印度納斯帕切克瑞水電站的泥沙控制措施

［印度］ H.K.沙瑪

印度納斯帕切克瑞水電站的泥沙控制措施

［印度］ H.K.沙瑪

薩特萊杰河的泥沙含量高，尤其是納斯帕切克瑞水電站所處河段的泥沙顆粒堅硬，為了保護水電站位于水下的機器部件，采取了一些有效的措施。對該工程的概況、薩特萊杰河的泥沙特征、水電站的安全運行參數、采取的泥沙控制措施以及長期控制規劃方案等作了介紹。

水電站;泥沙;控制措施;納斯帕切克瑞水電站;印度

在喜馬拉雅地區，泥沙的磨蝕作用常常導致電站關閉，給發電帶來了損失。泥沙磨蝕既可能損壞從進水口至尾水渠的主要系統，也可能損壞次要系統，如冷卻器、密封以及排水設備。解決泥沙侵蝕損害問題，除了需要制定河流排沙方案，還需要確定機械部件材料的冶煉方案。

納斯帕切克瑞水電站采取了各種措施，力爭將泥沙侵蝕損害降到最低程度，其中包括利用水庫調度進行沖沙，該水庫水位為 1 495.50 m 時，有效庫容為 3.03億m3，死庫容為4 000萬m3。利用低水閘沖沙，藉此保護有效庫容。同時，4個地下沉沙室(長 525.00 m、高 27.50 m、寬 16.31 m)在洪水季節連續沖沙，旱季間隙沖沙。沉沙室的截沙率在90%以上(粒徑大于 0.2 mm 的粗沙)，總截沙率為40%。沉沙室可以攔截粒徑達 0.2 mm 的泥沙。為了提高水庫的泥沙攔截效率，降低水庫的沖沙頻率，還對長 1 085 m的旁路導流隧洞的效率進行了模型研究。

水電站運行時，在攔污柵底部增加了擋板，可以防止河床以及集水區附近的高含量泥沙大量進入。

1 工程概述

納斯帕切克瑞水電站位于薩特萊杰河上，薩特萊杰河發源于西藏高原海拔為4 570 m的瑪旁雍錯湖地區。這里的河流含沙量很高，特別是在融雪高峰期以及洪水期，情況更為糟糕，對水電站的運行是一個巨大挑戰。對建在喜馬拉雅地區河流上的徑流式水電站而言，這一問題顯得更加尖銳。納斯帕切克瑞徑流式水電站裝機容量1 500 MW，是印度目前正在運行的最大水電站。

薩特萊杰河納斯帕切克瑞水電站河段的泥沙顆粒堅硬，其中大部分為磨蝕性很強的石英顆粒。因此，在水電站運行的最初幾年，水輪機的水下部件受到了嚴重損壞。為此，水電站運營方采用幾種創新手段限制泥沙進入水輪機，同時采用HVOF型碳化鎢耐磨涂層，對水輪機進行了整修。

除大壩和開關站外，水電站所有主要組成部分都位于地下。電站的引水建筑物為混凝土重力壩，壩高62.5 m，設有5孔低位泄水閘，可通過設計流量5 660 m3/s，并有方便年際沖沙的設施。納斯帕水庫在正常蓄水位下(即 1 495.5 m)，有效庫容僅為3.03億m3。4個蛋形地下沉沙室用于排除粒徑為0.2 mm 以上的泥沙。長 27.4 km，直徑為 10.50 m的引水隧洞，將水輸送到調壓井，其設計流量為405 m3/s。調壓井高301 m，是世界上最深的調壓井之一。該調壓井為有束窄孔的調壓室，直徑為21.6/10.2 m。3 口鋼襯壓力豎井直徑為 4.9 m，長度從571 m到622 m不等。壓力豎井上連調壓井，下接6臺混流式水輪機。水輪機額定水頭428 m，設計流量383.88 m3/s，安裝在地下洞室中。洞室長222.00 m，寬 20.00 m，高49.00 m。

機組變壓器、氣體絕緣開關站(SF6)以及尾水管閘門安裝在第2個洞室(196.0 m×17.5 m×27.4 m)中。尾水池將尾水泄回到薩特萊杰河，同時設有進水建筑物，用于下游蘭布爾(Rampur)水電站的取水，該水電站與切克瑞水電站串聯。納斯帕水電站的沉沙設施對蘭布爾工程會產生一定的影響。

