂軸線長127m，壩身布置有泄洪、沖沙孔、溢流表孔等建筑物。電站進(jìn)水口位于大壩右岸壩段，采用側(cè)向取水。

該工程由于河道來水來沙量較大，壩軸線處兩岸地形陡峻狹窄，寬度僅為50m，在如此狹窄的地段解決泄洪排沙是廟林電站首部樞紐攔河壩結(jié)構(gòu)布置的關(guān)鍵技術(shù)問題，由于壩身需布置的孔口多達(dá)8個(gè)，在壩體的平面和空間均布滿孔口，各類孔口在平面和空間的布置上有特別的要求，兩表孔泄洪排懸移質(zhì)，三低孔泄洪排推移質(zhì)，電站進(jìn)水口、排污口及生態(tài)放水口，既要解決泄洪排沙的問題又要使大壩穩(wěn)定安全，根據(jù)泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果，采用特殊的隔孔布置方案解決庫區(qū)和庫尾的泥沙淤積及減少過機(jī)泥沙的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 廟林電站泥沙分析

廟林電站取水壩壩址處懸移質(zhì)多年平均輸沙量為336萬t(280萬m3)，推移質(zhì)為67萬t，多年平均總輸沙量為430萬t，多年平均懸移質(zhì)含沙量為1.86kg/m3。庫沙比僅為3.6，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，屬泥沙問題嚴(yán)重電站。泥沙分析主要計(jì)算內(nèi)容包括入庫沙量、淤積量、淤積形態(tài)等，采用經(jīng)驗(yàn)方法預(yù)測壩前局部沖刷漏斗的形態(tài)，為攔河壩結(jié)構(gòu)布置提供依據(jù)。

2.1 基礎(chǔ)資料情況

廟林電站鄰近站點(diǎn)：豆沙關(guān)水文站位于橫江(洛澤河和灑漁河交匯后)上，徑流面積9410km2，具有泥沙系列資料(1965—2003年)；牛街水文站位于橫江支流白水江(于豆沙關(guān)下游交匯橫江)上，徑流面積2838km2，具有泥沙系列資料(1966—2003年)。上述水文站均為國家基本水文站，資料可靠。

汛期6—9月來沙量占全年的97.5%，10月至次年5月僅占2.5%。

攔河壩死水位806.00m，死庫容522萬m3；排沙水位809.00m，相應(yīng)庫容665萬m3；正常水位815.00m，正常庫容999萬m3。

2.2 泥沙分析計(jì)算

泥沙分析采用武漢水利電力大學(xué)河流模擬教研室編制的《susbed-2》準(zhǔn)二維恒定非均勻流輸沙模型。該模型曾運(yùn)用于麻栗壩、青山嘴等大型水庫及一些中型水庫泥沙分析計(jì)算，廟林電站鄰近流域?yàn)O河上高橋電站也曾利用該模型計(jì)算泥沙淤積。

2.2.1 計(jì)算邊界條件

a.水沙資料。綜合電站資料情況，考慮按典型年法模擬廟林電站的來水來沙情況。

徑流系列采用廟林電站確定工程規(guī)模時(shí)P=50%徑流量56.1m3/s近似代替多年平均情況。來沙計(jì)算以廟林下游具有日系列的豆沙關(guān)沙量資料為基礎(chǔ)，按類比法推算出廟林電站來沙，選擇接近多年平均情況的典型年份。根據(jù)電站壩址和豆沙關(guān)多年平均分配情況，選擇豆沙關(guān)來沙總量與多年平均來沙量最為接近、同時(shí)各月來沙量分配也最為接近的年份。經(jīng)分析，選取1966年為典型年。

b.泥沙分組。根據(jù)懸沙和床沙組成情況，計(jì)算中采用非均勻沙分組計(jì)算，共分成九組：d1=0.0013～0.0044mm，d2=0.0044～0.021mm，d3=0.021～0.046mm，d4=0.046～0.1mm，d5=0.1～0.5mm，d6=0.5～5mm，d7=5～20mm，d8=20～60mm，d9>60mm。前四組計(jì)算懸移質(zhì)，后5組計(jì)算推移質(zhì)。

