筱溪水電站排沙廊道設計

楊志明

（湖南省水利水電勘測設計研究總院長沙市410007）

1 工程概況

筱溪水電站工程位于湖南資水干流中游，控制流域面積15 843 km2，Ⅵ級航道，電站裝機容量135 MW，正常蓄水位198.0 m，總庫容1.41億m3，大（Ⅱ）型工程。湖南省經濟建設投資公司于2003年正式啟動該項目的建設程序，2004年底主體工程開工建設，2008年1月首臺機組投入運行。

樞紐由擋水壩、溢流壩、電站廠房和垂直升船機等主要建筑物組成，壩頂高程204 m，最大壩高47 m，壩頂長340 m。

河床式電站廠房緊靠右岸岸邊布置，主廠房安裝3臺40 MW軸流機組，安裝場下安裝1臺15 MW的小軸流機組。

溢流壩段布置在主河槽，設計泄洪流量12 600 m3/s（P=1%），校核泄洪流量17 200 m3/s（P=0.1%），設8孔14 m×11.5 m（寬×高）的溢流表孔，堰頂高程186.5 m，溢流壩段總長142.5 m；在廠壩之間結合施工導流和排沙設7 m厚縱導墻，在3#、4#閘孔之間結合施工導流設6 m厚縱導墻；8孔溢流壩均設底流消力池，池長42.5 m，池深4.5 m，池底高程167.0 m，設梯形消力墩和差動尾坎，后接20 m長混凝土護坦和30 m長格賓海漫。

垂直升船機布置在左岸岸邊，與緊鄰溢流壩的重力擋水壩結合，100 t級，采用門機提升過壩。如圖1所示。

圖1 筱溪水電站工程樞紐布置

2 淤沙問題分析

資水干流中游多年平均懸移質輸沙率為0.163 kg/m3，系少沙河流，壩址多年平均輸沙量為258萬t/a，且挾沙大部分集中在汛期，按15%推移質計算，庫區20年淤積總量415.37萬m3，對應淤沙高程為175 m，可見該水庫并沒有嚴重的淤沙問題。但該電站為河床式廠房，進水流道底板低于河床10 m，寬達85 m，抬高進口高程或設置高攔沙坎的工程量巨大，其標準也難以確定；而擋水壩為混凝土重力壩，表孔溢流，溢流堰頂高出河床14 m，開閘泄洪時無法排走河床淤沙；由此可見，電站長久運行后，淤沙難免高于攔沙坎而大量進入機組流道。在前期設計工作中，經初步的技術經濟比較認為，探索合適的排沙設施是十分必要的。圖2為水電站廠壩縱剖面圖。

圖2 筱溪水電站廠壩縱剖面圖

3 排沙設計思路

筱溪水電站的水庫淤積問題并不突出，根據規范，不需考慮水庫內淤沙的排泄，排沙主要目的是防止長久運行后淤沙高出攔沙坎而進入機組流道，因此該排沙應針對電站進水口而進行設計。

若采用常規的壩基排沙孔設計，在筱溪電站庫水深達25 m的情況下，排沙孔工作時，庫底流速很小，無法大范圍起動淤沙，只能排走沖沙口局部淤沙和水流本身的少量挾沙，加之電站進水口前緣長達85 m，單個排沙孔根本無法實現其目的，沿進水口前緣設置多個排沙孔又難以布置。因此，設計考慮在電站進水口前緣全線設輸沙廊道，與壩基排沙孔相連，在輸沙廊道頂部開設多個串聯的排沙口，以期在攔沙坎前形成多個相互聯通的排沙漏斗，從而控制攔沙坎前的淤沙高度，以確保淤沙無法進入機組流道。圖3為排沙系統布置示意圖。

圖3 筱溪排沙系統布置示意圖

4 原理與設計

（1）淤沙特性。

筱溪水庫長38 km，壩前水深（23～28）m，正常發電期壩前流速（0.01～0.13）m/s，汛期流速（0.5～1.0）m/s，大洪水流速（1.4～1.7）m/s。因此，電站長久運行后，淤積在壩前的淤沙粒徑主要為0.005 mm以下的懸移質，其次為汛期少量（0.5～4.0）mm的推移質，再次為大洪水挾來極少量（4～20）mm的沙礫石。參照玉清公式及成都勘測設計院經驗公式求得泥沙止動流速和起動流速見表1。

