西霞院電站機(jī)組尾水異常上升的原因分析

劉耀 陳偉 宋麗波

摘要：黃河主汛期，西霞院和小浪底水庫降水位運(yùn)行，黃河水?dāng)y沙能力劇增，西霞院電站機(jī)組全停避沙期間，機(jī)組尾水閘門室水位突然異常升高。經(jīng)過調(diào)查研究，對尾水閘門室異常來水情況逐一進(jìn)行了分析探討，根據(jù)賓漢體領(lǐng)域相關(guān)研究成果，找出了機(jī)組尾水異常上升的原因。

關(guān)鍵詞：尾水位升高;淤堵;漿河;含沙高濃度流體;賓漢體;擴(kuò)散半徑

1 西霞院工程概況

西霞院工程為小浪底水利樞紐的配套工程，位于小浪底水利樞紐下游16 km處。西霞院是小浪底的反調(diào)節(jié)水庫，正常蓄水位為134 m，死水位為131 m，總庫容為1.62億m3，淤積平衡后有效調(diào)節(jié)庫容為0.45億m3，電站總裝機(jī)容量為140 MW，首臺機(jī)組于2007年6月發(fā)電。西霞院作為具有日調(diào)節(jié)性能的反調(diào)節(jié)水庫，利用調(diào)節(jié)庫容，對小浪底因調(diào)峰引起的不均勻下泄流量進(jìn)行調(diào)蓄，保持黃河流量平穩(wěn)下泄。

2 事件背景

2020年6月14日—25日，根據(jù)黃河防總指令，黃河小浪底水庫和西霞院水庫聯(lián)合調(diào)度下泄流量由1 000 m3/s逐漸增大到4 500 m3/s，為黃河流域調(diào)水調(diào)沙拉響前奏。小浪底電廠6臺機(jī)組滿出力運(yùn)行，開啟3條排沙洞、1條孔板洞，西霞院開啟7孔泄洪閘、2條排沙洞、3條排沙底孔進(jìn)行排水排沙。2020年7月6日，小浪底水庫水位為220.66 m，西霞院水庫水位為131.24 m，小浪底排沙洞開始出沙。2020年7月23日—8月6日，小浪底水庫保持205 m高程運(yùn)行。

3 事件經(jīng)過

西霞院4臺機(jī)組于2020年7月23日上午停機(jī)避沙，機(jī)組進(jìn)口閘門全關(guān)，機(jī)組上游側(cè)流道排空，為防止尾水泥沙淤堵機(jī)組尾水閘門使閘門無法提起，需保證4臺機(jī)組尾水閘門全部打開。2020-07-24T08：00，西霞院水庫水位為130.16 m，尾水位為122.05 m，2號排沙底孔表層取樣泥沙含量最高達(dá)到562 kg/m3，由于環(huán)境限制，當(dāng)時取樣設(shè)備無法下到底層，但根據(jù)高含沙水流形態(tài)可以判斷底層含沙量應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表層含沙量。2020-07-24T08：30，西霞院機(jī)組尾水管水位上升明顯，高于尾水位2 m，現(xiàn)場工作人員立刻展開全面排查，當(dāng)時西霞院4臺機(jī)組共12扇工作閘門處于全關(guān)位置，未發(fā)現(xiàn)明顯漏水情況。初步認(rèn)為排沙底孔出沙量過大，機(jī)組尾水與下游河道落差小，再加上位于尾水正后方擋水墻的阻擋作用，一部分流體沙返回機(jī)組尾水洞方向，造成機(jī)組尾水洞淤堵。工作人員全體待命，做好搶險的設(shè)備及物資準(zhǔn)備。2020-07-24T10：00，值班人員發(fā)現(xiàn)2號排沙底孔在工作閘門全開情況下，位于水面下13 m的擋水墻處浪花逐漸趨于平靜，整個機(jī)組下側(cè)尾水充滿黏稠狀的泥沙流體。2020-07-24T12：00，4臺機(jī)組尾水管水位同時上升至127 m高程。2020-07-24T13：10，西霞院電站壩后廠房機(jī)壓配電室下游墻體開始滲水，現(xiàn)場人員分為兩組，一組人員通過防汛沙袋和防雨布建立臨時流道，將滲漏進(jìn)廠房的積水引流至95 m廊道積水井，最后使用滲漏排水泵將水抽出;另一組人員分別往4個機(jī)組尾水閘門室安放2臺100 m3/h的潛水泵，將積水抽至下游河道，以降低機(jī)組尾水閘門室水位。2020-07-24T14：40，機(jī)組尾水閘門室水位低于127 m高程，廠房停止漏水。2020-07-24T14：00，2號排沙底孔出水口翻涌浪花逐漸出現(xiàn)。2020-07-24T22：00，機(jī)組尾水閘門室水位不再升高。

