試論河壩引水式水電站引水防沙優(yōu)化設(shè)計(jì)

顏清冬

摘要：我國有非常典型的大陸季風(fēng)氣候，降水量集中，加之我國地勢西高東低，境內(nèi)崇山峻嶺、河流縱橫交錯，擁有非常豐富的水力資源，近幾十年來國內(nèi)水利發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展和成熟，隨著長江山峽水電站的興建和投產(chǎn)使用，標(biāo)志著我國水利事業(yè)進(jìn)入了一個全新的發(fā)展局面，但是泥沙對水電站的危害問題，成為限制水利發(fā)電事業(yè)進(jìn)一步深入發(fā)展的重要因素。本文將以泥沙對河壩引水式水電站的危害作為切入點(diǎn)，結(jié)合筆者多年對引水防沙系統(tǒng)的深入研究，簡要論述河壩引水式水電站引水防沙的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，希望能為同行提供相關(guān)有益參考。

關(guān)鍵詞：河壩引水式水電站；引水防沙；優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

引水式水電站多建于河灣、相鄰兩河河床高程相差較大或自河流坡降較陡、落差比較集中的河段，這些地區(qū)可利用坡降平緩的引水道引水，并與天然水面形成的落差需符合落差發(fā)電要求。我國境內(nèi)大多河流都為山區(qū)河流，落差大，河水流勢猛、泥沙含量大，例如最為典型的母親河—黃河，政府每年為了黃河的治沙問題都需要投入大量的人力、物力和財(cái)力。泥沙問題目前已成為國內(nèi)各引水式水電站正常運(yùn)作的最普遍問題，尤其是一些低閘引水開發(fā)式電站，由于水流動力勢能大、庫小沙多、泥沙沉降量大，危害更為嚴(yán)重，因此引水式水電站樞紐優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是防沙、排沙。

一、河壩引水式水電站的相關(guān)簡介

自河流坡降較陡、落差相對較大或集中的河段，利用河壩實(shí)現(xiàn)蓄水、提高水位，使坡降平緩的引水道引水與天然水面形成符合要求的落差（水頭）發(fā)電的水電站，即引水式水電站[1]。水電站裝機(jī)容量由水頭和流量的大小來確定，引水式水電站有有壓引水式（圖2）、無壓引水式（圖1）兩種。有壓引水式的引水道一般為壓力管道、隧洞等，無壓引水式的引水道一般為渡槽、無壓隧洞、明渠等。

圖1無壓引水式水電站

圖2有壓引水式水電站

國內(nèi)引水式水電站常見的泥沙問題主要有五點(diǎn)[2]：（1）通航河流水庫變動回水區(qū)沖淤變化對航道的影響；（2）水庫淤積、壩上下游引航道淤積、淤積末端上延；（3）電站進(jìn)水口防沙、電站樞紐引水防沙；（4）壩下游河道沖刷、河床淤積抬高；（6）過流建筑物、設(shè)備，如水輪機(jī)，受泥沙長期磨損。

二、河壩引水式水電站引水防沙優(yōu)化設(shè)計(jì)——以蹇家灣水電站為例

（一）工程概況：蹇家灣水電站由擋水建筑物、廠區(qū)樞紐、引水系統(tǒng)三部分構(gòu)成，建于任河干流上游，重慶市城口縣龍?zhí)镟l(xiāng)境內(nèi)的蹇家灣附近，受地質(zhì)、交通、經(jīng)濟(jì)條件的影響，電站取水口布置在主河道凸岸，輸沙量較大，加之水庫容量小，加速了泥沙淤積的速度，因此該站的首部樞紐，尤其是取水口引水流沙問題嚴(yán)峻，該水電站的實(shí)際概況詳見下表1。

（二）蹇家灣水電站首部樞紐引水防沙優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

（1）引水防沙的關(guān)鍵問題分析

①任河泥沙含量大，而原設(shè)計(jì)方案中拉沙廊道設(shè)于岸邊且截面尺寸僅為1.0×1.0m，沖沙底孔內(nèi)流速≤0.2m/s，因此粗顆粒泥沙進(jìn)入拉沙廊道后容易阻塞，喪失拉沙功能，急需增設(shè)導(dǎo)沙、拉沙設(shè)施，如導(dǎo)沙墻、沖沙底孔等，實(shí)行聯(lián)合引水防沙[3]。

②蹇家灣水電站取水口位于電站凸岸，而首部樞紐受彎道環(huán)流影響，出現(xiàn)泥沙橫向輸移，即下層泥沙粒徑較粗、含沙量大的水流向凸岸；上層泥沙粒徑較細(xì)、含沙量小的水流向凹岸。因此泥沙淤積嚴(yán)重，凸岸治沙、排沙方案設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

（2）引水防沙優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

①首部樞紐。蹇家灣水電站首部樞紐的主要建筑物有取水口、攔河閘壩、岸擋水壩段、沉沙池、引渠。采用側(cè)向取水、正向泄洪排沙的布置形式。進(jìn)水閘位于主河道凸岸，1孔排污閘，1孔大泄洪閘、2孔小沖沙閘，為第—道引水防沙防線。蹇家灣水電站在引渠后設(shè)捧沙道、拉沙廊道、截沙槽、沉沙池，攔截進(jìn)入取水口的推移質(zhì)，如懸移質(zhì)粗沙，為第二道引水防沙防線[3]。

