阿爾塔什發(fā)電洞“門前清”排沙洞運(yùn)行方式研究

王青賢，朱浩天，陶文杰

(1.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000;2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350)

水利工程通常建設(shè)在山川河流之上，可為人類社會(huì)帶來灌溉、發(fā)電、防洪等直接或間接的效益。然而，大壩、水庫(kù)通常建設(shè)在河流之上，會(huì)不同程度地加深河流水深，并抬高水位，進(jìn)而導(dǎo)致河流水流流速和水面比降沿河道方向逐漸減小，水流挾沙運(yùn)動(dòng)的能力也因此減弱，最終，泥沙更易堆積在河道內(nèi)，而不是被水流帶走。

在攔河壩前水庫(kù)區(qū)域，通常更易發(fā)生泥沙淤積，堆積的泥沙將會(huì)危害水利樞紐的正常運(yùn)行，其危害亦體現(xiàn)在很多方面。其中最直接危害是減少水庫(kù)的庫(kù)容量，堆積在水庫(kù)底部的泥沙，占用了相當(dāng)一部分的水庫(kù)庫(kù)容，進(jìn)而影響水庫(kù)的發(fā)電、灌溉、防洪和蓄洪的效益，縮短水庫(kù)的運(yùn)行壽命；此外，若過量粗粒泥沙經(jīng)進(jìn)水口通過水電站的水輪機(jī)，會(huì)造成水輪機(jī)相應(yīng)部件的損壞和侵蝕，帶來安全隱患。因此，布置合理高效的防沙排沙設(shè)施顯得格外必要。

河道會(huì)在攔河大壩的修建后發(fā)生一系列的變化，使得泥沙更易淤積，淤積的泥沙為水庫(kù)的正常運(yùn)行帶來較大的安全隱患。因此，對(duì)壩前泥沙運(yùn)動(dòng)展開研究，并依據(jù)研究成果提出可行、高效的排沙減淤措施具有一定的必要性。

目前為止，處理水庫(kù)壩前淤泥的措施，主要在于降低水位甚至放空水庫(kù)后再進(jìn)行清淤操作等。這些措施往往需要在特定的條件下進(jìn)行，并且需要充分考慮與上下游水庫(kù)的聯(lián)動(dòng)關(guān)系。在工程設(shè)計(jì)上，為在保持一定的水庫(kù)庫(kù)容的同時(shí)，保證水電站引水含沙量和沙礫的粒徑滿足要求，常排沙底孔于壩底，通過該壩底排沙孔排沙。在水庫(kù)運(yùn)行過程中，發(fā)電站引水發(fā)電時(shí)，淤積的泥沙通過該排沙孔穿越過壩體而不進(jìn)入發(fā)電洞，該過程結(jié)束后，部分淤泥被排沙孔吸入，而剩余的淤泥將會(huì)以漏斗狀堆積在排沙孔前方，因此，研究該漏斗的尺寸大小和形狀特征是利用其提高排沙效率的關(guān)鍵。

目前水力學(xué)的研究手段主要有：基礎(chǔ)理論分析、對(duì)原型進(jìn)行觀測(cè)記錄、建立模型進(jìn)行試驗(yàn)、以及利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算以模擬實(shí)際情況等。因?yàn)闆_刷漏斗的形成受諸多因素影響，且其形態(tài)也多種多樣，若使用數(shù)值模擬和原型觀測(cè)的手段來研究，得出的結(jié)果在一定程度上不能直觀、準(zhǔn)確地指導(dǎo)工程建設(shè)。同時(shí)，目前國(guó)內(nèi)已有的沖刷漏斗研究亦主要以物理模型試驗(yàn)的方式進(jìn)行，得到的結(jié)果更貼近實(shí)際情況，為實(shí)際工程提供了重要依據(jù)，如三峽[1]和小浪底[2]。因此利用模型試驗(yàn)的方式，研究水庫(kù)排沙孔前沖刷漏斗的形成和形態(tài)是目前最為可行的一種方式。