2 河流泥沙特征

2.1 流域面積

薩特萊杰河納斯帕水電站以上流域面積49 820 km2，其中，僅12 920 km2位于印度境內。流域大部分面積(74%)位于中國西藏，為高海拔沙漠。由于地質脆弱、山坡陡峭，所以該地區融雪季節土壤侵蝕率很高。同時，由于河岸陡峭，雪崩和山體滑坡常常導致河流堵塞。而滑坡體落入河流，就會導致山洪爆發，河流中的泥沙含量也會因土壤侵蝕增加而急劇增加。斯比提(Spiti)河流域特征與薩特萊杰河類似。

流域最大融雪以及最大降水發生在6、7、8三個月，這個時段內，薩特萊杰河輸送的泥沙量占全年的大多數。10月到次年的5月，河流含沙量很低。這9個月的平均含沙量介于300 mg/L至600 mg/L之間。

6～8月，河流平均懸移質含沙量介于2 500～6 000 mg/L之間。盡管洪水季節納斯帕的懸移質含沙量的正常范圍為1 000～15 000 mg/L，但是，如果主河道發生堵塞，河流的懸移質含沙量則可能高達30 000～150 000 mg/L。2007年8月12日，在納斯帕測得的2004年之后的最大含沙量為85 533 mg/L。2005年6月26日，帕熱俄初(Pareechu)決口之后，在切克瑞測得的最大含沙量為115 000 mg/L。

根據1971～1996年的觀測資料，懸移質含沙量超過5 000 mg/L的平均天數為4 d，但是1982年觀測的懸移質含沙量超過5 000 mg/L的天數為25 d。

2004～2009年，觀測的含沙量超過4 000 mg/L以及5 000 mg/L的天數分別為23 d和19 d。

2.2 懸移質泥沙級配

薩特萊杰河懸移質泥沙不同成分的平均百分比如下:

(1) 粗沙(＞0.2 mm)占16%;

(2) 中沙(0.075 mm)占22%;

(3)細沙(＜0.075 mm)占62%。

2005年，帕熱俄初決口之后，粗沙和中沙的百分比開始增加，之后逐漸恢復正常。

2.3 巖相分析

薩特萊杰河挾帶的泥沙中，石英顆粒所占比例很高，石英沙粒的摩氏硬度為7。水電站運行期間，納斯帕水庫取水口的觀測數據表明，泥沙中的石英含量為66%。更早的觀測數據顯示，石英含量平均占 43.6%。

2.4 運行期懸移質含沙量

2004～2010年，觀測了水電站運行期間薩特萊杰河納斯帕處的懸移質泥沙的平均含量:洪水季節(6～8月)的平均懸移質泥沙含量為3 473 mg/L，枯水季節(9月～次年5月)則降低到479 mg/L。

同期，經過水輪機水流的平均泥沙含量為1 130 mg/L(6～8月)和176 mg/L(9月～次年5月)。

3 電站安全運行參數

印度國家電力局的一個團隊在2005年曾建議:電站運行時，尾水管中的泥沙含量最大不得超過2 000 mg/L。據此，確定切克瑞電站運行時的泥沙控制限值為:

(1)切克瑞電站取水口處水中的泥沙含量的上限為3 500 mg/L。河流中的相應泥沙含量的上限為4 000 mg/L。

(2)電站取水口處粒徑在 0.2 mm以上的粗沙顆粒含量的上限為600 mg/L。

(3)尾水管中的水中泥沙含量的上限為 2 000 mg/L。

通過噴涂HVOF碳化鎢抗磨損涂層，泥沙的總量限值為70～80 t。

4 泥沙控制措施

4.1 沉沙設施的布置

經過精心設計，將沉沙設施布置在薩特萊杰河的左岸，包括4個地下沉沙室，每個沉沙室有一個獨立的取水口，輸水隧道呈馬蹄形，直徑6 m，漸變段長50 m。沉沙室的中心位置有一個5 m的沙倉，寬度為16.31 m。沉沙室外觀呈蛋形，圓頂弧墻，設計目的是沉淀和沖排粒徑大于 0.2 mm的泥沙。沙倉頂部兩側設置了檢查平臺。沙倉的底部設置了一個連續的沉淀槽、以及1～3個沖沙管道。沖沙管道下降坡比為1∶400。沉沙室平面圖見圖1。

