江邊水電站首部樞紐引水防沙設(shè)計(jì)研究

黃 維，陸 欣，史 彬

（中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014）

江邊水電站是一座以發(fā)電為主的低閘高水頭引水式電站，是雅礱江一級(jí)支流九龍河流域5個(gè)梯級(jí)中最下游的一個(gè)水電站，位于四川省甘孜藏族自治州九龍縣境內(nèi)。電站共裝3臺(tái)110 MW水輪發(fā)電機(jī)。電站正常蓄水位1 797.00 m，淤積前、后相應(yīng)庫容分別為133萬、99.3萬m3，死水位1 789.00 m，最大閘高32 m。壩址處多年平均流量107 m3/s，設(shè)計(jì)洪水流量947 m3/s，校核洪水流量1 300 m3/s。壩址處懸移質(zhì)多年平均含沙量為0.582 kg/m3，懸移質(zhì)多年平均輸沙量為197萬t，汛期 (6月～9月)輸沙量占全年的91.9%，推移質(zhì)年平均輸沙量16.7萬t。

電站庫小沙多，水庫泥沙問題嚴(yán)重。因此，解決好電站首部的取水防沙問題和保持有效的調(diào)節(jié)庫容是工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。同時(shí)，水庫庫尾張家溝為活動(dòng)泥石流溝，水庫運(yùn)行期間泥石流最大入庫量為23.59萬～38.08萬m3，約占水庫庫容的1/3，泥石流對(duì)工程的影響主要表現(xiàn)為加劇水庫泥沙淤積，這對(duì)水庫的沖沙排沙提出了更高的要求。

1 首部樞紐布置優(yōu)化

1.1 首部樞紐原布置方案

江邊水電站首部樞紐由沖沙閘、泄洪閘、進(jìn)水口及左右岸擋水壩段組成。為保持原河道的走勢和泄流、沖沙順暢，泄洪閘、沖沙閘等主要泄水建筑物布置于河床干流上。電站進(jìn)水口布置于左岸，在進(jìn)水口下游設(shè)置一孔沖沙閘，沖沙閘右側(cè)布置二孔泄洪閘，形成 “側(cè)向取水，正向泄洪、排沙”的布置形式。

為阻止大量泥沙進(jìn)入進(jìn)水口，在進(jìn)水口前沿設(shè)置底坎，底坎前設(shè)置沖沙槽和導(dǎo)沙坎，在沖沙閘與泄洪閘之間的前沿設(shè)置一道束水墻 （見圖1）。

水工模型試驗(yàn)成果顯示，原布置方案基本能保證 “門前清”，即推移質(zhì)不會(huì)進(jìn)入進(jìn)水口前沖沙閘正對(duì)區(qū)域，但該區(qū)域落淤懸移質(zhì)或受不確定因素影響進(jìn)入該區(qū)域的少許推移質(zhì)不能被有效沖走。主要原因是該區(qū)域在敞泄拉沙時(shí)底部流速較小，如樞紐在流量為350 m3/s敞泄拉沙時(shí)，該區(qū)域底部流速僅為0.7～0.8 m/s；樞紐在宣泄設(shè)計(jì)洪水與校核洪水時(shí)，該區(qū)域底部最大流速也只能達(dá)到0.9 m/s。

模型試驗(yàn)驗(yàn)證表明，如果該區(qū)域淤積高程達(dá)到1 780 m，樞紐進(jìn)行敞泄拉沙，基本上不能降低沙面高程。

1.2 方案優(yōu)化

為解決上述底部流速較小的問題，設(shè)計(jì)人員在原樞紐布置的基礎(chǔ)上，在束水導(dǎo)墻與導(dǎo)沙坎之間增設(shè)一曲線形擾沙坎 （見圖1），其主要功能為加強(qiáng)擾動(dòng)、增加局部流速。

