水電站水庫(kù)排沙漏斗排沙措施研究

洪振國(guó)，李建偉

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

漏斗式排沙作為一種高效、節(jié)水、經(jīng)濟(jì)的泥沙處理技術(shù)，已成功用于灌溉、發(fā)電、工業(yè)及人畜引水等諸多領(lǐng)域的泥沙處理，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益[1]。排沙漏斗的工程實(shí)踐始于1975年前蘇聯(lián)的Salakhov[2]提出的環(huán)流室，此后印度、伊朗、芬蘭等多個(gè)國(guó)家的學(xué)者進(jìn)行了排沙漏斗結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[3]， 1984年排沙漏斗首次應(yīng)用于新疆迪那河總干渠工程[4]。董年虎[5]、王廣月[6]、王英偉[7]等通過(guò)大量的水電站沖沙底孔的試驗(yàn)，提出了水電站水庫(kù)沖沙底孔排沙措施理論。但是臘寨水電站具有水頭較高，水庫(kù)含沙量較大，沖沙底孔距電站取水口較遠(yuǎn)，底孔泄流量較小等特點(diǎn)，采用目前常規(guī)沖沙底孔排沙措施是不可行的。利用導(dǎo)流洞進(jìn)口天然地形條件，在大壩上游增設(shè)丁壩，導(dǎo)流隧洞改建成泄洪沖沙洞，構(gòu)成了一個(gè)完整的排沙流漏斗。通過(guò)排沙漏斗理論計(jì)算、模型試驗(yàn)論證了排沙漏斗排沙措施的合理性。本文提出了這一種新的排沙措施，對(duì)類似水電站工程具有重要的參考價(jià)值。

1 工程概況

臘寨水電站位于云南省保山市騰沖縣與龍陵縣的界河龍江下游河段，為龍江至瑞麗江干流11個(gè)梯級(jí)開(kāi)發(fā)方案中的第9級(jí)，開(kāi)發(fā)河段為騰龍橋至弄另上游的臘寨之間。壩址位于騰龍橋水文站下游約4 km處，廠址位于壩址下游2 km。臘寨水電站開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為單一目標(biāo)。水庫(kù)壩址控制徑流面積3 672 km2，設(shè)計(jì)壩高68 m，總庫(kù)容599.6 萬(wàn)m3，電站總裝機(jī)120 MW，年發(fā)電量6.07 億kWh，年利用小時(shí)5 058 h。電站主要由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)3大部分組成[8]。其中首部樞紐由大壩和泄洪沖沙洞組成，大壩為混凝土重力壩[9]，壩頂高程1 105.0 m，建基面最低高程1 037.0 m，壩頂總長(zhǎng)度180.5 m，攔河大壩由擋水壩段、沖沙孔壩段及溢流壩段組成，大壩最大壩高68 m，壩底最大寬度54.5 m，共設(shè)9個(gè)壩段。泄洪沖沙洞布置在左岸，為壓力圓洞，洞徑8 m，總長(zhǎng)418.29 m。發(fā)電引水隧洞布置在右岸，總長(zhǎng)2 057 m，洞徑8m，進(jìn)口底板高程1 070.0 m，隧洞設(shè)計(jì)流量240.0 m3/s，底坡i為0.608%。

2 排沙漏斗結(jié)構(gòu)布置

導(dǎo)流洞進(jìn)口河床左右岸為陡崖地形條件，邊坡坡度較陡，地質(zhì)條件較好，在大壩上游195 m，導(dǎo)流洞進(jìn)口下游45 m位置增設(shè)丁壩，導(dǎo)流洞明渠段加上蓋板構(gòu)成進(jìn)口明洞段，明渠向河床延長(zhǎng)28 m，構(gòu)成明渠段。將導(dǎo)流隧洞改建而成泄洪沖沙洞，構(gòu)成了一個(gè)完整的排沙漏斗，實(shí)施水沙分離技術(shù)，一旦排沙漏斗運(yùn)行，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幾乎遍及庫(kù)河兩岸的旋流漏斗，具有與“漏斗式水沙分離器”內(nèi)的水流結(jié)構(gòu)完全相似的流動(dòng)[10]。排沙漏斗結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖1。排沙漏斗由丁壩、泄洪沖沙洞、導(dǎo)流洞進(jìn)口天然地形條件等組成。

