組合進水塔在塔日勒嘎水電站工程中的應用

申幸志

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

1 工程概況

塔日勒嘎水電站位于新疆柯爾克孜自治州烏恰縣吾合沙魯鄉(xiāng)的克孜勒蘇河中游河段上，為克孜河規(guī)劃2 庫6 級方案中的第二個梯級。壩址距烏恰縣58 km，距喀什150 km。由攔河大壩（粘土心墻砂礫石壩）、左岸導流兼泄洪沖沙隧洞、發(fā)電引水隧洞、電站廠房、右岸溢洪道等主要建筑物組成，為Ⅲ等中型工程，地震設防烈度為Ⅸ度。

壩軸線位于吾合沙魯鐵橋上游約640 m 處的峽谷河段，水庫正常蓄水位2 250.0 m，死水位為2 245.0 m，總庫容0.418 億m3，最大壩高43.6 m。左岸利用導流洞改建成泄洪沖沙隧洞，進出口底板高程均為2 217.9 m，全長507.576 m，洞徑D=8.0 m，圓形有壓洞，出口設置6.5 m×6.5 m 弧形鋼閘門控制水流，該隧洞承擔泄洪沖沙任務，利用汛期洪水排泄庫內(nèi)淤沙，確保水庫正常使用。發(fā)電引水洞布置在導流洞里側，進口底板高程2 233.00 m，全長1 412.258 m，圓形有壓洞，洞徑6.8 m，為確保發(fā)電洞進口“門前清”，進水口采用上下垂直布置的組合式進水塔形式。廠房布置在大壩下游約1 220 m 的山谷出口，設計水頭44 m，裝機容量4×12.5 MW。右岸岸邊開敞式溢洪道孔口選用2 孔10 m×7 m 的駝峰堰。

2 進水口沖沙防沙方式布置比較

2.1 水庫水沙特征及主要泥沙問題

塔日勒嘎水電站壩址以上控制集雨面積10 381 km2，多年平均流量61.7 m3/s，調(diào)節(jié)庫容為0.13 億m3,具有旬調(diào)節(jié)能力。多年平均懸移質(zhì)含沙量6.2 kg/m3，多年平均懸移質(zhì)輸沙量1 174 萬t，多年平均推移質(zhì)輸沙量58.7 萬t，多年平均輸沙總量1 233 萬t，庫沙比約為4，泥沙問題相當突出。克孜河汛期為4～9月，泥沙也主要集中在該時段，據(jù)牙師和卡拉貝利水文站長系列觀測資料統(tǒng)計，汛期泥沙占全年的97.65%，其基本情況見表1，推移質(zhì)因缺乏觀測資料按5%推懸比計算。

據(jù)卡拉貝利水文站已有資料和現(xiàn)場取樣分析，汛期懸沙平均粒徑為Dpj=0.067 6 mm，最大粒徑Dmax=1.13 mm，小于0.05 mm 的顆粒含量為70.2%，泥沙硬度高，石英質(zhì)含量約為66.9%，對水庫防沙及機組磨蝕極為不利，見表2。

塔日勒嘎為近期工程的第一個梯級，也是近期開發(fā)方案中唯一具有徑流調(diào)節(jié)能力的小龍頭水庫。其泥沙問題大致分為兩個大的方面： 一是水庫泥沙淤積問題；二是進水口防沙排沙問題。

表1 塔日勒嘎壩址多年平均月輸沙率表

表2 塔日勒嘎壩址泥沙顆粒級配表 mm

在樞紐布置和主要建筑物設計時，左岸導流隧洞考慮臨時永久結合，將其設計成導流、泄洪、沖沙相結合，利用汛期泄洪排除庫內(nèi)泥沙。

通過數(shù)模分析可知，70%以上水量要從電站過機，大量泥沙也會隨之通過水輪機，進水口必須有針對性的采取相應的排沙防沙措施，確保電站進水口不被淤死，同時盡量排走高濃度含沙水流，防止粗沙過機。

