達(dá)克曲克水電站水沙調(diào)度方式探索與實(shí)踐

陳 波，陳 濤

（1.新疆華電和田水電有限責(zé)任公司，新疆和田848000；2.新疆康普投資（集團(tuán)）有限公司，新疆烏魯木齊，830002）

1 概 況

1.1 水電站基本情況

和田河是塔里木河三大源流之一，由上游玉龍喀什河、喀拉喀什河兩大支流組成。玉龍喀什河水能資源較豐富，河道長(zhǎng)約124.43 km。玉龍喀什河下游的達(dá)克曲克水電站是該河“兩庫(kù)五級(jí)”開(kāi)發(fā)方案中的第四個(gè)梯級(jí)工程，壩址位于玉龍喀什河與布亞河匯合口下游29 km、S216公路里程樁為63 km處，電站裝機(jī)75 MW，承擔(dān)發(fā)電和上游玉龍喀什水利樞紐調(diào)峰發(fā)電后的反調(diào)節(jié)任務(wù)。達(dá)克曲克主電站位于壩址下游10 km處，2＃機(jī)組（35 MW）于 2015年投產(chǎn)，1＃機(jī)組（35 MW）于 2016年投產(chǎn)，生態(tài)電站 3＃、4＃機(jī)組（2×2.5 MW）位于壩后，目前在建，計(jì)劃2019年底投產(chǎn)。

達(dá)克曲克水電站區(qū)域多年平均氣溫為11.0℃，多年平均降水量為55.1 mm，多年平均蒸發(fā)能力為3 485.8 mm。壩址斷面計(jì)算多年平均徑流量為21.67億m3，多年平均流量為68.67 m3/s，水庫(kù)設(shè)計(jì)庫(kù)容為1 024萬(wàn)m3，有效庫(kù)容為260萬(wàn)m3。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，設(shè)計(jì)洪峰流量為1 640 m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn) 1 000 a一遇洪峰流量為2 501.36 m3/s。

受每年汛期氣溫升高、冰雪融水和大氣降水強(qiáng)烈沖刷侵蝕以及流域上游基本無(wú)植被等因素的影響，和田河流域表層風(fēng)化的巖石和疏松土壤被挾帶入河流，形成河流泥沙。和田河低山及山前丘陵區(qū)降水少，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，第四紀(jì)松散堆積物深厚，是主要沙源。隨著汛期到來(lái)，河流含沙量增大，6—8月輸沙量約占全年的85%。

1.2 沖刷漏斗排沙效果

沖刷漏斗參數(shù)的確定：卡拉貝利模型試驗(yàn)中2＃泄洪排沙洞高程1 750 m方案與達(dá)克曲克水電站排沙運(yùn)行方式相似，見(jiàn)表1。達(dá)克曲克水電站沖刷漏斗參數(shù)直接采用卡拉貝利模型試驗(yàn)結(jié)果，即沖刷漏斗的縱比降為1∶3，橫向坡比約為1∶3?？ɡ惱Ｐ驮囼?yàn)與達(dá)克曲克水電站排沙工況比較見(jiàn)表1。

表1 卡拉貝利模型試驗(yàn)與達(dá)克曲克水電站排沙工況比較

達(dá)克曲克水電站沖刷漏斗容積計(jì)算：開(kāi)始沖刷時(shí)，泥沙淤積高程按與導(dǎo)流兼泄洪排沙洞進(jìn)口上沿基本持平的條件計(jì)算，即沖刷漏斗頂高程為1 739.0 m，導(dǎo)流兼泄洪排沙洞前沖刷漏斗底高程為工作門底板高程1 733 m，底寬為工作門孔口寬6 m，考慮到右岸地形限制，頂寬為32 m，沖刷漏斗縱向長(zhǎng)度為18 m，可計(jì)算出沖刷漏斗容積為1 152 m3。

2 水沙調(diào)度方式的探索與實(shí)踐

達(dá)克曲克水電站采用瀝青混凝土心墻壩擋水，水庫(kù)正常蓄水位為1 776 m，壩頂高程為1 778.6 m，最大壩高為62.6 m，防浪墻頂高程為1 779.8 m，壩頂長(zhǎng)214 m。裝機(jī)容量為75 MW，聯(lián)合運(yùn)行保證出力為10.63 MW。根據(jù)自身特點(diǎn)（徑流式電站），達(dá)克曲克水電站在電力系統(tǒng)中主要是基荷運(yùn)行?？菟跒楫?dāng)年的1—5月和9—12月。