圖1 排沙漏斗平面示意

2.1 丁 壩

在大壩上游195 m, 導(dǎo)流洞下游45 m位置增設(shè)丁壩，丁壩壩頂高程為1 078.00 m,壩長(zhǎng)54 m,壩高15 m, 壩頂寬3 m，丁壩橫斷面為梯形斷面，迎水面坡比1∶0.6，背水面壩坡比1∶0.8，外表采用40 cm厚C30鋼筋混凝土，里面采用C20素混凝土。由丁壩、泄洪沖沙洞、導(dǎo)流洞進(jìn)口天然地形條件等組成排沙漏斗，河流枯期時(shí)含沙量較少，關(guān)閉泄洪沖沙洞的工作閘門(mén)，水流泥沙沉降至排沙漏斗。汛期泥沙含量高，當(dāng)洪峰流量來(lái)臨時(shí)進(jìn)行沖沙，將淤滿排沙漏斗的泥沙排除。

3.2 泄洪沖沙洞

泄洪沖沙洞由導(dǎo)流洞明渠段加上蓋板，明渠向河床延長(zhǎng)28 m等措施改建而成，泄洪沖沙洞總長(zhǎng)402.29 m，泄洪沖沙洞進(jìn)口底板高程1 060.0 m，設(shè)計(jì)下泄流量727.0 m3/s，校核下泄流量729.3 m3/s。進(jìn)口明渠段為“U”形斷面，底寬由8 m漸變至14.57 m，擴(kuò)散角為3°，底坡i為0。進(jìn)口明洞段斷面尺寸8 m×10.67 m，方形斷面，C25鋼筋混凝土，襯砌厚度0.8 m，底坡i為0。進(jìn)口明洞段與閘井段之間采用方形隧洞連接，斷面尺寸8 m×8 m，襯砌厚度0.8 m，底坡i為0。閘井段豎井高程為1 105.0 m，底坡i為0，豎井內(nèi)設(shè)8 m×8 m平板閘門(mén)一道。閘后為漸變段，由方形8 m×8 m漸變成圓形，鋼筋混凝土襯砌，厚度0.7 m，底坡i為1/33.275。漸變段上游為洞身段，洞徑D為8.0 m，底坡i為1/33.275，鋼筋混凝土襯砌。洞身段上游為漸變段，由D為8.0 m圓形漸變?yōu)? m×7 m方形，襯砌厚度0.9 m，底坡i為1/33.275。出口閘室段為矩形斷面，底坡i為0，設(shè)7 m×7 m弧形工作閘門(mén)一道。出口閘室段前為出口擴(kuò)散段，底寬由7 m擴(kuò)散至10 m，擴(kuò)散角為9°。擴(kuò)散段緊接挑流鼻坎段，挑射角26.146°，半徑22.379 m，齒槽底板深入基巖，底寬3 m，高程1 045.00 m。末端為出口海漫段，底坡為1/50。

3 理論計(jì)算

通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)水電站水庫(kù)沖刷漏斗的原型觀測(cè)和分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)提出了大量的計(jì)算排沙漏斗的經(jīng)驗(yàn)公式或曲線關(guān)系，這種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系基本上代表了原型觀測(cè)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式一般均與流量、孔前流速有關(guān)，或者在此基礎(chǔ)上引入淤積厚度、孔前平均水深等參數(shù)。其中最有代表是夏毓常[11]等根據(jù)原第十一工程局設(shè)計(jì)隊(duì)的原型觀測(cè)資料建立的沖刷漏斗縱橫坡關(guān)系，其關(guān)系公式為：

(1)

(2)

式中：J、J′分別為排沙漏斗縱、橫向坡降；Q為孔口流量，m3/s；v為孔口流速，m/s；v0為水深1 m時(shí)漏斗床面泥沙起動(dòng)流速，m/s；z為漏斗外圍淤積厚度，m。

由于臘寨水電站排沙漏斗孔口流量Q=727 m3/s，孔口流速v=8.52 m/s，漏斗外圍淤積厚度z=25 m，經(jīng)以上沖刷漏斗縱、橫坡公式計(jì)算，排沙漏斗縱坡J=1∶2.8，橫坡J′=1∶2.3。

4 模型試驗(yàn)

4.1 模型試驗(yàn)參數(shù)

