萬家寨水利樞紐排沙洞淤堵原因分析及疏通處理

吳凌丞

(黃河萬家寨水利樞紐有限公司,太原 030002)

1 工程概況

萬家寨水利樞紐位于黃河北干流上段托克托至龍口峽谷河段內(nèi)，是黃河中游梯級開發(fā)的第1級。壩址左岸為山西省偏關(guān)縣，右岸為內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗。樞紐的主要任務(wù)是供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰，同時(shí)兼有防洪、防凌作用。

電站排沙洞布置在13～17號壩段、電站進(jìn)水口左下側(cè)，共5條，由現(xiàn)澆混凝土進(jìn)口段及排沙鋼管2部分組成。排沙鋼管軸線長130 m，鋼管段直徑為2.7 m。排沙鋼管出口設(shè)在尾水平臺下部。在壩前水位952.00 m時(shí)，排沙鋼管單管泄量57.00 m3/s，管內(nèi)流速9.86 m/s。

排沙鋼管進(jìn)口段底高程為912.00 m，采用矩形孔口。為防淤堵，采用虹吸式接駝峰堰的進(jìn)口型式，從進(jìn)口912.00 m高程處經(jīng)圓弧連接上升至917.00 m。在進(jìn)口沿上游壩面設(shè)置1道進(jìn)口檢修門，底坎高程912.00 m。在壩內(nèi)下0+009.40 m處設(shè)有1道事故門，底坎高程917.00 m。出口段布置在主廠房尾水管上方，出口挑坎底高程為890.56 m，低于正常尾水位9.89 m。出口設(shè)平板工作閘門，由500 kN液壓啟閉機(jī)操作，出口檢修閘門與電站尾水檢修門共用[1-2]。

萬家寨水利樞紐入庫泥沙分為2部分：其一是頭道拐以上黃河干流來沙；其二是頭道拐至壩址區(qū)間來沙[3]。頭道拐站1955—1986年多年平均懸移質(zhì)輸沙量1.08億t，頭道拐至壩址區(qū)間多年平均懸移質(zhì)輸沙量0.41億t，合計(jì)入庫懸移質(zhì)年輸沙量為1.49億t。頭道拐站推移質(zhì)年沙量33萬t，支流紅河推移質(zhì)年沙量約60萬t，合計(jì)入庫推移質(zhì)年沙量近100萬t[4]。

2014年8月主汛排沙期間，上游水位在955.00 m左右，2號排沙洞出口工作門提至全開后，發(fā)現(xiàn)無過流現(xiàn)象。隨后保持閘門全開狀態(tài)，持續(xù)約3 d后將2號排沙工作門落至全關(guān)。判斷確認(rèn)2號排沙洞發(fā)生淤堵。

2 排沙洞淤堵情況及原因分析

2.1 淤堵情況

2014年8月發(fā)現(xiàn)2號排沙洞發(fā)生淤堵后，先后嘗試?yán)盟^壓力擠壓、通入低壓氣擾動(dòng)洞內(nèi)淤泥等方法進(jìn)行疏通[5]，但均未取得滿意效果。2015年9月組織潛水公司對2號排沙洞淤堵情況進(jìn)行了水下檢查。

檢查發(fā)現(xiàn)排沙洞上游段2號排沙洞事故閘門底坎處泥沙淤積厚度約為1.2 m，事故閘門兩側(cè)淤積厚度約為1.5 m，事故閘門往下游方向平均淤泥厚度約為1.2 m，一直延伸到排沙管拐彎處；傾斜的排沙管內(nèi)淤泥完全淤堵住的位置距水平段淤積距離約為6 m，淤堵處略有斜度。事故閘門上游側(cè)淤泥達(dá)1.5 m厚度，一直傾斜向下，距事故閘門約為9 m左右，淤泥高度距排沙管頂部20 cm左右。上游段淤堵情況如圖1所示。

圖1 2號排沙洞上游段淤堵情況圖 單位:m

檢查發(fā)現(xiàn)2號排沙洞下游段工作閘門底坎處有一層較薄淤泥，往上游淤泥逐漸變高，潛水員由工作閘門槽向上游2.5 m左右，淤泥高度距排沙管頂部高度不足以使?jié)撍畣T繼續(xù)前進(jìn)，潛水員用鋼板尺向內(nèi)測量發(fā)現(xiàn)，完全淤堵住的位置距離工作閘門槽4 m左右。下游段淤堵情況如圖2所示。