2.2.2 計(jì)算成果

a.沖淤平衡年限。電站取水壩正常蓄水位以下庫容999萬m3，年均來沙量298萬m3，庫沙比僅為3.6，平衡年限極短，約10年后達(dá)到?jīng)_淤平衡，目前，懸移質(zhì)輸沙率基本平衡，淤積量約762萬m3，庫區(qū)總體形態(tài)趨于穩(wěn)定。

b.淤積形態(tài)。電站達(dá)到?jīng)_淤平衡前，庫區(qū)以三角洲淤積為主。隨著三角洲推行至壩前，庫區(qū)即達(dá)到?jīng)_淤平衡，淤積形態(tài)為錐體淤積。淤積形態(tài)如圖1所示。

圖1 廟林電站取水壩縱向淤積形態(tài)圖

c.沖刷漏斗對取水口的影響估算。取大壩汛期部分時(shí)段降低水位至809.00m排沙，沖沙孔底板高程793.00m，將存在以沖沙底孔底板高程為頂點(diǎn)的沖刷漏斗。在計(jì)算沖刷漏斗時(shí)，采用經(jīng)驗(yàn)方法估算沖刷漏斗及對電站取水口的影響。經(jīng)估算，沖刷漏斗順?biāo)鞣较蚱陆?∶5，縱向長80～90m，側(cè)向邊坡1∶3。從取水口的布置情況看，縱向上距沖沙底孔10m，橫向上距沖沙底孔約13m，取水口底板高程793.00m，相應(yīng)泥沙淤積高程792.30m。因此，取水口處底板高程793.00m高于沖刷漏斗相應(yīng)處淤積高程0.7m，即取水口位置基本在沖刷漏斗范圍外，取水時(shí)能保持“門前清”。

d.水庫沖沙調(diào)度運(yùn)行方案。根據(jù)泥沙沖淤的計(jì)算成果，電站取水壩7—8月降低水位至排沙水位809.00m運(yùn)用，6月和9月若來水來沙較小，則至正常水位815.00m運(yùn)用，否則降至排沙水位809.00m運(yùn)用，其余月份則至正常水位815.00m運(yùn)用。

3 攔河壩樞紐結(jié)構(gòu)布置及確定沖沙孔和電站進(jìn)水口底板高程

依據(jù)泥沙的計(jì)算成果，從淤積形態(tài)和大壩上游沖沙漏斗的情況看，計(jì)算的沖刷漏斗為三維形態(tài)，經(jīng)估算，沖刷漏斗順?biāo)鞣较蚱陆?∶1.5，縱向長80～90m，側(cè)向邊坡1∶3。由于攔河壩距彝良縣9.9km，如庫位泥沙淤積，洪水將威脅整個(gè)縣城，因此，攔河壩結(jié)構(gòu)布置需具有強(qiáng)烈的拉沙效果，結(jié)合調(diào)洪演算，需布置總凈寬22m的溢流表孔和沖沙孔泄洪沖沙。對應(yīng)攔河壩上游的地形條件，結(jié)合淤積形態(tài)和沖沙漏斗的形成規(guī)律，把沖沙孔盡量布置在沖沙漏斗范圍內(nèi)，需排完來沙，采用表孔排泄泥沙的懸移質(zhì)，沖沙孔排泄泥沙的推移質(zhì)，沖沙孔和溢流表孔隔孔布置，一個(gè)沖沙孔布置在河道正中，溢流表孔分開布置在沖沙孔兩側(cè)，溢流表孔旁再布置沖沙孔，共計(jì)3個(gè)沖沙孔、2個(gè)溢流表孔相互隔孔布置。經(jīng)觀察，在工程運(yùn)行期間，拉沙效果較好，庫內(nèi)未出現(xiàn)泥沙淤積，庫尾的泥沙淤積也未見上翹，淤積形態(tài)略好于設(shè)計(jì)值。

電站進(jìn)水口盡量布置在沖沙漏斗以外，壩址處地形狹窄，正好利用隔孔布置的岸邊沖沙孔實(shí)現(xiàn)“門前清”，經(jīng)三年的運(yùn)行觀察，泥沙并未進(jìn)入水輪機(jī)。