4 尾水閘門室水位升高的原因分析

為了找出此次西霞院電站機(jī)組尾水閘門室水位突然異常上升的原因，確保電站水工建筑物、金結(jié)設(shè)備、發(fā)電設(shè)備安全運(yùn)行，筆者結(jié)合多年工程管理經(jīng)驗(yàn)，做出以下分析。

4.1? ? 異常來水原因分析一

機(jī)組尾水閘門室水位突然異常上升，與兩個方面原因密切相關(guān)：一是機(jī)組尾水出口淤堵，尾閘室內(nèi)積水過流不暢，造成機(jī)組尾水閘門淤堵，異常來水進(jìn)入尾水閘門室后不能流到下游河道，使尾水閘門室水位不斷抬高。二是有異常來水，但其疑點(diǎn)較多。高含沙時期，機(jī)組進(jìn)口工作閘門底坎處容易堆積大量泥沙，進(jìn)口工作閘門關(guān)閉不嚴(yán)造成漏水的可能性很大。但是西霞院機(jī)組提前停機(jī)避沙，在泥沙含量達(dá)到20 kg/m3時就提前依次停機(jī)，過機(jī)含沙量并不高，且機(jī)組停機(jī)后立即全關(guān)機(jī)組工作閘門。閘門全關(guān)到位后再反復(fù)小開度開關(guān)幾次，確保閘門與底坎之間無泥沙等異物。但是，4臺機(jī)組尾水閘門室水位突然同時升高，且水位高度一致，這說明機(jī)組工作閘門即使有漏水，也不是此次異常來水的主要原因，因?yàn)?臺機(jī)組進(jìn)口閘門滲漏量不會完全一樣，最終尾水閘門室水位也會有高有低。前段時間的電站值班記錄顯示，2020年7月7日—13日，西霞院4臺機(jī)組停機(jī)避沙，7號機(jī)和9號機(jī)進(jìn)口閘門和尾水閘門均保持全關(guān)，經(jīng)過6天時間，7號機(jī)和9號機(jī)尾水閘門室水位并未見明顯升高，因此判斷進(jìn)口閘門漏水導(dǎo)致尾閘室水位上升的可能性較小。

4.2? ? 異常來水原因分析二

根據(jù)常理，水往低處流，考慮到大壩壩體漏水的情況，工作人員查看常年監(jiān)測數(shù)據(jù)，并未發(fā)現(xiàn)異常趨勢，西霞院庫水位已在2020年7月8日降至130 m高程運(yùn)行，即使?jié)B漏量突然增大，也不會在幾個小時后突然自行停止?jié)B漏并恢復(fù)正常狀態(tài)，因此壩體漏水導(dǎo)致尾閘室水位上升的可能性較小。

4.3? ? 異常來水原因分析三

當(dāng)天西霞院2號排沙底孔突然改變流態(tài)，呈現(xiàn)“漿河”現(xiàn)象，且時間上與機(jī)組尾水閘門室水位上升高度重合。當(dāng)時尾水位高程為123 m，但是機(jī)組尾水閘門室水位卻最高升高至127.7 m高程處。查閱電站的施工設(shè)計資料后，得知4臺機(jī)組尾水洞平行布置，間隔2 m，在2臺機(jī)組之間布置1條排沙底孔，根據(jù)沙重水輕的原理排減機(jī)組進(jìn)口閘門下方的泥沙，防止泥沙進(jìn)入水輪發(fā)電機(jī)組流道，保證機(jī)組安全。排沙底孔直徑5 m，進(jìn)口底坎位于106 m高程，機(jī)組進(jìn)口底坎位于114 m高程，但流道出口都布置在同一橫截面，并處于同一水平面的99.48 m高程處。機(jī)組尾管水出口為喇叭形狀，前小后大，最后出水口直徑為7.81 m。電站設(shè)計時，為防止機(jī)組及排沙底孔出水沖刷下游河道基礎(chǔ)，造成水工建筑物存在安全隱患，建造了消力塘對水流進(jìn)行消能，消力塘底部在距離出水口71.7 m處開始逐漸抬高，經(jīng)過60 m距離逐級提高到108 m高程形成擋水墻消能，擋水墻高達(dá)到8.52 m，在平時清水下泄情況下，擋水墻起到了良好的消能作用，保證了水工建筑物的安全。