圖2 2號排沙洞下游段淤堵情況圖

2號排沙洞整體淤積情況如圖3所示，主要淤積物為淤泥，還有少量雜草，淤積方量大概為700 m3左右。

2.2 淤堵原因分析

經(jīng)對萬家寨水庫及水電站機(jī)組、排沙洞等過流設(shè)施多年運(yùn)行資料[6-8]比對分析，發(fā)現(xiàn)可能存在以下原因?qū)е屡派扯窗l(fā)生淤堵：

(1) 2013年主汛期近壩區(qū)域排沙效果不佳，形成淤積

2013年8—9月上游實(shí)際來水比較均勻，平均庫水位955.72 m，期間頭道拐來沙2 609.4萬t，萬家寨水利樞紐出庫沙量4 795.6萬t。汛后最大庫容比汛前增加0.143億m3。

但壩前4 km范圍內(nèi)沖刷效果欠佳，發(fā)生泥沙淤積，汛后實(shí)測壩前淤積高程為920.00 m，比排沙洞進(jìn)口檢修門底坎高程912.00 m高出8 m，此時(shí)排沙洞進(jìn)口處已經(jīng)形成了泥沙淤積[9]。

圖3 2號排沙洞整體淤積情況圖

(2) 2014年凌汛期排沙洞未泄水排沙，導(dǎo)致壩前泥沙板結(jié)

2014年黃河封河槽蓄水增量釋放早且均勻，致凌峰較小。同時(shí)，為保證山西引黃工程[11]用水，萬家寨庫水位僅降至960.00 m左右，未達(dá)到排沙運(yùn)用正常運(yùn)行最高水位957.00 m，故2014年度凌汛期萬家寨水電站排沙洞沒有進(jìn)行泄水排沙。

由于此次凌汛期排沙洞沒有運(yùn)行，自2013年主汛排沙至下個(gè)排沙運(yùn)行周期時(shí)間將達(dá)到12個(gè)月，期間只有發(fā)電機(jī)組運(yùn)行取水，對壩前區(qū)域淤積的泥沙產(chǎn)生擾動(dòng)有限，導(dǎo)致該區(qū)域泥沙板結(jié)，流動(dòng)性變差[12]。

(3) 排沙洞運(yùn)行方式有待優(yōu)化

排沙洞原運(yùn)行方式閘門操作均按設(shè)計(jì)運(yùn)行方式進(jìn)行，即啟門操作過程為：先靜水提進(jìn)口事故門至全開后，再動(dòng)水提出口工作門。閉門操作過程為：先動(dòng)水將出口工作門落至全關(guān)后，再靜水將進(jìn)口事故門落至全關(guān)，然后再將出口工作門提到全開，以期排除鋼管內(nèi)部分泥水，最后將出口工作門落至全關(guān)。執(zhí)行落門程序時(shí)，出口工作門動(dòng)水關(guān)閉后，排沙鋼管內(nèi)高含沙水流會突然停滯，所挾泥沙在靜水中迅速沉淀，進(jìn)口事故門關(guān)閉后，再打開出口工作門以期排出管內(nèi)泥沙時(shí)，由于排沙鋼管內(nèi)為靜水，不具備初始動(dòng)能，裹挾泥沙能力[13]以及對沉淀的泥沙沖刷效果十分有限，導(dǎo)致有部分泥沙沉淀或堆積在管內(nèi)，不能全部排出至尾水。

(4) 進(jìn)口閘門密封不嚴(yán)存在漏水

在低水位運(yùn)行過程中，水流含沙量很大，進(jìn)口事故閘門底坎會存留淤泥，導(dǎo)致閘門落至全關(guān)時(shí)閘門底角附近存在漏水縫隙，加上閘門水封在啟閉過程中也會發(fā)生擠壓變形和破損，存在封水不嚴(yán)的情況。夾沙水流漏進(jìn)排沙鋼管，水流在管內(nèi)積存淤泥的阻滯作用下流速緩慢，裹挾的泥沙逐漸沉淀淤積，導(dǎo)致排沙鋼管內(nèi)過水通道日漸窄小，最終整條排沙鋼管發(fā)生淤堵。

3 排沙鋼管淤堵水下疏通

通過水下檢查明確了排沙鋼管內(nèi)泥沙淤堵情況后，決定對其分段進(jìn)行水下清理。

將2號排沙洞進(jìn)口事故門門槽底坎及該區(qū)域上下游0.5 m區(qū)域清理干凈，保證事故門能落至全關(guān)。現(xiàn)場配置潛水泵進(jìn)行事故門門槽內(nèi)抽水減壓。使水位下降并保持在918.00 m附近，以減小作用在鋼管中部淤泥上的靜水壓力，保證排沙洞下游作業(yè)安全。