（2）引水防沙方案

①在閘壩右側(cè)，電站取水口前沿增設(shè)一道頂部高程，為695—703m，長45m的階梯式導(dǎo)沙墻（能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性、改善喇叭口的水流流態(tài)、減少工程量），增設(shè)一4.2×5.2m（寬×高）的沖沙底孔，為進(jìn)一步提升引水防沙效果，另增設(shè)一道高1.0×2.5m（寬×高）的進(jìn)水門坎（攔截較細(xì)推移質(zhì)），將進(jìn)口底板原設(shè)計(jì)方案高程（701.5m）抬高3.5m，使電站取水口前沿水流順暢，取水條件好，有效確保電站有充足的水量進(jìn)行發(fā)電。

②汛期以流量（常年洪水平均流量520 m3/s，冶勒建成前80 m3/s，建成后45 m3/s）分界、劃分高低水位運(yùn)行，當(dāng)入庫流量<分界流量時，壩前水位保持正常蓄水位720m，全開沖沙底孔，使推移質(zhì)在庫區(qū)落淤，多余流量再開啟泄洪閘過流；當(dāng)入庫流量≥分界流量時，壩前水位仍保持正常蓄水位，以沖刷庫區(qū)的前期淤積物，全開沖沙底孔，電站滿發(fā)，開泄洪閘。非汛期水庫進(jìn)行日調(diào)節(jié)，運(yùn)行水位與正常蓄水位相一致[4]。

③為確保粗粒徑（≥0.25mm）泥沙的沉降率≥80%～85%，有效預(yù)防推移質(zhì)進(jìn)入取水口，使電站取水口前沿水流順暢，有良好取水條件，汛期水庫需不定期進(jìn)行停機(jī)沖沙運(yùn)行（當(dāng)淤積三角洲推進(jìn)至距工作段出口約80m時應(yīng)沖沙），沖沙時采用雙室（每室沖沙流量為17.5 m3/s）輪流沖洗，即停機(jī)一臺進(jìn)行沖沙。沉沙池中入池粗沙以三角洲形式淤積并向下游推進(jìn)[5]。

（3）水庫運(yùn)行方式擬為：

①非汛期時，水庫進(jìn)行日調(diào)節(jié)，死水位與汛期限制水位、運(yùn)行水位與正常蓄水位相一致。

②汛期時，運(yùn)行水位為汛期限制水位（確保電站所需日調(diào)節(jié)庫容且沉沙效果佳的水位），不定期停機(jī)敞泄沖沙，沖沙后水庫運(yùn)行水位仍為汛期限制水位。

（4）優(yōu)化方案效果：通過階梯式束水墻、沖沙底孔的綜合防沙、拉沙，使電站進(jìn)口前沿附近形成有效拉沙漏斗，粗顆粒泥沙得到有效控制，各級流量情況下，該電站取水口引水防沙效果均得到了較大提高，基本滿足電站引水發(fā)電要求[6]。

結(jié)束語

綜上所述，國內(nèi)的引水式電站主要建于山區(qū)落差大且集中的河流上，多為卵石河床，復(fù)蓋層厚，懸移質(zhì)泥沙顆粒小且粗，由于河流水量大、比降大，尤其是汛期時推移質(zhì)泥沙運(yùn)動強(qiáng)度大，因此引水式水電站的輸沙量相對龐大，首部樞紐需根據(jù)河流泥沙運(yùn)動的基本理論，因地制宜依據(jù)自身特點(diǎn)，對所處河流泥沙特性、開發(fā)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇實(shí)用可行的引水防沙措施（布置沉沙池、應(yīng)用彎道環(huán)流、底攔柵、側(cè)向取水、導(dǎo)沙坎等），才能妥善解決水電站引水防沙、漂浮物、水輪機(jī)磨損等問題。目前國內(nèi)已修建了大量的引水式水電站，積累了不少引水防沙的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，但任需加大研究力度，使引水式水電站能更好的服務(wù)于社會。

參考文獻(xiàn)：

[1]蒲云娟，聶瑞華，楊立鋒等.塔坑水電站引水防沙設(shè)施試驗(yàn)研究[J].水電能源科學(xué)，2011，29（2）：85-86，186.

[2]彭睿，聶銳華，張洋等.錦屏二級水電站進(jìn)水口引水防沙模型試驗(yàn)研究[J].水力發(fā)電，2013，39（4）：90-94.

[3]劉洋，尹崇清.水電站凸岸引水防沙試驗(yàn)研究[J].泥沙研究，2013，（4）：50-54.

[4]黃維，陸欣，史彬等.江邊水電站首部樞紐引水防沙設(shè)計(jì)研究[J].水力發(fā)電，2011，37（8）：28-30.

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[6]楊均芳.煙崗水電站進(jìn)水口引水防沙方案選擇[J].黑龍江水利科技，2013，12（1）：142-143，147.