2.1 設(shè)計(jì)階段水沙調(diào)度方式

一般情況下，當(dāng)來(lái)水流量扣除生態(tài)基流后滿足主電站發(fā)電流量要求時(shí)，發(fā)電洞引水發(fā)電；當(dāng)來(lái)水流量扣除生態(tài)基流后不滿足主電站的發(fā)電流量要求時(shí)，發(fā)電洞閘門關(guān)閉。由于該工程生態(tài)基流通過(guò)導(dǎo)流兼泄洪排沙洞發(fā)電后下泄河道，因此導(dǎo)流兼泄洪排沙洞需全年開(kāi)啟，但為控制水庫(kù)水位，需控制閘門開(kāi)度。非汛期導(dǎo)流兼泄洪排沙洞閘門開(kāi)啟，按來(lái)流量扣除發(fā)電洞過(guò)流量控制開(kāi)度；汛期需按泄洪要求控制閘門開(kāi)度，當(dāng)遇洪水時(shí)，泄洪沖沙閘按其泄流能力泄洪、沖沙。在一般情況下，當(dāng)河道天然來(lái)水大于設(shè)計(jì)發(fā)電引水流量時(shí)，多余水量通過(guò)導(dǎo)流兼泄洪排沙洞下泄，表孔溢洪道全部關(guān)閉；當(dāng)遇洪水時(shí)，首先開(kāi)啟導(dǎo)流兼泄洪排沙洞閘門，當(dāng)洪峰流量超出導(dǎo)流兼泄洪排沙洞泄流能力時(shí)，開(kāi)啟表孔溢洪道，多余洪量通過(guò)表孔溢洪道下泄。達(dá)克曲克水電站所在的玉龍喀什河為多沙河流，河流含沙量在年內(nèi)變化明顯，枯水期小，洪水期大，泥沙多集中在6—8月。單獨(dú)運(yùn)行期間，為保證一定反調(diào)節(jié)庫(kù)容，根據(jù)河流水沙特性，6—8月維持死水位（1 771.0 m）沖沙運(yùn)行，非汛期（9月—次年5月）抬高水位至正常蓄水位運(yùn)行。

2015—2016年工程運(yùn)行實(shí)踐中出現(xiàn)的主要問(wèn)題：①2016年汛后檢查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)流洞兼防洪通道底板、邊墻和弧形工作門等嚴(yán)重沖蝕，特別是弧形工作門后防磨底鋼板基本破壞，初步分析主要原因?yàn)槟嗌硾_磨和鋼板防磨不足，特別是弧形工作門處于小流量開(kāi)度下泥沙沖磨加劇。②導(dǎo)流兼泄洪排沙洞洞前大量淤沙。③2016年，下游灌溉引水渠大量淤沙，影響了農(nóng)業(yè)灌溉。

2.2 水沙調(diào)度方式調(diào)整

通過(guò)調(diào)研、考察和分析研究，認(rèn)為在2015—2016年死水位的情況下，導(dǎo)流兼泄洪排沙洞有38 m的壓力水頭，導(dǎo)流兼泄洪排沙洞開(kāi)度小于2.3 m時(shí)，泥沙會(huì)加劇對(duì)閘門及建筑物的磨蝕，需要對(duì)導(dǎo)流兼泄洪排沙洞現(xiàn)狀排沙運(yùn)行方式進(jìn)行如下調(diào)整。

（1）非汛期時(shí)，導(dǎo)流兼泄洪排沙洞閘門常規(guī)處于關(guān)閉狀態(tài)，生態(tài)基流由溢洪道下泄。結(jié)合泥沙顆粒分析資料及洞內(nèi)流速分析成果，根據(jù)洞口泥沙情況，需導(dǎo)流兼泄洪排沙洞閘門開(kāi)啟間歇性沖沙時(shí)，導(dǎo)流兼泄洪排沙洞閘門控制開(kāi)度不得小于2.3 m，此時(shí)導(dǎo)流兼泄洪排沙洞下泄流量約為348 m3/s，相應(yīng)洞內(nèi)流速約為7.88 m/s，不排沙時(shí)閘門完全關(guān)閉。

（2）汛期時(shí)，導(dǎo)流兼泄洪排沙洞仍需滿足閘門最小開(kāi)度為2.3 m。根據(jù)水情測(cè)報(bào)資料，當(dāng)來(lái)流量小于導(dǎo)流兼泄洪排沙洞閘門開(kāi)度2.3 m時(shí)的泄流能力時(shí)，導(dǎo)流兼泄洪排沙洞閘門關(guān)閉，由表孔溢洪道閘門開(kāi)度控制壩前水位；當(dāng)來(lái)流量大于導(dǎo)流兼泄洪排沙洞閘門開(kāi)度2.3 m時(shí)的泄流能力時(shí)，導(dǎo)流兼泄洪排沙洞閘門按開(kāi)度2.3 m泄流，直至全部開(kāi)啟泄洪。

