委內(nèi)瑞拉托科瑪水電站水庫(kù)沉沙池方案比選及設(shè)置研究

張洪軍

(中科信德建設(shè)有限公司，成都，610081)

委內(nèi)瑞拉托科瑪水電站水庫(kù)多年平均輸沙量為46.63萬(wàn)t，合38萬(wàn)m3，庫(kù)沙比約為31.4。如何使水庫(kù)既保持電站日調(diào)節(jié)所需的有效庫(kù)容，又要盡可能降低電站引水水流泥沙含量，減輕水輪機(jī)泥沙磨損是電站樞紐設(shè)計(jì)中需解決的關(guān)鍵問(wèn)題[1]。本文通過(guò)工程措施，即按照不同的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行沉沙池的設(shè)置，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。

1 進(jìn)水口河水泥沙含量的選取

1.1 選取河水天然含沙量

依據(jù)可研報(bào)告壩址1960-2000年逐日流量資料，根據(jù)水沙關(guān)系推求逐日輸沙量，進(jìn)而得出逐日含沙量系列，共選取10年(1970-1979年)水沙系列為計(jì)算代表系列，進(jìn)行沉沙池設(shè)置分析計(jì)算。

從沙樣的顆粒級(jí)配成果看，懸移質(zhì)泥沙粒徑在0.01mm～5mm之間，非汛期(Q<460m3/s)D50為0.02mm左右；汛期(Q>460m3/s)D50為0.1mm左右；推移質(zhì)泥沙粒徑在0.1mm～100mm之間，D50為1mm左右。懸移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配表見(jiàn)表1、表2。

表1 非汛期懸移質(zhì)顆粒級(jí)配

表2 汛期懸移質(zhì)顆粒級(jí)配

1.2 選取水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度后進(jìn)水口含沙量

托科瑪水電站排沙底孔底高程2198m，電站進(jìn)水口底高程2211m，電站進(jìn)水口可引2211m以上表層較清水流。在6-7月份，入庫(kù)日均流量基本大于電站引水流量時(shí)，將多余水流優(yōu)先打開(kāi)排沙底孔下泄，排沙底孔將含沙量較大的底層水流排出庫(kù)外，電站進(jìn)水口引含沙量較小的表層水流發(fā)電。

水庫(kù)運(yùn)行前20年，水庫(kù)庫(kù)區(qū)泥沙沉降效率較大，取水口含沙量與水庫(kù)運(yùn)行年限差別不大。水庫(kù)運(yùn)行20年左右時(shí)，取水口處年平均含沙量約為55g/m3。水庫(kù)運(yùn)行20年后進(jìn)行大壩底孔沖沙，根據(jù)分析，水庫(kù)運(yùn)行20年后進(jìn)行電站水沙運(yùn)行調(diào)度后，基本達(dá)到?jīng)_淤平衡。因此，在采取沖沙措施后，后30年電站進(jìn)水口河水含沙量與水庫(kù)運(yùn)行20年時(shí)相同[2，3]。

2 沉沙池沉沙計(jì)算

2.1 沉沙池布置

受地形條件限制，本工程采用地下沉沙池。沿水流方向，沉沙池包括7個(gè)部分：連接隧洞、沉沙池進(jìn)口閘門(mén)室、漸變段、沉沙池及下部沖沙廊道、沉沙池出口閘門(mén)室、沖沙閥室和沖沙廊道[4，5]。

地下沉沙池布置在大壩右岸山體內(nèi)，斷面為城門(mén)洞型，下部設(shè)置沖沙廊道，采用鋼筋混凝土襯砌。

(1)原方案

沉沙標(biāo)準(zhǔn)為0.3mm，布置2條沉沙池，池長(zhǎng)185m，斷面尺寸為W×H=14m×12m。

(2)比較方案一

根據(jù)《水利水電工程沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL/T 269-2019)，水電站額定水頭890m，沖擊式機(jī)組允許過(guò)機(jī)最大粒徑為0.1mm，按照0.1mm沉沙標(biāo)準(zhǔn)，布置4條沉沙池，池長(zhǎng)185m，斷面尺寸為W×H=16m×18m。

(3)比較方案二

由于本工程屬于超高水頭，為了減少水輪機(jī)抗磨蝕，按照0.05mm沉沙標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行沉沙池設(shè)計(jì)和驗(yàn)算，此方案需布置4條沉沙池，池長(zhǎng)540m，斷面尺寸為W×H=18m×21m。

2.2 計(jì)算工況

電站運(yùn)行時(shí)，最低運(yùn)行水位2223.00m，引用流量為114.6m3/s，無(wú)超出力；正常蓄水位2233.00m，引用流量為114.6m3/s，超出力引用流量為126.06m3/s；汛期限制水位2228.00m，引用流量為114.6m3/s，無(wú)超出力。計(jì)算工況按表3確定。