圖1 沉沙室平面布置

每個沉沙室底部各有3條沖沙管道，分別用來在沉沙室的1/3的長度處沖排粗沙、中沙和細沙顆粒，沖沙流速介于3～3.75 m/s之間。

通過這些沖沙管道，對沉積在沙倉底部的泥沙進行定期沖排。沖沙流量由安裝在每1條沖沙管道上的蓋板式沖沙閘門控制，閘門遠離沉沙室的下游端，具有獨立的閘室。沖沙管道上設置了很多大小不一的開孔，用來吸拉沉淀槽中的泥沙。沖沙管道的尺寸介于 0.7 m ×1.8 m(起始端) ～1.0 m ×1.8 m(管尾)之間。每1條沖沙管道上的第1個開孔尺寸為寬 0.6 m、長1.2 m，其他開孔直徑介于0.24～0.36 m 之間，中心間距 6～7 m。沉沙室的過水面積(沉沙室的寬度和深度)應確保水流流經沉沙室時，速度在 0.30 m/s左右，以排除粒徑大于0.20 mm 的泥沙。

沉沙室的長度，根據泥沙顆粒從水流頂層降落到沉沙室底所需時間內經過的水平距離計算獲得。關閉取水口和出水口閘門，可將沉沙室隔離。沉沙室設置了進出通道，供維護人員以及輕型設備進出使用。沙倉頂部的檢查通道用作清除泥沙的主要工作平臺。每一沉沙室內安裝3部龍門起重機，分別位于不同的高度，以方便施工作業，且這些起重機就留在沉沙室內，用于今后的檢查和維護。

4.2 高含沙量情況下的發電機組性能

機組在高含沙量條件下運行時，出現了一些問題，如導葉、夾板(cheek plates)、轉輪進口、轉輪出口受到嚴重磨蝕，出口處的轉輪輪葉出現了裂紋或者破裂，迷宮密封損壞，主進水口的閥門(MIV)止水被破壞等。經采用流體力學(CFD)進行詳細的計算分析和采用有限元法(FEM)分析后，采取了補救措施，包括修改轉輪，使用奧氏體焊條修補轉輪和導葉，利用HP HVOF工藝，采用鈷鉻基碳化鎢維修3臺機組的導葉和導葉密封環，在下迷宮的密封上噴涂硬質涂層等。

在過沙量達到30～40萬t時，未加涂層的機械零件出現了磨損，而對于(利用HVOF工藝)噴涂了300 μm厚碳化鎢涂層的零件，在過沙量達到70～80萬t時，才需要修復。2006～2007年，由于在季風季節到來之前采取了上述補救措施，才使電站能夠在季風季節仍保持高水位發電。而且頰板螺栓沒有損壞，導葉套筒和軸瓦僅有些許微小的損壞，但沒有出現因上迷宮的密封嚴重泄漏而導致停機的情況。在尾水管處觀測到的含沙量達到2 000 mg/L時，電站依然能正常運行。目前，頰板以及導葉密封環上的硬質涂層厚度增加到了500 μm。

4.3 HVOF碳化鎢涂層

2006年洪水季節到來之前，對所有的轉輪和其他一些部件都噴涂了300 μm的HVOF碳化鎢涂層。因此，在這個洪水季節，當通過機組的泥沙量為70～80萬t時，機組運行仍然正常。2007年，某些部件的HVOF碳化鎢涂層厚度增加到了500 μm。預計，在一定過沙量條件下，機組水下零件的壽命會隨著涂層厚度的增加而大大延長。經過2009年和2010年維修后的6臺水輪機的過沙量見表1。

表1 2009～2010年維修后的水輪機過沙量 t

4.4 取水建筑物擋板

水庫上層水體的懸移質含沙量低于下層水體，因此，在取水口底部設置了水平擋板，這樣可以防止河床附近的高含沙量水體進入取水口。在普納市CW和PRS分別進行的模型研究證實，擋板有助于防止泥沙，特別是粗顆粒泥沙進入電站取水口。因此，2007年2月，將閘門3和閘門4攔污柵板的最下部分封死。