在下游尾水作業(yè)平臺布設(shè)施工作業(yè)場地，開始排沙洞出口段清理。排沙洞內(nèi)出口段的淤積物采用高壓水沖泥結(jié)合吸排泥系統(tǒng)的方式清理，使用吸排泥系統(tǒng)從沖散的淤積物坡腳開始吸泥，在坡腳區(qū)域吸泥完成后拉動(dòng)吸泥管及管頭不斷向排沙洞上游前進(jìn)，通過硬質(zhì)的吸泥管道排出至下游尾水，直至清理至排沙洞中部斜坡段底部886.00 m高程處。

完成出口段的清理后轉(zhuǎn)場至壩頂，對排沙洞進(jìn)口水平段和中部斜坡段進(jìn)行清理，配置潛水泵先將頂部積水排出，待水位下降至出現(xiàn)淤積物面位置。開始進(jìn)行斜坡段淤積物清理，配置多臺潛水泵，采用清水置換淤泥的方式清理至斜坡段894.00 m高程附近。在斜坡段底部區(qū)域894.00～886.00 m之間存在一段板結(jié)嚴(yán)重的淤積層，現(xiàn)場潛水泵也因?yàn)閾P(yáng)程不夠，泥漿抽出效率下降而無法繼續(xù)清理，故決定對斜坡段底部淤積層的清理采用對接鋼管加壓擊穿板結(jié)淤泥層的方式。在板結(jié)淤泥層頂部使用多根2 m長的DN40鋼管對接推入到淤積物中，高壓潛水泵向鋼管內(nèi)注水加壓，配合推進(jìn)鋼管直到穿透板結(jié)淤泥層，然后反復(fù)上下拉拽攪動(dòng)，多次嘗試后擊穿894.00～886.00m之間的板結(jié)淤泥層，形成過水通道并將其逐步擴(kuò)大。

過水通道形成后，先后3次在排沙洞進(jìn)口事故門槽充灌清水至排沙運(yùn)用最高水位957.00 m，再開啟排沙洞出口工作門模擬過流并對鋼管內(nèi)殘留淤泥進(jìn)行沖刷，結(jié)果均顯示2號排沙洞正常過水。為確保洞內(nèi)清淤效果，打開排沙鋼管放空閥排空管內(nèi)積水后，進(jìn)入排沙洞內(nèi)檢查，發(fā)現(xiàn)鋼管內(nèi)僅管底存在薄層稀泥，排沙鋼管內(nèi)整體清淤效果良好，2號排沙洞進(jìn)口事故門以下淤堵物已全部疏通完畢。

4 結(jié) 語

萬家寨水利樞紐2號排沙洞淤堵水下疏通施工歷時(shí)3個(gè)多月，從發(fā)現(xiàn)不能過流、檢查判斷淤堵情況、嘗試自然疏通、最終確定水下清理方案并實(shí)施完成，經(jīng)歷了漫長的2 a時(shí)間，耗費(fèi)了大量的人力物力。因此，水庫泥沙問題[14-15]應(yīng)引起我們的高度重視，結(jié)合水工建筑物運(yùn)行進(jìn)行系統(tǒng)性研究。完善水情泥沙監(jiān)測系統(tǒng)、嚴(yán)格執(zhí)行汛期調(diào)度計(jì)劃方案、研究運(yùn)用渾水異重流特性排沙[16]、敞泄排沙等方式方法，提高水庫排沙效率，減少水庫泥沙淤積[17]。

合理優(yōu)化排沙洞閘門運(yùn)行方式，調(diào)整進(jìn)出口閘門關(guān)閉順序，避免出口工作門先關(guān)閉后排沙鋼管內(nèi)存水中的泥沙淤積沉淀。加強(qiáng)對閘門封水裝置的維護(hù)管理，有效阻擋滲漏水裹挾的泥沙進(jìn)入排沙鋼管。

造成排沙洞淤堵的原因是多方面的，只有充分吸取教訓(xùn)，加強(qiáng)對泥沙問題的研究，統(tǒng)籌規(guī)劃、綜合治理、運(yùn)維兼顧才能夠?qū)⒛嗌秤俜e對泄水建筑物的不利影響[18]降到最低。

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