2017—2018年工程運(yùn)行實(shí)踐中出現(xiàn)的主要問(wèn)題及分析：①考慮到弧形工作門小流量開(kāi)度磨蝕加劇導(dǎo)致導(dǎo)流洞泄水設(shè)施損壞以及非汛期排水沙造成灌渠泥沙淤積無(wú)法引水等實(shí)際情況，經(jīng)分析研討，確定了水沙調(diào)度方案：汛期流量大于300 m3/s且滿足導(dǎo)流泄洪排沙洞弧形工作門開(kāi)度2.3 m，才允許開(kāi)啟導(dǎo)流洞泄洪弧形工作門排沙，溢洪道弧形工作門開(kāi)啟在前；非汛期導(dǎo)流泄洪設(shè)施關(guān)閉。但在實(shí)際汛期運(yùn)行中，出現(xiàn)連續(xù)多日達(dá)不到開(kāi)啟導(dǎo)流泄洪排沙運(yùn)行條件的情況，導(dǎo)流兼泄洪排沙洞泄洪排沙通道出現(xiàn)淤堵，且汛期定期工作試驗(yàn)中，導(dǎo)流兼泄洪排沙洞進(jìn)水口會(huì)隨機(jī)發(fā)生淤沙堵塞。2018年7月7日，開(kāi)啟過(guò)導(dǎo)流兼泄洪排沙洞，間隔一周未開(kāi)啟，于7月14日開(kāi)啟時(shí)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流兼泄洪排沙洞被淤堵，洞前淤積高度在導(dǎo)流兼泄洪排沙洞進(jìn)口頂以上14～20 m（檢修門前），無(wú)水流從洞口泄出，經(jīng)搶險(xiǎn)后于7月16日通水。②實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)電洞處的攔污柵泥沙淤積前后壓差超過(guò)5 m的情況，需要及時(shí)擾動(dòng)，造成大量泥沙進(jìn)入發(fā)電過(guò)水部件和設(shè)施，加劇了過(guò)水部件磨蝕。隨著發(fā)電洞淤積高度隨機(jī)增大，加上發(fā)電洞底坎平臺(tái)的存積抬高作用，極易造成攔污柵超過(guò)設(shè)計(jì)承載力，增加重大安全隱患風(fēng)險(xiǎn)。

由實(shí)測(cè)資料可知玉龍喀什河輸沙量較大，多年平均懸移質(zhì)輸沙率為341 kg/s，多年平均懸移質(zhì)輸沙量為1 075萬(wàn)t，多年平均含沙量為4.9 kg/m3。實(shí)測(cè)最大年輸沙量為3 922萬(wàn)t（1978年），月平均最大輸沙率為9 818 kg/s。平均推懸比本次設(shè)計(jì)采用15%，推移質(zhì)輸沙量為161萬(wàn)t，則玉龍喀什河多年平均輸沙量為1 236萬(wàn)t，達(dá)克曲克水電站壩址多年平均為1 075萬(wàn)t，高峰實(shí)測(cè)河流含沙量為200 kg/m3（2016年）。

根據(jù)水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算結(jié)果，水庫(kù)運(yùn)行5 a時(shí)，剩余死庫(kù)容為140萬(wàn)m3，其中溢洪道堰頂高程1 763.5 m至導(dǎo)流兼泄洪排沙洞頂高程庫(kù)容為49萬(wàn)m3，計(jì)算條件是建立在開(kāi)啟導(dǎo)流兼泄洪排沙洞前提下的，當(dāng)較長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉導(dǎo)流兼泄洪排沙洞的情況下，由于沒(méi)有泄洪排沙通道，因此汛期泥沙很容易淤積在導(dǎo)流兼泄洪排沙洞頂高程以上。根據(jù)多年平均入庫(kù)沙量分析，在僅溢洪道泄洪的情況下，6月平均10 d即可淤積至泄洪排沙洞頂高程，（7月平均僅需4 d、8月平均需5 d），造成導(dǎo)流排沙洞淤堵，影響導(dǎo)流泄洪排沙通道暢通，危及水庫(kù)安全。前述沖刷漏斗容積很小，可忽略不計(jì)。達(dá)克曲克水電站壩址月輸沙量見(jiàn)表2。