混凝土重力壩壩頂長127m，壩頂寬度6m，壩體從左至右分為六個(gè)壩段。隔孔布置形成的各壩段內(nèi)分布縱、橫向基礎(chǔ)排水廊道。

溢流表孔共2孔，分別布置在第三、第四壩段，溢流單孔凈寬11m，相鄰與沖沙孔隔孔布置，溢流總凈寬22m。兩孔全開時(shí)，最大泄量為1449.35m3/s。沖沙底孔共3孔，進(jìn)口底板高程均為786.00m，單孔孔口尺寸為6m×7m，沖沙底孔全開時(shí)最大泄量為2337.51m3/s。為較好發(fā)揮拉沙效果，相鄰與溢流表孔隔孔分別布置于第三、第四、第五壩段。

三壩段上部布置一個(gè)排污孔。生態(tài)放水孔布置在第五壩段。

為減少泥沙進(jìn)入電站進(jìn)水口，改善進(jìn)口水流條件，盡量布置在沖沙漏斗以外，壩址處地形狹窄，正好利用隔孔布置靠右岸的沖沙孔，使其緊靠電站進(jìn)水口布置，實(shí)現(xiàn)“門前清”。

結(jié)合發(fā)電洞線布置和泥沙行進(jìn)規(guī)律，進(jìn)水口縱軸線與壩軸線交角為107°，進(jìn)水口最大引用流量112.2m3/s，過柵流速0.87m/s。

由于泥沙含量較大，進(jìn)水口布置時(shí)，在不影響水能指標(biāo)的情況下，為起到取水防沙的作用，需盡量抬高進(jìn)口底板高程。另外，為盡量增大調(diào)節(jié)庫容，以提高電站的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行靈活性，需盡量降低進(jìn)口底板高程?？紤]到取水流量較大、來沙量大等因素，經(jīng)泥沙淤積估算，庫區(qū)沖淤平衡后進(jìn)水口前泥沙淤積高程為792.30m，為防止推移質(zhì)泥沙進(jìn)入發(fā)電引水系統(tǒng)，在滿足取水防沙的前提下，盡可能的增大調(diào)節(jié)庫容，初步確定進(jìn)口底板高程為793.00m。

隔孔布置的溢流表孔和沖沙底孔下游消能方式的選擇對解決泄洪排沙的關(guān)鍵技術(shù)問題極為重要，它不僅影響建筑物布置的合理性，還直接影響樞紐建筑物的安全運(yùn)行和下游泥沙沖淤情況。溢流表孔和沖沙底孔及排污孔泄流出壩后，匯集進(jìn)入主河道?？紤]到各孔口出流與下游水流的銜接和排沙，出口處做成綜合調(diào)節(jié)水池，水池出口采用倒坡與主河槽相連，既調(diào)節(jié)了各孔口出流與下游水流的銜接，又使泥沙順利進(jìn)入主河槽。經(jīng)過五年觀察，下游未見泥沙淤積。廟林電站攔河壩上游立視圖如圖2所示，其平面總體布置圖如圖3所示。

圖2 廟林電站攔河壩上游立視圖

圖3 廟林電站攔河壩平面總體布置

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

針對泥沙問題而采用隔孔布置的壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行壩體強(qiáng)度、穩(wěn)定和承載能力極限狀態(tài)計(jì)算，包括壩體及壩基強(qiáng)度計(jì)算、壩體與壩基接觸面抗滑穩(wěn)定計(jì)算、壩體應(yīng)力計(jì)算和壩體上游、下游面拉應(yīng)力正常使用極限狀態(tài)計(jì)算。

荷載組合主要考慮以下各種工況組合：?基本情況組合，正常蓄水位情況(關(guān)閘)，自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥砂壓力+浪壓力；?特殊情況組合1，校核洪水位情況，自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+泥砂壓力+浪壓力；?特殊情況組合2，地震情況，自重+靜水壓力(正常蓄水位)+揚(yáng)壓力+泥砂壓力+浪壓力+Ⅶ度地震荷載。

在選擇最大壩高斷面及設(shè)置帷幕灌漿情況下，采用《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5108—1999)規(guī)定的作用效應(yīng)函數(shù)與相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度極限狀態(tài)抗力函數(shù)和抗滑穩(wěn)定抗力函數(shù)進(jìn)行以上三種情況壩體的抗滑穩(wěn)定計(jì)算和應(yīng)力分析。