1 研究背景

阿爾塔什水利樞紐平面布置如圖1所示，其工程等別為為大(1)型Ⅰ等，位于新疆葉爾羌河上游。本文為研究沖刷漏斗主要關(guān)注其發(fā)電洞和排沙孔的布置。樞紐設(shè)置1#、2#兩個(gè)發(fā)電洞，均布置于水庫(kù)的右岸，其主要作用是為水電站發(fā)電機(jī)組引入相應(yīng)流量下的水流[3]，進(jìn)口處的底板高程為1750m。樞紐設(shè)置1#深孔排沙洞，位于1#、2#發(fā)電洞之間，其主要作用是排出淤積的泥沙，以緩解泥沙進(jìn)入到發(fā)電洞的情況，其進(jìn)口處的底板高程較發(fā)電洞的低，為1715m。

圖1 樞紐布置圖

阿爾塔什水庫(kù)作為一個(gè)泥沙問題較為突出的水庫(kù)，在建成后易于發(fā)生水庫(kù)淤積，進(jìn)而對(duì)水庫(kù)的正常運(yùn)行造成危害。阿爾塔什水庫(kù)的兩個(gè)發(fā)電洞進(jìn)口中間布置1#深孔排沙洞的目的就是通過合理有效運(yùn)行該排沙洞實(shí)現(xiàn)發(fā)電洞進(jìn)口“門前清”。為了保證發(fā)電洞門前為泥沙含量較少的凈水，可利用布置在水電站進(jìn)水口旁的特定排沙設(shè)施進(jìn)行防水拉沙，排沙孔附近的局部區(qū)域流速增大，進(jìn)而在進(jìn)水口前方形成一個(gè)沖刷漏斗，使淤積的泥沙在漏斗作用下發(fā)生滑塌，最終發(fā)電洞進(jìn)口前的泥沙淤積高度不斷降低，泥沙便不會(huì)進(jìn)入到發(fā)電洞中，實(shí)現(xiàn)“門前清”。

本文以阿爾塔什水庫(kù)壩前泥沙模型試驗(yàn)的研究成果為基礎(chǔ)，對(duì)該水庫(kù)在排沙水位和正常蓄水位下不同運(yùn)行方式下形成的壩前沖刷漏斗展開研究，分析其形態(tài)以及其在縱、橫方向上的變化規(guī)律，提出排沙洞的合理運(yùn)行方式，以保證“門前清”的實(shí)現(xiàn)。

2 壩前泥沙模型試驗(yàn)

本試驗(yàn)中，為研究壩前沖刷漏斗，物理模型中水流運(yùn)動(dòng)遵循重力相似和阻力相似準(zhǔn)則。而對(duì)于泥沙而言，需要考慮不同時(shí)期內(nèi)泥沙的具體運(yùn)動(dòng)情況，在泥沙運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為沉積的汛期，符合沉降相似準(zhǔn)則；而在汛期，堆積的泥沙主要處于被沖刷的狀態(tài)，此時(shí)符合起動(dòng)相似準(zhǔn)則。

本文物理模型試驗(yàn)中，的試驗(yàn)采用模型幾何縮尺為150的正態(tài)模型模擬水庫(kù)壩前的泥沙運(yùn)動(dòng)，并且以電木粉作為模型沙使用。物理模型試驗(yàn)的區(qū)域(布置如圖2所示)應(yīng)盡可能大，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，因此本文物理模型試驗(yàn)區(qū)域主要為水庫(kù)壩前區(qū)域，模擬阿爾塔什水庫(kù)從壩前到壩上游，包含了水庫(kù)的庫(kù)區(qū)、壩體等主要建筑物，以及本文重點(diǎn)關(guān)注的1#、2#發(fā)電洞和1#排沙洞。在本試驗(yàn)過程當(dāng)中，須先聚積以木電粉為材料的模型沙，并聚積到壩前淤積高程，再開展后續(xù)的拉沙試驗(yàn)。