表2 壩址斷面月輸沙量 萬(wàn)t

根據(jù)達(dá)克曲克水電站多年平均流量分析，6月多年平均流量為100.01 m3/s，連續(xù)多日最大流量超過(guò)348 m3/s的概率非常小，達(dá)不到開(kāi)啟導(dǎo)流兼泄洪排沙洞的概率非常大，7—8月也存在連續(xù)多日達(dá)不到開(kāi)啟導(dǎo)流兼泄洪排沙洞的情況。達(dá)克曲克水電站壩址斷面月均流量見(jiàn)表3。

表3 壩址斷面月均流量 m3/s

2.3 汛期泄洪排沙調(diào)度運(yùn)行方式的調(diào)整

2.3.1 調(diào)整方案擬定

（1）方案一。在現(xiàn)狀泄洪排沙運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上，針對(duì)汛期導(dǎo)流兼泄洪排沙洞發(fā)生淤堵的情況，增加了一個(gè)開(kāi)啟導(dǎo)流兼泄洪排沙洞的條件，即當(dāng)洞前淤積高程達(dá)到1 739 m時(shí)開(kāi)啟導(dǎo)流兼泄洪排沙洞。該方案屬于被動(dòng)式泥沙調(diào)度方案，是在導(dǎo)流兼泄洪排沙洞將要淤堵的情況下采取的措施，導(dǎo)流兼泄洪排沙洞沒(méi)有充分發(fā)揮應(yīng)有的排沙功能。具體運(yùn)行方式：首先關(guān)閉溢洪道，使庫(kù)水位由死水位蓄至正常蓄水位，其間當(dāng)流量大于348 m3/s時(shí)，及時(shí)開(kāi)啟導(dǎo)流兼泄洪排沙洞；其次按最小開(kāi)度2.3 m開(kāi)啟導(dǎo)流兼泄洪排沙洞，使庫(kù)水位由正常蓄水位降至死水位。

根據(jù)水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算結(jié)果，水庫(kù)運(yùn)行5 a時(shí)，剩余調(diào)節(jié)庫(kù)容為97萬(wàn)m3，電站最大引水流量為92.7 m3/s，根據(jù)多年平均情況計(jì)算，6月大約需15 h可蓄至1 773 m水位，導(dǎo)流兼泄洪排沙洞下泄流量為348 m3/s，排沙約18 min可降至死水位。7—8月流量較大，以月均流量274 m3/s計(jì)算，大約需36 min可蓄至1 773 m水位，導(dǎo)流兼泄洪排沙洞以流量348 m3/s下泄，排沙約1.4 h可降至死水位。

（2）方案二。在初期蓄水排沙運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上，針對(duì)汛期導(dǎo)流兼泄洪排沙洞開(kāi)度小于2.3 m閘門運(yùn)行不安全的情況，利用部分調(diào)蓄庫(kù)容短期開(kāi)啟導(dǎo)流兼泄洪排沙洞排沙，以達(dá)到安全開(kāi)啟導(dǎo)流兼泄洪排沙洞泄洪排沙的目的。非汛期平均入庫(kù)懸移質(zhì)泥沙為60.9萬(wàn)t，推移質(zhì)為9.1萬(wàn) t，折合體積為51.9萬(wàn) m3。根據(jù)泥沙由庫(kù)尾向壩前淤積的特性，在非汛期正常蓄水位運(yùn)行的情況下，泥沙淤積推移不到壩前，非汛期可不開(kāi)啟導(dǎo)流兼泄洪排沙洞進(jìn)行排沙。

汛期導(dǎo)流兼泄洪排沙洞第一次開(kāi)啟選擇在6月1日，此時(shí)水庫(kù)進(jìn)入排沙運(yùn)行方式，排沙水位為死水位，可利用調(diào)節(jié)庫(kù)容的97萬(wàn)m3水量進(jìn)行排沙，導(dǎo)流兼泄洪排沙洞下泄流量約為348 m3/s，開(kāi)啟約47 min時(shí)水位可降至死水位。降至死水位后開(kāi)始蓄水，生態(tài)基流為6.87 m3/s，由溢洪道下泄，蓄至1 773 m水位后開(kāi)啟導(dǎo)流兼泄洪排沙洞；按最小開(kāi)度2.3 m開(kāi)啟導(dǎo)流兼泄洪排沙洞，使庫(kù)水位由正常水位降至死水位。7—8月流量較大，以月均流量274 m3/s計(jì)算，生態(tài)基流由溢洪道下泄，大約需45 min可蓄至1 773 m水位，導(dǎo)流泄洪排沙洞以348 m3/s流量下泄，歷時(shí)約1.4 h可降至死水位，一次蓄泄循環(huán)約需2 h，一天內(nèi)泄洪排沙洞開(kāi)啟約12次。