2.2 進水口布置方案比較

根據(jù)本工程水沙特點和進水口地形地質(zhì)情況，參照國內(nèi)多沙河流進水口防沙布置形式及運行效果，共擬定3 個進水口布置方案：

方案1： 共用進水渠方案，兩個進水口盡量靠近，利用泄洪洞沖沙漏斗覆蓋發(fā)電洞進口，確保“門前清”。

方案2：沖沙廊道方案，兩洞分開布置，發(fā)電洞進口遠離泄洪沖沙洞，利用壩前沖溝地形避開主流，沖溝回水泥沙相對較輕，在發(fā)電洞進口下方采用“圓孔格柵廊道”拉沙，廊道后接新開的沖沙支洞，將水沙排入泄洪沖沙洞內(nèi)，利用小洪水關閉泄洪洞檢修門拉沙（該沖沙支洞主要負責發(fā)電洞進口排沙），以拉沙廊道形成的漏斗確保發(fā)電洞“門前清”。

方案3：組合進水塔方案，將兩個進水塔合并布置在一個大的進水塔內(nèi)，兩進水口上下正對，底板高差15.1 m，利用泄洪洞形成的漏斗確保其上發(fā)電洞進口“門前清”。

前2 個防沙方案均為多泥沙河流經(jīng)常采用的形式,采用正面進水，側面排沙的原則。方案1 投資最省，但因本工程建筑物尺寸較大，巖石條件較差，泄洪沖沙洞形成的漏斗側向邊坡難以確定，其范圍較難確保整個發(fā)電洞進水口，存在不確定性；方案2 投資居中，沖沙廊道形成的漏斗可較好地確保整個發(fā)電洞進水口，但運行操作麻煩，存在淤堵風險和檢修難等缺點；方案3 采用正面進水，正面排沙形式，投資最大，應用相對較少，但對泥沙問題特別嚴重的水庫，“門前清”防沙效果最佳，我國黃河小浪底水利樞紐即采用該種方式，布置形式基本相似，效果較好，可做原型參照。但因兩洞進水口平面上重疊布置，汛期泄洪拉沙時進水口部位流態(tài)復雜，為三維紊流，泥沙擾動較強烈，可能帶來更大的粗粒過機問題，本次考慮將導流泄洪洞進口向前伸出一定距離，減輕兩洞同時工作的相互影響，伸出距離初定為5.0 m，位于沖沙漏斗范圍內(nèi)，具體布置應通過進水口模型試驗確定。

綜上所述，結合本工程實際情況，塔日勒嘎電站進水口實際上為3 個梯級電站的進水口，重要性相當突出，為確保梯級電站引水發(fā)電安全，最大限度減少泥沙影響，本次推薦采用方案3 的組合進水塔方案。

2.3 組合進水塔的布置

組合進水塔布置在大壩左岸上游沖溝出口，進口軸線與壩軸線夾角17.3°，距壩軸線距離232 m。進水口前沿總寬30.0 m，縱軸線方位角N86.2°E，順水方向長47.7 m，塔體總高度38.6 m，高程2 233.0 m 以下為大體積混凝土，布置洞泄洪沖沙隧洞，其上為薄壁墻墩結構形式，布置發(fā)電引水設施，兩洞高差15.1 m，進口立面形象地稱為“鼻子正對嘴”。高程2 233.0 m 部位中間設置泄洪洞檢修門，兩邊布置發(fā)電洞進口流道及攔污柵，流道在泄洪洞檢修門框架井后漸變合并，其后布設發(fā)電洞檢修門。所有隧洞攔污、檢修設施均在組合進水塔布置完成，然后兩洞分別進洞，下部泄洪洞直線進洞，上部發(fā)電洞平面上向山體側旋轉52°進洞。頂部2 254.0 m 高程檢修平臺通過交通橋連接上壩公路。該布置雖下部混凝土方量較大，但大多為大體積混凝土，由于組合進水塔體型較大，增加了高地震烈度下進水塔的穩(wěn)定性及結構抗震性能，見圖1、圖2。