當年，水庫沖沙時，關閉或者打開取水閘門(包括閘門3和閘門4)時，均沒有遇到任何問題。

同年，有人建議將閘門1和閘門2攔污柵板的最下部分層也封死，并根據泥沙管理專家委員會的建議配備泥漿泵。

4.5 水庫運行和水位調節

為了采取通過閘門控制的方式來調節和維持水庫的水位，使進入取水口的泥沙數量最低，同時也使水庫沖沙作業(包括電站關閉)的次數最少，建議作如下安排。

(1)入庫流量開始超過設計流量時，打開取水口附近的閘門，排泄多余的水量，保持取水口區域無泥沙沉積。

(2)如果入庫流量很大，則應同時開啟5孔閘門，以便能夠均勻地排泄多余水量。

(3)洪水季節，使庫水位維持在正常水位附近，即1 495.5 m，以發揮水庫的最大效益。

該運行方案已經過物理模型試驗以及原型試驗的驗證。在此情況下，定期進行了回聲測深，以監測取水口閘門前的水庫泥沙淤積深度。

4.6 水庫沖沙

原計劃是，當入庫流量很大以及含沙量太高導致電站關閉時，每年對納斯帕大壩壩后的水庫進行一次或者多次沖沙。沖沙時，壩內所有的低位閘門(洪水季節也用作溢洪道)完全開啟，水庫自由出流，允許庫內水位下降。每年進行的沖沙作業可以減少進入取水口的泥沙，能夠確保較好的沉沙效益，減輕維護工作量。

根據模型研究，在沖沙流量為1 500 m3/s的情況下，1 d可以沖排250萬m3泥沙。2006年洪峰季節，根據庫內沉積的泥沙數量，每周或者每兩周進行一次沖沙，使得水庫的泥沙沉積情況有所好轉，并減少了進入電站取水口的泥沙數量。

2007年，巴哈巴(Bhaba)尾水引水工程竣工，庫水位上升到1 494 m。在較高的水位下，水庫長度增加了2 km以上，與前幾年最高運行水位維持在1 484 m時相比，水庫的沉沙效率大幅度增加。2007年水庫沖沙的次數減少，粗顆粒泥沙均沉積在水庫的起始段，電站取水口前沉積的泥沙量減少。

2007、2008年和2009年共沖沙3次，2006年沖沙10次。每次沖排的泥沙量介于55萬t～60萬t之間。

另外，當河流含沙量超過4 000 mg/L時(2007年出現過3次)，應停止發電，使水庫保持自由出流狀態進行沖沙并降低水位。

沖沙頻率取決于以下條件:

(1)攔污柵上游沉積的泥沙深度大于±5 m;(2)河流流量大于700 m3/s;

(3)水庫沉沙效率明顯下降。

5 長效措施

5.1 興建納斯帕大壩新導流隧道

(1)SJVN公司正在研究在納斯帕大壩軸線方向、位于大壩上游 750 m處興建新導流隧洞的可能性，以向大壩下游排放高含沙量的水流。目標是，經該隧洞向大壩下游排放最大流量達1 000 m3/s的水流，這樣可以為取水口區域創造一個相對平靜的環境，提高水庫的截沙效率，減少進入電站取水口的泥沙量。

(2)當高含沙量的來水超過電站取水口的設計流量時，超出的部分水流經該導流隧洞繞過取水口區域，這樣水庫地勢較低部位的泥沙沉積率將因此大幅度降低，從而減少沖沙的次數。在普納(Pune)市CW和PRS分別進行了水力模型研究，定性分析了進入取水口泥沙量的削減量，對該設施的效益進行了評估。模型研究的結果令人樂觀，目前，正在進行雙隧洞替代方案的水力模型研究。

5.2 流域治理

流域治理的長效措施包括納斯帕大壩上游的植被覆蓋以及水土保持措施，這些措施將降低河流的含沙量。流域內的堤岸沖刷是SJVNL公司最關心的問題，目前，關于邊坡穩定以及防止脆弱地段的堤岸沖刷，已經提出了最終的相應處理建議。

流域治理規劃由SJVNL公司、HD林業部門以及印度邊境道路建設局共同起草。

6 結語

根據納斯帕切克瑞水電站在最近6 a的運行狀況，針對如何減少薩特萊杰河大量泥沙所造成的破壞方面開展了大量研究工作，SJVNL公司已經積累了相當豐富的經驗。采取的發電優化措施可總結歸納如下:

(1)控制泥沙進入取水口，并定期實施沖沙;

(2)優化水庫運行;

(3)在水輪機部件上噴涂硬質保護涂層;

(4)修建新的旁通隧洞，并實施流域治理規劃。

朱慶云 譯自英刊《水電與大壩》2010年第6期

山松校

TV74

A

1006-0081(2011)12-0031-04

2011-06-06