水工模型試驗(yàn)結(jié)果表明，增加擾沙坎后，如果該區(qū)域淤積高程達(dá)到1 781 m，樞紐進(jìn)行敞泄拉沙，能有效地降低該區(qū)域沙面高程，使擾沙坎與束水導(dǎo)墻間淤積高程降低到1 776 m(即底板頂高程)，擾沙坎與導(dǎo)沙坎間淤積高程降低到1 778 m。因此，增加擾沙坎后，能有效保證進(jìn)水口 “門前清”。

2 敞泄拉沙試驗(yàn)

樞紐敞泄拉沙試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)流量達(dá)到350 m3/s進(jìn)行敞泄拉沙時(shí)，由于閘前水位降低，淤積泥沙洲面和前坡比降大，閘前區(qū)平均流速達(dá)4 m/s左右，淤積泥沙能全部啟動(dòng)并以懸移質(zhì)形式被水流挾帶出庫。沖淤過程中，沿主流兩側(cè)淤沙逐漸垮塌，主槽隨之拓寬。根據(jù)試驗(yàn)成果，敞泄拉沙6 h，基本能將壩前200 m區(qū)域的淤積高程降低到1 780 m以下，將200～500 m區(qū)域淤沙高程降低到1 782 m以下。

3 水庫運(yùn)行方式優(yōu)選

為減少江邊水電站水庫庫區(qū)泥沙淤積，保持必要的調(diào)節(jié)庫容，初擬水庫汛期降低至汛限水位1 789 m運(yùn)行，10月～5月按水庫調(diào)度運(yùn)行 （即1 789～1 797 m）。為保持長期有效庫容以及確保取水口“門前清”，在主汛期設(shè)置敞泄拉沙流量，并初擬了6月～9月汛期4個(gè)方案進(jìn)行比選。方案①，按汛限水位1 789 m運(yùn)行；方案②，汛限水位1 789 m運(yùn)行，當(dāng)流量大于450 m3/s，全閘敞泄排沙 （平均每年2 d左右）；方案③，汛限水位1 789 m運(yùn)行，當(dāng)流量大于400 m3/s，全閘敞泄排沙 （平均每年4 d左右）；方案④，汛限水位1 789 m運(yùn)行，當(dāng)流量大于400 m3/s，全閘敞泄排沙；且保證汛期每月選擇流量大于300 m3/s敞泄沖沙6 h，以及當(dāng)壩前100 m區(qū)域平均淤積高程達(dá)到1 781 m時(shí)，亦要求停機(jī)拉沙6 h（平均每年4 d左右）。

模型試驗(yàn)成果顯示，按照方案④運(yùn)行，水庫泥沙淤積量、正常蓄水位以下庫容損失和調(diào)節(jié)庫容損失均最小，達(dá)到淤積平衡后調(diào)節(jié)庫容最大。因此，選擇方案④為水庫運(yùn)行方式。各方案水庫泥沙淤積縱剖面見圖2。

4 水庫過機(jī)泥沙特征值

圖1 首部樞紐布置方案 （單位：m）

圖2 水庫泥沙淤積縱剖面

通過模型試驗(yàn)對(duì)汛期 （庫水位1 789.0 m，流量分別為100、200、300、400 m3/s）和非汛期 （庫水位1 797.0 m，流量分別為50、100 m3/s）的水庫過機(jī)含沙量及粒徑進(jìn)行了測量。不同流量下過機(jī)含沙量與入庫含沙量比值實(shí)測結(jié)果見表1，過機(jī)粒徑見表2。

表1 不同流量下過機(jī)含沙量與入庫含沙量比值

表2 過機(jī)泥沙的特征粒徑 （汛限水位工況）

根據(jù)模型試驗(yàn)成果，各種運(yùn)行工況下d≥0.1 mm泥沙顆粒過機(jī)累積百分比最大為13.3%。因此，根據(jù)SL 269—2001《水利水電工程沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)范》，電站可不設(shè)置沉沙池。

5 張家溝泥石流的影響

張家溝河段的來沙主要是由上游輸送下來的泥沙落淤而成，而這部分落淤泥沙更可能是泥石流挾帶進(jìn)入干流的。因此，泥石流級(jí)配以河床覆蓋層級(jí)配為參照，并在此基礎(chǔ)上適當(dāng)增加大粒徑石塊的含量以模擬張家溝泥石流堆積區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)的5～6 m直徑的巨石運(yùn)動(dòng)情況。