兩個(gè)方案都是利用調(diào)節(jié)庫(kù)容作為調(diào)沙庫(kù)容進(jìn)行中小洪水泥沙調(diào)度，調(diào)節(jié)庫(kù)容屬于動(dòng)態(tài)庫(kù)容，即先允許部分泥沙暫時(shí)淤積，通過(guò)降低水位排沙將先期淤積泥沙排出庫(kù)外。通過(guò)兩種方案的比較，推薦采用方案二進(jìn)行汛期泄洪排沙。

2.3.2 調(diào)整后水沙調(diào)度運(yùn)行方式

目前生態(tài)基流電站尚未建成，導(dǎo)流兼泄洪排沙洞下泄生態(tài)基流存在著不安全因素，為保證生態(tài)基流下泄，現(xiàn)狀采用通過(guò)溢洪道下泄生態(tài)基流及汛期小洪水的方式，但存在導(dǎo)流兼泄洪排沙洞淤堵的可能性。為了水庫(kù)安全運(yùn)行，利用暫時(shí)不用的反調(diào)節(jié)庫(kù)容作為調(diào)沙庫(kù)容，對(duì)水庫(kù)洪水泥沙調(diào)度進(jìn)行調(diào)整：①非汛期及汛期導(dǎo)流兼泄洪排沙洞閘門關(guān)閉期間，由溢洪道下泄生態(tài)基流；②6月庫(kù)水位為死水位時(shí)，滿足機(jī)組發(fā)電條件后，多余流量用于蓄水，水位蓄至1 773 m時(shí)，按最小開(kāi)度開(kāi)啟導(dǎo)流兼泄洪排沙洞泄洪排沙；③7—8月水位為死水位時(shí)，滿足發(fā)電條件后，多余流量用于蓄水，當(dāng)水位蓄至1 773 m時(shí)，按最小開(kāi)度開(kāi)啟導(dǎo)流兼泄洪排沙洞泄洪排沙，發(fā)生較大洪水時(shí)首先由導(dǎo)流兼泄洪排沙洞泄洪排沙，其次由溢洪道泄洪。主要問(wèn)題：汛期水沙調(diào)度操作頻繁，隨著有效庫(kù)容減小，調(diào)度工作量還會(huì)增大。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）我國(guó)許多河流特別是北方河流多為含沙量很大的河流，為了減少水庫(kù)淤積，保持水庫(kù)有效庫(kù)容，充分發(fā)揮水庫(kù)的綜合效益，水利工作者進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索和實(shí)踐。針對(duì)三門峽水庫(kù)泥沙嚴(yán)重淤積的問(wèn)題，通過(guò)水庫(kù)改建和運(yùn)行方式調(diào)整，提出了“蓄清排渾”的運(yùn)行方式，為小浪底水庫(kù)和三峽水庫(kù)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工運(yùn)行提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)［1-3］。結(jié)合達(dá)克曲克水電站泥沙嚴(yán)重淤積的特性，如何借鑒“蓄清排渾”運(yùn)行方式的成功經(jīng)驗(yàn)，徹底解決水庫(kù)泥沙嚴(yán)重淤積問(wèn)題并形成高效的操作運(yùn)行方式，是下階段水沙調(diào)度方式探索和努力的方向。

（2）應(yīng)盡快開(kāi)展泥沙觀測(cè)，隨時(shí)掌握泥沙動(dòng)態(tài)和有效庫(kù)容實(shí)際狀態(tài)，為下一步水沙調(diào)度方式的優(yōu)化、細(xì)化提供依據(jù)。同時(shí)，深入開(kāi)展排沙比與壩前水位、入/出庫(kù)流量、沙量等關(guān)系的研究。

（3）關(guān)注上游水庫(kù)開(kāi)發(fā)情況，積極開(kāi)展多庫(kù)聯(lián)合調(diào)度方式的研究。

（4）汛期水沙調(diào)度操作頻繁，隨著有效庫(kù)容縮小，水沙調(diào)度的可行性將出現(xiàn)問(wèn)題，加上生態(tài)機(jī)組將要投產(chǎn)等因素，汛期將難以滿足導(dǎo)流兼泄洪排沙洞閘門排沙的條件，不僅將面臨水沙調(diào)度方式重新調(diào)整的問(wèn)題，而且要重新評(píng)估導(dǎo)流兼泄洪排沙洞的抗磨性能。