但是，2020年7月24日，西霞院庫水位為130.2 m高程，尾水位高程為123 m，機(jī)組已停機(jī)避沙，尾水閘門保持全開，3條排沙底孔全開，當(dāng)高含沙泥流經(jīng)過時，上下游水面落差只有7 m，在擋水墻的阻擋作用下，2號排沙底孔出現(xiàn)了一段時間明顯的斷流、緩流現(xiàn)象，此為黃河特有的“漿河”現(xiàn)象。由于泥沙淤堵，水流無法及時宣泄到下游，在水庫上游至流道底部0.3 MPa壓力作用下，由于反滲作用通過機(jī)組喇叭形出水口倒流回機(jī)組側(cè)，機(jī)組蝸殼整體封閉，只有機(jī)組尾水閘門還有空間，造成機(jī)組尾水閘門室內(nèi)水位緩慢升高，當(dāng)升到127.6 m高程時，積水順著閘門尾水沖淤平壓系統(tǒng)電纜管道流入廠房，這導(dǎo)致電站機(jī)組尾水異常上升的可能性較大。

4.4? ? 理論依據(jù)

研究表明，含沙高濃度流體具有明顯的賓漢體特性，流變方程一般符合賓漢提出的切應(yīng)力方程[1]：

含沙高濃度流體的流動，類似牛頓流體，也存在著層流、層流向紊流過度、紊流等流態(tài)。在天然河流中，當(dāng)含沙量超過某一數(shù)值，而流速減小到一定數(shù)值時，整個流體有可能已不能保持流動狀態(tài)，就地停滯不前，產(chǎn)生“漿河”現(xiàn)象，但上游繼續(xù)向下輸送流體，使進(jìn)口斷面流體勢能增大，達(dá)到一定數(shù)值后又恢復(fù)流動，這種停滯-流動-停滯-流動的往復(fù)循環(huán)，就是含沙高濃度流體的間歇流。

近年來，注漿工藝日趨成熟，軟黏土層注漿處理在現(xiàn)代道路工程中得到了廣泛應(yīng)用，其原理是在軟黏土層施加一定壓力的濃度較大的水泥漿擠出軟土層中的部分水體，從而固化軟黏土。楊秀竹推導(dǎo)出了賓漢體漿液在砂土中進(jìn)行滲透注漿時，有效擴(kuò)散半徑的計算公式[2]：

式中：Δp為注漿處水頭與注漿壓力差;l1為有效擴(kuò)散半徑;?為孔隙度;l0為注漿孔半徑;t為注漿時間;K為滲透系數(shù);β、λ為流變參數(shù)，可根據(jù)賓漢模型公式求出。

通過上式，可以計算出方程中的有效擴(kuò)散半徑l1。

周逸通過室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬計算得出，在一定漿液濃度、壓力、時間下，擴(kuò)散半徑達(dá)50～190 cm，并在施工中得到了印證[3]。西霞院機(jī)組尾水出水口與排沙底孔出水口布置在同一水平面、同一橫截面，被泥沙淤積成一個整體，完全符合注漿模型。在尾水擋水墻的作用下，泥沙折返沉積形成一個112 m×127 m×20 m的相對穩(wěn)定的軟黏土立方體，此時在排沙底孔的含沙高濃度流體繼續(xù)注入，軟黏土立方體在一段時間內(nèi)相對穩(wěn)定，內(nèi)部水體被擠出，尾水閘門室底部及機(jī)組尾水管內(nèi)被擠出的水體集中到尾水閘門室，經(jīng)過數(shù)小時積累，尾水閘門室水位不斷升高，隨著水頭升高，壓力增大，在排沙底孔進(jìn)口持續(xù)向下游輸送流體的疊加壓力下，尾水軟黏土立方體逐漸瓦解，排沙底孔緩慢恢復(fù)高速過流，尾水閘門室水位不再升高，隨著尾水軟黏土立方體消失殆盡，機(jī)組尾水閘門室水位與尾水貫通平壓，恢復(fù)正常。

5 結(jié)語

西霞院電站機(jī)組尾水閘門室水位異常升高現(xiàn)象在國內(nèi)外極少出現(xiàn)，為黃河流域水利樞紐中特有的罕見現(xiàn)象。面對這種新情況，本文深入細(xì)致地開展了調(diào)查分析研究，及時處理了此次異常事件，沒有對工程樞紐造成損失。目前，人類對黃河泥沙的認(rèn)識還在不斷探索中，應(yīng)不斷加強(qiáng)認(rèn)識和研究出現(xiàn)的新情況，掌握客觀規(guī)律，趨利避害，從而充分利用黃河為人類服務(wù)。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 楊秀竹，王星華，雷金山.賓漢體漿液擴(kuò)散半徑的研究及應(yīng)用[J].水利學(xué)報，2004，35（6）：75-79.

[3] 周逸，袁建議，張定邦，等.公路軟粘土層注漿試驗(yàn)分析及效果評價[J].湖北理工學(xué)院學(xué)報，2018，34（3）：56-61.