臘寨水電站水庫(kù)正常蓄水位1 102.5 m，設(shè)計(jì)洪水位1 103.42 m，校核洪水1 103.67 m，泄洪沖沙洞進(jìn)口底板高程1 060.0 m，設(shè)計(jì)下泄流量727.0 m3/s，校核下泄流量729.3 m3/s。水電站水庫(kù)的多年平均懸移質(zhì)輸沙量為227 萬(wàn)t，多年平均推移質(zhì)輸沙量為45.5 萬(wàn)t，多年平均懸移質(zhì)含沙量為0.454 kg/m3。

4.2 模型設(shè)計(jì)

水電站樞紐泥沙模型試驗(yàn)河床段屬于山區(qū)河道，邊界條件極為復(fù)雜，水流受邊界條件影響較大，因此模型除滿足水流運(yùn)動(dòng)和幾何相似外，保證泥沙運(yùn)動(dòng)相似是極為重要的。按水工模型試驗(yàn)規(guī)程相關(guān)研究?jī)?nèi)容的規(guī)定以及泥沙模型的要求，水工泥沙整體模型宜采用正態(tài)?？紤]到水庫(kù)泥沙淤積的特點(diǎn)，以及動(dòng)床模型所要解決的電站取水排沙問(wèn)題主要是推移質(zhì)泥沙，對(duì)多種模型沙的計(jì)算比較及以往的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，為使模型滿足泥沙運(yùn)動(dòng)相似，模型模擬懸移質(zhì)泥沙采用白礬石。模型使用白礬石與設(shè)計(jì)沙樣基本相當(dāng)，能夠滿足相似要求。對(duì)沖刷漏斗而言，非汛期攔沙、泥沙淤積模型滿足沉降相似，即淤積相似。汛期排沙，淤積物受到?jīng)_刷，滿足揚(yáng)動(dòng)相似，因此模型滿足排沙漏斗的相似要求。本模型試驗(yàn)各項(xiàng)相似比尺見(jiàn)表1。

表1 模型試驗(yàn)各項(xiàng)相似比尺

臘寨水電站水工、泥沙整體模型按模型設(shè)計(jì)的要求制作。模擬庫(kù)段自電站大壩上游約3 600 m起至大壩下游約1 000 m止，實(shí)際模擬河段全長(zhǎng)約4.6 km。模型共布設(shè)有67個(gè)斷面。參考上、下游校核水位情況，上游地形制作高程為1 110 m，下游為1 075 m。模型配有獨(dú)立運(yùn)行的動(dòng)力設(shè)備及流量控制設(shè)備，可較方便地模擬電站的不同運(yùn)行工況。電站、溢流壩及泄洪沖沙洞等水工結(jié)構(gòu)部分，采用全有機(jī)玻璃材料制作。圖2是試驗(yàn)前模型布置圖。圖2中壩頂、上游坡面鋪設(shè)紅磚為丁壩，丁壩上游左岸布置泄洪沖沙洞，丁壩下游右岸布置進(jìn)水口，進(jìn)水口臨近大壩。

圖2 試驗(yàn)前模型布置

4.3 試驗(yàn)成果

模型試驗(yàn)結(jié)束后，待庫(kù)內(nèi)水體排后對(duì)水庫(kù)淤積，尤其是泄洪沖沙洞進(jìn)口位置排沙漏斗地形，采用全站儀進(jìn)行詳細(xì)精密觀測(cè)。為分析排沙漏斗對(duì)電站取水口的保護(hù)情況，主要分析了在壩面位置漏斗橫向變化及順?biāo)飨虻目v坡變化。在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位中，正常蓄水位水深最小，泄洪沖沙洞過(guò)流最少，相應(yīng)底孔流速最小，形成的沖刷漏斗坡度最陡，所以正常蓄水位為控制工況，正常蓄水位時(shí)試驗(yàn)后河床淤積情況見(jiàn)圖3，沖刷漏斗縱剖面見(jiàn)圖4，坐標(biāo)零點(diǎn)為泄洪沖沙洞進(jìn)口位置，上游為正，下游為負(fù)。沖刷漏斗橫剖面見(jiàn)圖5，坐標(biāo)零點(diǎn)為泄洪沖沙洞軸線位置，左岸為負(fù)，右岸為正。