表1 泥沙止動流速和起動流速

考慮每年汛期利用棄水沖沙，排沙口附近的淤沙不會因長期沉積而固結，則以0.005 mm以下粒徑為主的淤沙孔隙率為0.7～0.8，淤沙水下內摩擦角（休止角）為11°～12°。

（2）排沙原理。

按淤沙水下休止角12°進行排沙口和攔沙坎的布置。設3 m高攔沙坎（與排沙廊道結合），坎頂高程176.0 m（發電最大流速0.35 m/s），當排沙系統每年汛期開閘排沙時，只要排沙廊道和各排沙口具有可靠的起動和挾動淤沙的能力，各排沙口周邊勢必形成12°休止角的錐形漏斗，在176 m高程的漏斗半徑為15.6 m。筱溪排沙口間距為27 m（圖4），因此，攔沙坎前緣殘留淤沙最高點高程為175.55 m，淤沙始終不會越過攔沙坎而進入電站流道。

圖4 排沙原理示意圖

（3）水力計算。

從圖4可見，要確保各排沙口均具有可靠的拉沙作用，必須保證排沙孔和排沙廊道的過流能力遠大于排沙口的進水能力。也就是說，當排沙孔開閘時，首先1號排沙口擊穿淤沙進水排沙，此時2號排沙口須具有足夠的負壓擊穿淤沙，2號進水排沙后，3號排沙口仍須有足夠的負壓擊穿淤沙。另外排沙廊道全線須確保流速大于各粒徑的起動流速。

筱溪水電站排沙廊道設計通過反復計算分析，確定排沙口采用圓形斷面，直徑2 m，排沙廊道截面由3 m×2 m漸變至3 m×5 m，排沙孔出口斷面3 m×4.3 m，水力計算條件及成果見表2。

表2 水力計算成果

上游庫水位198.0 m，下游排沙水位177.0 m，排沙口糙率0.017，排沙廊道糙率0.022 5。

（4）細部設計。

排沙口體型：為了減小進口水頭損失，加大排沙漏斗半徑，采用喇叭口型式，上口直徑3 m，下口直徑2 m，口壁厚2 m。具體見圖5（a）。

排沙孔型式：壩基排沙孔布置在廠壩分界處的溢流壩右邊墩內，采用有壓流形式，與排沙廊道密封連接，出口采用底流消能，消力池長30 m，尾坎采用1∶2.5的反坡。閘墩上游段設檢修平板鋼閘門，閘門豎井開口于閘墩頂206 m高程，利用溢流壩上游檢修門移動門機啟閉；閘墩尾部設工作門，采用前止水平板鋼閘門，閘門豎井開口于192 m高程，設固定式卷揚啟閉機及啟閉機房。示意見圖5（b）。

材料：排沙系統（排沙口、輸沙廊道、排沙孔）內壁均采用1 m厚抗沖耐磨的C40HF混凝土。

圖5 細部示意圖

5 結語

筱溪水電站的排沙廊道設計是采用深水區潛孔局部拉沙的方式，以達到防止電站長久運行后淤沙高出攔沙坎而進入機組流道的目的。設計新穎，原理簡單，投資較小，目前運行狀況和感觀效果良好，在延長電站正常使用壽命方面具有較高的參考價值。遺憾的是未能進行水工單體模型試驗驗證，在今后工程運行中將進行實際觀測，追蹤運行效果，并在以后類似工程的應用中得到進一步的研究和形成完整體系。

1 GB 50288-99.灌溉與排水工程設計規范[S].

2 SL269-2001.水利水電工程沉沙池設計規范[S].

3 DL5077-1997.水工建筑物荷載設計規范[S].

4 武漢水利電力學院.河流泥沙工程學[M].北京：水利出版社，1981.

5 沙玉清.泥沙運動學引論[M].北京：中國工業出版社，1965.