經(jīng)計(jì)算，非溢流壩段和溢流壩段沿建基面的作用力均小于結(jié)構(gòu)抗力；非溢流壩和溢流壩沿建基面產(chǎn)生的最大應(yīng)力均小于壩體混凝土和基巖允許的抗壓強(qiáng)度承載力，抗滑穩(wěn)定和承載力均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

根據(jù)以上三種荷載組合，分別計(jì)算電站進(jìn)水口和沖沙孔各個(gè)壩段的抗滑穩(wěn)定分析及各個(gè)層面的壩體應(yīng)力，均滿足規(guī)范要求。

5 觀 測

水庫建成后除進(jìn)行常規(guī)觀測外，還專門對泥沙的淤積情況進(jìn)行觀測。經(jīng)五年的運(yùn)行觀測，攔河壩排沙效果較好，攔河壩上下游均未出現(xiàn)泥沙淤積，庫尾的淤積形態(tài)與建庫前相同。

6 結(jié) 語

從以上結(jié)構(gòu)布置和運(yùn)行期觀測，可以得到如下結(jié)論：

a.根據(jù)泥沙淤積形態(tài)和壩前沖沙漏斗而采取的沖沙孔與溢流表孔隔孔布置方案使攔河壩庫區(qū)內(nèi)不存在泥沙淤積問題，庫前的拉沙效果較好。

b.沖沙孔和溢流表孔聯(lián)合泄洪，下游出口處設(shè)置綜合調(diào)節(jié)水池，既調(diào)節(jié)了各孔口出流與下游水流的銜接，又使泥沙順利進(jìn)入主河槽。

經(jīng)五年觀察，下游未見泥沙淤積。

c.為解決工程的泄洪、沖沙和排污等問題，整個(gè)壩體已被各類孔洞占滿，大壩隔孔布置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算滿足規(guī)范要求，控制大壩穩(wěn)定的是溢流壩段和沖沙孔壩段。

d.為減少泥沙進(jìn)入電站進(jìn)水口，改善進(jìn)水口水流條件，電站進(jìn)水口布置在沖沙漏斗以外，利用隔孔布置的岸邊沖沙孔緊靠電站進(jìn)水口實(shí)現(xiàn)“門前清”，經(jīng)五年的運(yùn)行觀察，泥沙的推移質(zhì)并未進(jìn)入水輪機(jī)。

廟林電站工程于2006年6月開工建設(shè)，2009年9月30日大壩下閘蓄水，2012年3月完成竣工驗(yàn)收，2009年12月第一臺機(jī)組發(fā)電。到目前為止大壩已安全運(yùn)行五年。經(jīng)過五年的運(yùn)行觀測，攔河壩排沙效果較好，攔河壩上下游及庫尾均未出現(xiàn)泥沙淤積，該工程針對沖沙的大壩結(jié)構(gòu)布置是成功的，可為其他類似工程提供借鑒。

[1] 武漢水利電力學(xué)院水力學(xué)教研室.水力計(jì)算手冊[M].北京：水利出版社,1983.

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SandflushingresearchandstructurelayoutinthefirstwatercontrolbarrageofMiaolinPowerStation

LI Xiaoping, TIAN Hui, LI Xianfei

(YunnanInstituteofWaterandHydropowerEngineeringInvestigation,DesignandResearch,Kunming650021,China)

In the paper, quasi two-dimensional steady non-uniform flow sediment transfer mathematical model is adopted for calculating the sediment deposition morphology and reservoir erosion upstream funnel. The structure layout form of first water control barrage release structure and reservoir scheduling operation plan are proposed according to the calculation results of the sediment transfer mathematical model. Key technical problems in first water control project of Miaolin Power Station are solved, such as flood release and reduction of sediment passing through the turbine. The sand discharge effect of the barrage is excellent, sediment accumulation is not discovered on the upstream area of the barrage, and the sediment deposition morphology is better than the design expectation according to operation observation for several years. The service life of the reservoir is prolonged effectively, and the benefits of the reservoir and power generator set are maximized.

Miaolin Power Station; barrage; key technologies; research; practice

TV554

：B

：1005-4774(2017)09-0019-05

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.09.006