圖3 試驗(yàn)后河床淤積情況

圖4 沖刷漏斗縱剖面

圖5 沖刷漏斗橫剖面

從圖3～圖5可知：①由于臘寨水電站在運(yùn)行水位較高，水庫(kù)水面相對(duì)較寬，排沙漏斗地形相對(duì)開(kāi)闊，排沙漏斗得至較充分發(fā)展，排沙漏斗縱坡1∶2.4，縱坡相對(duì)較緩形態(tài)較為規(guī)則。②導(dǎo)流洞明渠加蓋并延長(zhǎng)，排沙底孔位于水庫(kù)河床中心，孔前水深較大，左右岸橫坡1∶2.2，漏斗橫向基本對(duì)稱，但是漏斗橫向形態(tài)受到兩側(cè)邊坡的影響，橫向坡度比縱向漏斗坡度陡。③排沙漏斗頂部高程為1 076 m，丁壩頂高程1 078 m，丁壩頂部高程大于排沙漏斗頂部高程，丁壩有效地切斷上游泥沙，因此丁壩設(shè)計(jì)是合理的。④利用導(dǎo)流洞進(jìn)口所在天然地形條件，大壩上游增設(shè)丁壩，導(dǎo)流隧洞改建成泄洪沖沙洞，構(gòu)成了一個(gè)完整的排沙流漏斗后，丁壩布置將上游河床水沙因子直接導(dǎo)向豎軸旋渦的外切線方向，河床上形成直徑約為92 m排沙漏斗，貫穿于庫(kù)河兩岸，床面泥沙會(huì)沿丁壩方向豎軸旋渦區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，位于左、右岸內(nèi)的泥沙運(yùn)行通道被切斷，泥沙被直接導(dǎo)入漏斗內(nèi)，并通過(guò)泄洪沖沙洞排放至大壩下游，確保進(jìn)水口達(dá)到“門(mén)前清”，有效地保證電站正常發(fā)電。

4.4 模型驗(yàn)證情況

水庫(kù)沖刷漏斗的坡度形成是一個(gè)多種因素綜合作用結(jié)果，包括入庫(kù)水流條件、入庫(kù)泥沙量及級(jí)配、泥沙粒徑及淤積量、庫(kù)區(qū)地形地貌、樞紐泄流規(guī)模及布置高程和位置等。因此，每一個(gè)水庫(kù)的沖刷漏斗的坡度都不可能與另一個(gè)水庫(kù)完全相同。但是，可以通過(guò)大量水庫(kù)實(shí)測(cè)資料的對(duì)比分析，對(duì)臘寨水電站水庫(kù)沖刷漏斗模型進(jìn)行驗(yàn)證。

表2為小華山、巴家咀、澮河、汾河、三門(mén)峽、鹽鍋峽等8個(gè)水庫(kù)觀測(cè)得到11個(gè)沖刷漏斗的實(shí)測(cè)資料。由表2可知：①深孔流量為0.25～1 041 m3/s，泄水孔流速為0.57～10.4 m/s，中值粒徑為0.012～0.06 mm，孔前水深為12～39.7 m，孔前淤積厚度為1.6～27 m，沖刷漏斗縱坡為1∶36～1∶3，橫坡為1∶6.7～1∶1.2。臘寨水電站水庫(kù)泄洪沖沙洞前流量727 m3/s、泄水流速8.52 m/s，孔前淤積厚度25 m，沖刷漏斗縱坡1∶2.4，橫坡1∶2.2等指標(biāo)均基本處于表2的11個(gè)漏斗資料范圍內(nèi)，所以驗(yàn)證臘寨水電站水庫(kù)沖刷漏斗模型試驗(yàn)所得漏斗縱、橫坡是合理的。

表2 沖刷漏斗實(shí)測(cè)資料

5 結(jié) 論

臘寨水電站水庫(kù)利用導(dǎo)流洞進(jìn)口天然地形條件，在大壩上游增設(shè)丁壩，導(dǎo)流隧洞改建成泄洪沖沙洞，構(gòu)成了一個(gè)完整的排沙流漏斗，排沙漏斗貫穿于庫(kù)河兩岸，床面泥沙會(huì)沿丁壩方向豎軸旋渦區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，左右岸內(nèi)的泥沙運(yùn)行通道被切斷，泥沙被直接導(dǎo)入漏斗內(nèi)，并通過(guò)導(dǎo)流洞排放于大壩下游，確保進(jìn)水口達(dá)到“門(mén)前清”，有效地保證電站正常發(fā)電，因此排沙漏斗排沙措施是合理的。這種排沙漏斗排沙措施為水電站防沙提供新思路，將來(lái)可在灌溉、發(fā)電、工業(yè)及人畜引水等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。