圖2 模型布置圖

模型試驗(yàn)中，水庫(kù)采用與原型水庫(kù)相同的調(diào)度運(yùn)行方式，具體為：從第1年的4月起，水庫(kù)水位由正常蓄水位(1820m)開始下降，以用于灌溉、發(fā)電等其他用途；直到6、7月份，進(jìn)入汛期，水庫(kù)水位保持在排沙水位(1770m)下運(yùn)行，以調(diào)節(jié)洪水和維持樞紐的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；8月份汛期結(jié)束，河川天然流量減少，水庫(kù)開始蓄水，庫(kù)區(qū)水位上升，最終上升至并保持在正常蓄水位，并在該水位下運(yùn)行直到次年3月，自此水庫(kù)完成一個(gè)年度的調(diào)度運(yùn)行。同時(shí)，由規(guī)范規(guī)定，該類型水庫(kù)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年，故本試驗(yàn)中，水庫(kù)運(yùn)行年限為100年。

在上述運(yùn)行方式下，模型試驗(yàn)結(jié)果表明，在水庫(kù)運(yùn)行的100年中，前50年的淤泥三角洲均未逼近壩前；在后50年，泥沙在壩前發(fā)生淤積，且達(dá)到一定的高程，這將會(huì)對(duì)水庫(kù)的正常運(yùn)行造成較大的威脅。因此，需要研究不同時(shí)期不同運(yùn)行方式對(duì)沖刷漏斗的形成和形態(tài)帶來的影響，即要分別考慮到汛期時(shí)的排沙水位和非汛期時(shí)的正常蓄水位。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 沖沙歷時(shí)

在本試驗(yàn)中，為了更好研究不同水位、不同運(yùn)行方式情況下泥沙的運(yùn)動(dòng)和淤積情況，需監(jiān)測(cè)1#深孔排沙洞出流含沙量，并將水流含沙量降低為較低的穩(wěn)定值時(shí)所需要經(jīng)歷的時(shí)間定義沖沙歷時(shí)。

本試驗(yàn)研究了各流量、各排沙洞與二發(fā)電洞的組合運(yùn)行方式下的排沙所經(jīng)歷的時(shí)間，即排沙歷時(shí)。首先，汛期，排沙水位，采取的排沙洞與二發(fā)電洞組合方式如下：①三洞均啟用，即同時(shí)開啟1#深孔排沙洞和1#、2#發(fā)電洞，此時(shí)既發(fā)電又排沙。流量方面，排沙洞選用分別為324.3、503.7、695.8m3/s的3組流量，而發(fā)電洞的為222.4m3/s。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，3組不同的排沙孔流量下，沖沙歷時(shí)分別為20、19、16h(物理模型沖沙歷時(shí)分別為19、18、15min)；②啟用1#排沙洞和一個(gè)發(fā)電洞，其流量分別為695.8m3/s和222.4m3/s，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，其沖沙歷時(shí)為16h(物理模型的為15min)；③僅啟用1#排沙洞，流量為695.8m3/s，僅排沙不發(fā)電，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，其沖沙歷時(shí)為16h(物理模型的為15min)。其次，非汛期，正常蓄水位下，采取的組合方式為：?jiǎn)⒂?#排沙洞和兩個(gè)發(fā)電洞，既排沙又發(fā)電。流量方面，排沙洞選用分別為309.5、619.1、928.6m3/s的3組流量，發(fā)電洞的取222.4m3/s，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，其沖沙歷時(shí)分別為19、16、14h(物理模型沖沙歷時(shí)分別為18、15、13min)。

綜合上述沖刷歷時(shí)試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合下述的2種水位的沖刷漏斗試驗(yàn)成果，確定排沙水位1770m沖沙歷時(shí)為16h，正常蓄水位1820m沖沙歷時(shí)為14h。

類比同類情況，例如黃河黃豐水電站的一種調(diào)度運(yùn)行方式中[4]，其單個(gè)排沙洞流量770m3/s，壩前淤積的泥沙在正常發(fā)電工況下，預(yù)沉在排沙洞口前，之后進(jìn)行泄空沖沙試驗(yàn)，沖沙歷時(shí)在1d左右。