表3 計(jì)算工況

2.3 采用河水天然含沙量沉沙池復(fù)核結(jié)果

沉沙標(biāo)準(zhǔn)分別按0.3mm(原方案)、0.1mm(比較方案一)和0.05mm(比較方案二)進(jìn)行驗(yàn)算。

驗(yàn)算結(jié)果表明，當(dāng)沉沙標(biāo)準(zhǔn)為0.3mm時(shí)，需要2條沉沙池，池長(zhǎng)185m，斷面尺寸W×H=14m×12m=168m2時(shí)，滿足沉沙率大于80%的沉沙要求。入池前含沙量為180g/m3，經(jīng)過(guò)沉沙池后含沙量為158g/m3，其中大于0.3mm粒徑含沙量約為4g/m3。

沉沙標(biāo)準(zhǔn)提高到0.1mm時(shí)，要滿足沉沙率大于80%的要求，則需要4條沉沙池，池長(zhǎng)185m，斷面尺寸W×H=16m×18m=288m2。入池前含沙量為180g/m3，經(jīng)過(guò)沉沙池后含沙量為146g/m3，其中大于0.1mm粒徑含沙量約為8g/m3。

沉沙標(biāo)準(zhǔn)提高到0.05mm時(shí)，要滿足沉沙率大于80%的要求，則需要4條沉沙池，池長(zhǎng)540m，斷面尺寸W×H=18m×21m=378m2。入池前含沙量為180g/m3，經(jīng)過(guò)沉沙池后含沙量為134g/m3，其中大于0.05mm粒徑含沙量約為11g/m3。

不同沉沙標(biāo)準(zhǔn)的沉沙池工程量對(duì)比情況見(jiàn)表4。

表4 不同沉沙標(biāo)準(zhǔn)的沉沙池工程量對(duì)比

根據(jù)表4分析，如果將沉沙標(biāo)準(zhǔn)從0.3mm提高到0.1mm或0.05mm，沉沙池的工程量將增加，相應(yīng)投資也將大幅度增加，比較方案一是原方案的2.2倍，比較方案二是原方案的6.2倍。

2.4 水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度后沉沙池復(fù)核結(jié)果

水庫(kù)運(yùn)行前20年，水庫(kù)庫(kù)區(qū)泥沙沉降效率較大，取水口含沙量與水庫(kù)運(yùn)行年限差別不大；水庫(kù)運(yùn)行20年左右時(shí)，取水口處年平均含沙量約為55g/m3。取水口顆粒級(jí)配采用水庫(kù)運(yùn)行20年的級(jí)配(見(jiàn)表5)。

表5 考慮水庫(kù)沉沙后取水口泥沙含量及顆粒級(jí)配

考慮水庫(kù)沉沙后，根據(jù)取水口水的含沙量和顆粒級(jí)配，分別用比較方案一和比較方案二的沉沙池長(zhǎng)度和斷面尺寸進(jìn)行沉沙效率驗(yàn)算。

(1)當(dāng)電站引水經(jīng)過(guò)沉沙池比較方案一(即沉沙粒徑0.1mm的沉沙池，沉沙池長(zhǎng)度185m，斷面尺寸W×H=16m×18m)后，入沉沙池和出沉沙池的各級(jí)配含沙量見(jiàn)表6。

表6 出入沉沙池泥沙含量及顆粒級(jí)配對(duì)比

從表6可以看出，當(dāng)考慮水庫(kù)沉沙，電站引水經(jīng)過(guò)沉沙池比較方案一出池后總的含沙量變化較大，每方水多沉了11g左右，即出沉沙池含沙量相比進(jìn)水口少了11%的沙，且粒徑小于0.05mm的沙占比較大。沉沙池沉沙效果較明顯。

(2)當(dāng)電站引水經(jīng)過(guò)沉沙池比較方案二(即沉沙粒徑0.05mm的沉沙池，沉沙池長(zhǎng)度540m，斷面尺寸W×H=18m×21m)后，入沉沙池和出沉沙池的各級(jí)配含沙量見(jiàn)表7。

表7 出入沉沙池泥沙含量及顆粒級(jí)配對(duì)比

從表7可以看出，當(dāng)考慮水庫(kù)沉沙，電站引水經(jīng)過(guò)沉沙池比較方案二出池后總的含沙量變化不大，每方水只多沉了約13.5g左右，即出沉沙池含沙量相比進(jìn)水口少了13.5%的沙。

3 結(jié)論

(1)拉托科瑪水電站為沖擊式水輪機(jī)組，額定水頭890m，已超出相關(guān)規(guī)范范圍，原方案中沉沙池規(guī)模按沉沙粒徑0.3mm設(shè)置，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)顯然太低，不能夠滿足拉托科瑪水電站水輪機(jī)過(guò)機(jī)含沙量的要求。

(2)如果將沉沙粒徑提高到0.1mm或0.05mm，則沉沙池長(zhǎng)度、斷面尺寸將增加。比較方案一在經(jīng)濟(jì)投資上增大較少的情況下沉沙池效果與比較方案二相差不大，故采取比較方案一從經(jīng)濟(jì)和沉沙效果上是較合理的。