圖1 進口組合式進水塔結構布置圖

圖2 進口組合式進水塔剖面圖

3 泥沙計算及模型試驗

鑒于該工程泥沙問題突出，2011年5月～2013年5月，特委托中國水科院泥沙所進行庫區(qū)二維數(shù)模和壩區(qū)泥沙物模試驗。

3.1 數(shù)模計算

利用其自主開發(fā)的平面二維水沙數(shù)學模型進行分析計算，主要為研究水庫淤積形態(tài)及庫容損失情況、分析過機泥沙含量及級配、沖刷漏斗范圍和形態(tài)。選擇1965年、1988年、1990年、1996年和2005年5 個典型年按時間順序循環(huán)組成的長系列水沙資料進行多方案計算與分析。塔日勒嘎水庫采用“蓄清排渾”運行調(diào)度方式，采用當入庫流量大于225 m3/s時停機敞泄，其他流量維持正常蓄水位2 250.0 m 的運行調(diào)度方案。運行10年后基本達到?jīng)_淤平衡，水庫呈三角洲淤積形態(tài)，淤積量維持在（3 051.6～3 803.2）萬t 左右，壩前淤積高程2 240 m 左右，淤積平衡后10年平均保留調(diào)節(jié)庫容為856.9 萬m3，進水塔前沿不同方案形成不同沖刷漏斗，縱坡為1∶2～1∶3.1，縱向長度（45～60）m，能保持發(fā)電洞的“門前清”。平均過機含沙量為1.68 kg/m3，大于0.05 mm 的泥沙含量為0.27%，有效地減少粗沙過機。

3.2 物模試驗

泥沙模型采用正態(tài)動床模型，模型比尺在1∶50左右，試驗范圍：壩上1.6 km，壩下0.65 km，主槽最寬500 m，試驗主要結論如下：

（1）設計采用組合進水塔方案，在沖沙洞經(jīng)常排沙運用條件下，能夠保持發(fā)電洞前的“門前清”，并有利于減輕過機泥沙對機組的影響，工程布置方案是合理的。

（2）泄洪沖沙洞的漏斗形態(tài)近似半橢圓，不同方案水位下縱坡比降變化于1∶2.3～1∶3.1，沖刷漏斗的橫向坡度約為1∶2.0，形成穩(wěn)定的沖刷漏斗所需模型時間約為（30～35）h。沖沙洞前伸的布置要優(yōu)于不前伸的布置形式。見圖3。

（3）模型模擬了水庫泄空8 h 條件下沖刷過程，溯源沖刷影響范圍最遠可達壩址上游約0.45 km處的河段，沖刷河槽寬度一般在（15～30）m 左右，水庫拉沙效果較好。

3.3 泥沙計算及試驗結論

圖3 進水口沖刷漏斗平面形態(tài)照片

從數(shù)模計算和物模試驗成果看，水庫在合理調(diào)度下，能維持一定的調(diào)節(jié)庫容，水庫使用壽命可確保。組合進水塔所形成沖刷漏斗完全能保證發(fā)電洞進口門前清。經(jīng)采用汛期入庫流量大于225 m3/s 時停機拉沙，后10年平均保留庫容為856.9 萬m3，發(fā)電洞d≥0.05 mm 粗沙所占比例不到1.0%，含沙量為（0.713～2.415）kg/m3，對該水頭機組而言，運行可達國內(nèi)同等水平，泥沙問題得到了較好的解決。

4 結論及建議

泥沙問題嚴重的水庫，發(fā)電引水進口需確保“門前清”，本工程經(jīng)過綜合比較，采用組合進水塔，導流泄洪沖沙隧洞與發(fā)電引水隧洞進口合并上下垂直布置，利用下部泄洪沖沙隧洞拉沙，形成沖刷漏斗，可確保發(fā)電洞進口不被淤死。同時根據(jù)泥沙垂線上的分布特點，水庫合理調(diào)度，引取表層含沙小的水流，可有效減輕對機組的磨蝕。

設計中認識到，組合式進水塔上下兩洞高差應盡可能大，對沖刷漏斗和過機泥沙均有利。運行中密切監(jiān)測組合進水塔前泥沙淤積面的變化，及時開啟泄洪排沙洞，保持盡可能大的沖刷漏斗范圍。