3.2 排沙水位1770m沖刷漏斗

本試驗(yàn)研究了不同的1#深孔排沙洞與1#、2#發(fā)電洞開啟方式，及其流量下的泥沙沖刷漏斗的形態(tài)、大小和范圍，并分析了沖刷漏斗對(duì)水庫(kù)的影響以及實(shí)現(xiàn)“門前清”的可行性。水庫(kù)6、7月份，即汛期在排沙水位(1770m)下運(yùn)行，在此期間運(yùn)用1#深孔排沙洞和1#、2#兩個(gè)發(fā)電洞在一定條件下相組合的運(yùn)行方式，即可僅開啟排沙孔，亦可開啟排沙孔的同時(shí)開啟發(fā)電洞并確定一定的分流比，由此研究不同運(yùn)行方式對(duì)泥沙沖刷漏斗的形成帶來的影響。本試驗(yàn)在排沙水位下選定的不同分流比，即發(fā)電洞深孔和排沙洞的流量分配比，被分為1∶0.73、1∶1.13、1∶1.56、1∶3.13和0∶695.8共5個(gè)組次，見表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，該5個(gè)組次中僅有第5組滿足“門前清”，故此處為體現(xiàn)代表性，以第2組和第5組的發(fā)電排沙分流比(1∶1.13和0∶695.8)下的試驗(yàn)結(jié)果予以說明，并對(duì)排沙水位下的試驗(yàn)成果進(jìn)行分析總結(jié)，以提出合理建議。

表1 排沙水位實(shí)驗(yàn)組次

3.2.1發(fā)電排沙分流比1∶1.13

排沙水位，同時(shí)啟用1#、2#發(fā)電洞以及1#深孔排沙洞，既滿足排沙又滿足發(fā)電，且發(fā)電排沙分流比為1∶1.13的情況下，試驗(yàn)結(jié)果表明沖沙歷時(shí)為19h。

上述運(yùn)行方式下，形成的沖刷漏斗形態(tài)圖(縱剖面、橫剖面和漏斗等高程線，下同)分別如圖3—5所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，淤泥運(yùn)動(dòng)在壩前形成沖刷漏斗，形狀較為規(guī)則，在縱向上：長(zhǎng)約57m，坡度1∶1.63；橫向上：寬約99m，左岸坡度1∶1.49，右岸坡度1∶1.34。

圖3 沖刷漏斗縱剖面圖

圖4 沖刷漏斗橫剖面圖

圖5 沖刷漏斗等高程線圖

由上述試驗(yàn)成果可知，排沙水位，同時(shí)開啟3洞運(yùn)行，最終形成的沖刷漏斗橫向長(zhǎng)度大于73m(發(fā)電洞進(jìn)口橫向長(zhǎng)度，下同)，但發(fā)電洞進(jìn)口并未處于漏斗中，不能“門前清”。

3.2.2發(fā)電排沙分流比0∶695.8

排沙水位，僅啟用1#深孔排沙洞，滿足水庫(kù)排沙，在發(fā)電排沙分流比取0∶695.8的情況下，試驗(yàn)結(jié)果表明沖沙歷時(shí)為16h。

上述運(yùn)行方式下，形成的沖刷漏斗形態(tài)如圖6—8所示。通過物理模型的試驗(yàn)結(jié)果，排沙洞旁形成了一個(gè)形狀較大且規(guī)則的漏斗，其縱向上：長(zhǎng)約77m，坡度1∶2.21；橫向上：寬約144m，左岸坡度1∶2.09，右岸坡度1∶2.03。

圖6 沖刷漏斗縱剖面圖

圖7 沖刷漏斗橫剖面圖

圖8 沖刷漏斗等高程線圖

3.2.3排沙水位1770m試驗(yàn)成果分析

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，排沙水位下，可采取僅開啟排沙洞而不開啟發(fā)電洞的運(yùn)行方式，經(jīng)此形成的沖刷漏斗的橫向長(zhǎng)度144m大于73m。但區(qū)別于發(fā)電排沙分流比為1∶1.13的情況，此時(shí)發(fā)電洞進(jìn)口在漏斗保護(hù)范圍中，因此泥沙不會(huì)在進(jìn)水口處發(fā)生過多淤積，不會(huì)過多危害水庫(kù)的運(yùn)行，故能夠做到“門前清”。