試驗(yàn)以輸沙量最大的100年一遇泥石流總量為控制條件，并以泥石流運(yùn)動(dòng)速度換算得到的模型加沙量和加沙時(shí)間進(jìn)行綜合控制。考慮到支流來泥石流時(shí)相應(yīng)干流流量一般也將因暴雨而增大，為安全計(jì)，控制相應(yīng)干流流量為30年一遇洪水。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于張家溝泥石流入?yún)R區(qū)干流河道比降較陡，河道斷面寬度較小，干流流速較高，因此，并未觀察到堵江現(xiàn)象。但受支流入?yún)R影響，干流上游一定范圍內(nèi)，尤其是交匯區(qū)范圍內(nèi)水面受到一定程度的抬高。在泥石流入?yún)R初期，干流水體受泥石流側(cè)向作用，上游水位壅高，交匯口位置處水體被擠壓向?qū)Π叮诮粎R口下游則形成一定的回流區(qū)，但由于干流本身河道比降較大，泥石流入?yún)R的影響很快消弱，與干流充分摻混的高含沙水體，一起向下游運(yùn)動(dòng)。受交匯區(qū)兩股水體的強(qiáng)烈紊動(dòng)摻混的影響，在交匯區(qū)并未形成明顯的成型淤積。泥石流所攜帶的泥沙被攜帶到下游干流坡度相對(duì)平緩的區(qū)段分散淤積，并最后在河道彎道凸岸形成累計(jì)性淤積。由此可見，張家溝泥石流的主要影響在于增大了干流局部時(shí)段的含沙量。

根據(jù)敞泄拉沙試驗(yàn)，淤積的泥沙可以被沖出庫外。但由于泥石流含沙濃度高，匯入后造成干流含沙濃度瞬時(shí)過飽和，其輸沙規(guī)律與常規(guī)的推移質(zhì)輸沙有差異，加上泥石流中常含有大顆粒物質(zhì)，集中落淤后，往往在干流內(nèi)形成常規(guī)洪水無法沖動(dòng)的河流節(jié)點(diǎn)，易于引起干流的進(jìn)一步累計(jì)性淤積。因此，在設(shè)計(jì)中需要預(yù)留一定庫容來減少泥石流災(zāi)害的不利影響；同時(shí)，在發(fā)生泥石流后須延長拉沙時(shí)間，盡量降低運(yùn)行水位，以利于粗顆粒泥沙出庫。

6 結(jié)語

（1）通過在束水墻與導(dǎo)沙坎之間增設(shè)一曲線形擾沙坎，優(yōu)化了樞紐引水防沙布置，有效保證了進(jìn)水口 “門前清”。

（2）水庫運(yùn)行方式采用汛期 （6月～9月）進(jìn)行敞泄排沙，枯水期 （10月～5月）按實(shí)際調(diào)度水位運(yùn)行，有利于減少庫區(qū)泥沙淤積，長期保持調(diào)節(jié)庫容，降低過機(jī)粒徑和過機(jī)含沙量。

（3）根據(jù)模型試驗(yàn)成果，電站可不設(shè)置沉沙池，但水輪機(jī)在水力、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及過流部件材料選擇上，應(yīng)采取可靠的抗磨措施。

（4）張家溝泥石流主要影響是增大了干流局部時(shí)段的含沙量，在敞泄拉沙情況下，淤積的泥沙可以被沖出庫外。考慮到泥石流的特殊性，在設(shè)計(jì)中預(yù)留一定庫容以減少泥石流災(zāi)害對(duì)庫容減少的不利影響；同時(shí)在發(fā)生泥石流后必須增大拉沙時(shí)間，盡量降低運(yùn)行水位，以利于粗顆粒泥沙出庫。

［1］聶銳華，黃維，史彬，等.四川省九龍河江邊水電站可研階段水工泥沙模型試驗(yàn)研究專題報(bào)告［R］.杭州：中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院，2005.

［2］SL 269—2001 水利水電工程沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.