本試驗(yàn)中，水庫(kù)于汛期(6、7月份)保持在排沙水位下運(yùn)行，所能采用的各種不同的運(yùn)行方式，其區(qū)別在于3洞的組合開啟情況的差異以及發(fā)電排沙分流比的差異。本試驗(yàn)中，該水位下共設(shè)有5組(見表2)不同的發(fā)電排沙分流比，以研究不同情況下的形成漏斗的形態(tài)，如漏斗縱向和橫向上的的長(zhǎng)度、坡度。

由表2可知，排沙水位下，只打開排沙洞并采用其最大流量695.8m3/s，以及發(fā)電洞排沙洞均打開并采用1∶1.56、1∶3.13和0∶695.8等發(fā)電排沙分流比的情況下，關(guān)于沖刷漏斗的形態(tài)，總結(jié)出各向坡度的范圍：縱向坡度1∶2.0～1∶2.21，橫向坡度1.74～2.09。

表2 排沙水位試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)黃河沙坡頭電站排沙孔試驗(yàn)有關(guān)排沙孔坡比的研究成果，其在正常庫(kù)水位時(shí)[5]，縱坡為1∶2.1～1∶3.0，橫坡為1∶1.8～1∶2.5；沖沙水位時(shí)，縱坡為1∶2.5～1∶3.5，橫坡為1∶2.1～1∶3.7。與本文試驗(yàn)成果大體一致。

對(duì)于排沙水位下，若采取1∶1.13或1∶0.73的發(fā)電排沙分流比，則導(dǎo)致1#深孔排沙洞中水流流量較小，進(jìn)而拉沙能力不足，因此在此情況下不易保證“門前清”。而對(duì)于分流比0∶695.8、1∶1.56和1∶3.13，若要做到發(fā)電洞“門前清”，須僅啟用1#深孔排沙洞，不考慮發(fā)電。

綜上，排沙水位下，水庫(kù)僅啟用1#深孔排沙洞并保持最大流量，最終得到的試驗(yàn)結(jié)果為沖沙歷時(shí)16h，發(fā)電洞進(jìn)口受到所形成的漏斗保護(hù)，因此滿足排沙要求，可以做到“門前清”。

3.3 正常蓄水位1820m沖刷漏斗

正常蓄水位下，水庫(kù)采用參考特定的發(fā)電排沙分流比的情況下聯(lián)合開啟1#、2#發(fā)電洞以及1#深孔排沙洞的運(yùn)行方式?？蓛H開啟排沙孔，亦可開啟排沙孔的同時(shí)開啟發(fā)電洞并確定一定的分流比，由此研究不同運(yùn)行方式對(duì)泥沙沖刷漏斗的形成帶來的影響。表3為正常蓄水位下選定的各組發(fā)電排沙分流比組合，如1∶0.70、1∶1.39和1∶2.09。試驗(yàn)結(jié)果表明僅第3組次能夠滿足“門前清”，故此處以發(fā)電排沙分流比1∶2.09的試驗(yàn)結(jié)果予以說明，并對(duì)正常蓄水位下的試驗(yàn)成果進(jìn)行總結(jié)。

表3 正常蓄水位試驗(yàn)組次

3.3.1發(fā)電排沙分流比1∶2.09

正常蓄水位，同時(shí)啟用1#、2#發(fā)電洞以及1#深孔排沙洞，且發(fā)電排沙分流比取1∶2.09的情況下，沖沙歷時(shí)為14h。

在上述正運(yùn)行方式下，圖9—11展示了形成的沖刷漏斗的形態(tài)圖。結(jié)果表明，沖刷漏斗的形狀接近三維形態(tài)；關(guān)于漏斗尺寸，其縱向上：長(zhǎng)約81m，坡度1∶2.31；橫向上：寬約153m，左岸坡度為1∶2.26，右岸1∶2.11。

圖9 沖刷漏斗縱剖面圖

圖10 沖刷漏斗橫剖面圖

圖11 沖刷漏斗等高程線圖

由上述試驗(yàn)成果可知，正常蓄水位下，同時(shí)開啟排沙洞和兩個(gè)發(fā)電洞的運(yùn)行方式下，形成的沖刷漏斗的橫向長(zhǎng)度153m大于73m，同時(shí)發(fā)電洞進(jìn)口受到所形成漏斗的保護(hù)，泥沙不會(huì)在進(jìn)水口處過多淤積，減少了隱患，滿足“門前清”。

3.3.2正常蓄水位1820m試驗(yàn)成果分析

水庫(kù)保持在正常蓄水位下運(yùn)行，所能采用的各種運(yùn)行方式區(qū)別在于發(fā)電洞和排沙洞的開閉情況以及其分流比。本試驗(yàn)中，在該水位下共設(shè)有3組不同的發(fā)電排沙分流比，以研究不同運(yùn)行方式下的沖刷漏斗的呈現(xiàn)形態(tài)，如漏斗縱向的長(zhǎng)度、坡度，以及橫向的長(zhǎng)寬度、縱向坡度及橫向坡度。各組合試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 正常蓄水位試驗(yàn)結(jié)果

由表4可以看出，在正常蓄水位的條件下，若發(fā)電排沙分流比采用1∶2.09，則沖刷漏斗發(fā)展較為充分，其坡度在縱向上為1∶2.31，在橫向上平均為2.19。

根據(jù)洛古電站有關(guān)壩前沖刷漏斗而開展的模型試驗(yàn)中，有關(guān)其漏斗坡度的成果，知洛古電站壩前沖刷漏斗縱向坡度和橫向坡度均為1∶2.5～1∶3.0[6]，同本文試驗(yàn)成果大體一致。對(duì)于分流比1∶1.39和1∶0.70，由于1#深孔排沙洞流量較小，孔前泄水流速較小，導(dǎo)致拉沙能力不足，排沙漏斗范圍受到排沙洞出流流量大小的影響，因此在這樣的情況下不能保證“門前清”。

綜上，正常蓄水位(1820m)下，阿爾塔什水庫(kù)在非汛期若要保證“門前清”，則須開啟發(fā)電洞和排沙孔，同時(shí)滿足排沙和發(fā)電的要求，且及發(fā)電排沙分流比取1∶2.09，其中排沙洞流量為928.6m3/s，試驗(yàn)結(jié)果表明此情況下沖沙歷時(shí)為14h。

4 結(jié)語

通過物理模型試驗(yàn)[7]，基于1#深孔排沙洞前沖刷漏斗的形態(tài)研究、保證發(fā)電洞流量與沖沙歷時(shí)以及合理的發(fā)電和排沙分流比，提出了阿爾塔什水利樞紐在不同時(shí)期不同水位下合理且可行的發(fā)電洞、排沙洞的聯(lián)合啟閉形式，以實(shí)現(xiàn)高效拉沙，滿足排沙或發(fā)電的要求，最終達(dá)到水庫(kù)壩前發(fā)電洞的“門前清”期望結(jié)果。具體方案如下：

(1)排沙水位1770m下，選取僅啟用1#深孔排沙洞，且流量為695.8m3/s的運(yùn)行方式，沖沙歷時(shí)為16h，發(fā)電洞進(jìn)水口在處于沖刷漏斗保護(hù)范圍之內(nèi)，可保證發(fā)電洞在汛期的“門前清”。

(2)正常蓄水位1820m下，選取啟用1#深孔排沙洞，選取其最大流量928.6m3/s、同時(shí)開啟1#、2#發(fā)電洞，且單個(gè)發(fā)電洞流量為222.4m3/s的運(yùn)行方式，既滿足排沙要求又滿足發(fā)電要求，沖沙歷時(shí)14h，發(fā)電洞進(jìn)水口在處于沖刷漏斗保護(hù)范圍之內(nèi)，可保證發(fā)電洞在非汛期的“門前清”。