巴基斯坦達蘇水電站沖沙設施效果的試驗研究

[] M.

巴基斯坦達蘇水電站沖沙設施效果的試驗研究

[巴基斯坦] M.阿克拉姆等

建于印度河上的達蘇水電站工程項目由世行資助，其目的是為巴基斯坦提供清潔能源，目前已開始了前期建設工作，計劃于2021年完成第1階段工程(2 160 MW)。達蘇水電站的使用壽命有賴于70 km庫區入庫泥沙的處置。旨在為該水電站泥沙治理提供新的解決方案，以利于工程效益的發揮與最大化。

水庫泥沙淤積；沖沙效果；水工模型試驗；沖沙隧洞；底孔沖沙；達蘇水電站；巴基斯坦

雖然經過了70多年的研究，水庫泥沙淤積仍然是大壩工程專業面臨的最嚴峻的技術挑戰之一。泥沙淤積導致全世界水庫的蓄水庫容急劇減小，早期的處置措施是提供充足的庫容以容納泥沙淤積。然而觀測發現：大多數水庫的泥沙淤積起始于水庫上游段，因而所侵占的往往是有效庫容。

維持水庫庫容和促使泥沙下泄的泥沙治理技術很多，其中大多數典型技術所要求達到的治理目標可總結為“蓄清排渾”，很多治理技術也已經成功應用于多種類型水庫。盡管專業術語存在差異，有學者還是將泥沙治理技術辨識為3大類別，即水庫過沙或旁側輸沙方法、水庫清淤恢復庫容方法，以及水庫上游來沙最小化方法。

前2類方法既維持了水庫庫容又為下游河段供給泥沙，第3類上游減沙方法僅能解決水庫庫容問題而不能解決下游輸沙阻斷問題。阿特莫迪和蘇里賓2012年的研究總結認為：有效的沖沙水位接近于泥沙淤積體的頂高程，因為此時可以觸發頂層泥沙的沖刷，進而產生最大沖刷。高于或低于有效沖沙水位的有壓沖沙，其沖沙效果均較差。

康道夫等指出：水庫攔沙阻斷了河流輸沙的連續性，不僅造成了水庫庫容的損失和水庫使用壽命的縮短，同時也剝奪了下游河段的輸移泥沙，而這些泥沙對于河道穩定與水生生境至關重要。隨著全球大壩建設的加速，這些影響將還會進一步擴大。雖然有關水庫過沙、旁側輸沙、維持水庫庫容和減小下游影響等成熟技術很多，但是在某些本應該有應用效果的場合，它們并沒有得到采用。

艾薩克和埃爾多研究發現：流量75 m3/s時的沖沙效果不佳，沖沙量僅為12.8萬m3，不到36 h泥沙淤積總量的30%；但是對于大流量150 m3/s和300 m3/s，有效沖沙遍及整個庫區河段；峰值流量300 m3/s時，24 h內可以沖刷1 a的泥沙淤積量；次級流量150 m3/s的沖沙也是有效果的，只是此時需要更長的沖沙時間。

綜合考慮相關文獻的研究成果和達蘇(Dasu)水電站工程項目的具體情況，本文開展了達蘇水電站沖沙設施效果的評估工作，以期達到維持水庫庫容的目標。

1 試驗方法

1.1 工程位置與研究方法

達蘇水電站是建在印度河上的一座徑流式水電站，位于巴基斯坦開伯爾巴圖克瓦省(Khyber Pakhtunkhwa)達蘇鎮上游7 km、伊斯蘭堡(Islamabad)以北345 km處，工程方案的主要特征指標見表1。

為研究水庫在確定的運行時間內泥沙的淤積規律，達蘇水電站咨詢委員會(DHC)在詳細工程設計時開展了泥沙沖淤計算分析，計算條件是庫水位維持正常蓄水位(FSL)950 m運行和不采用任何沖沙調度運行。

表1 達蘇水電站的設計特征值

1.2 水工模型研究

考慮到水庫泥沙淤積問題與達蘇水電站工程方案的重要性，決定開展詳細的水工實體模型研究，以確保大壩及其附屬建筑物的有效運行。同時，為了延長工程壽命，有必要對水庫的淤積泥沙進行沖刷，推薦了底孔和沖沙隧洞2類沖沙設施。為了評估沖沙設施的效果，提出了下列2種水工模型。

(1)整體模型(比尺1/80)。模擬的大壩河段長度約7.5 km，包括壩上游3 km區域、泄洪閘、底孔、分洪隧洞和電站設施等。

(2)底孔斷面模型(比尺1/40)。采用樹脂玻璃制作一座底孔，包括上游檢修閘和下游弧形節制閘；測試的水工參數包括流量、壓力、水深和泄流水舌軌跡等。

1.2.1 沖沙流量

考慮年均流量2 012 m3/s，達蘇水電站沖沙設施的設計泄流能力應該大于4 200 m3/s。因此需要對底孔進行設計變更，在維持正常蓄水位950 m與最低運行水位900 m之間庫容前提下，滿足自由泄流下的降水沖沙。2004年，懷特博士(《水庫清淤》一書(2001年)作者，卡拉巴格(Kalabagh)大壩專家組成員)提出：基于國際大壩委員會注冊的現狀大壩運行數據，沖沙流量至少應該取年均流量的2倍。

1.2.2 整體模型

整體模型的原型比尺為1/80，建在南迪普(Nandipur)水工研究所。按照佛汝德數相似準則，將全部建筑物制作為定床模型。采用水泥混凝土，對高程760 m至高程975 m(壩軸線上游)和高程875 m(下游)的河谷地形進行精確制模，并在模型中制作了所有工程建筑物。模型上游末端安裝2臺長2.7 m、高0.9 m薄壁堰進行流量測量(見圖2)，采用美國墾務局《水工測量手冊》推薦的雷伯克(Rehbock)堰流公式計算流量。模型與原型數據轉換見表2。

表2 模型數據與原型數據轉換關系

整體模型中制作了9座直徑6.4 m底孔，并對它們進行了不同流量下的試驗測試；庫水位經過適當時間的穩定之后，對各級流量下的模型水頭進行記錄。底孔試驗之后，設計推薦提出了直徑9.5 m沖沙隧洞方案，以確保泥沙顆粒的有效沖刷。共開展了2類沖沙試驗，即高水位下的有壓沖沙和降低水位下的降水沖沙，以增加趨近沖沙設施水流的流速。原設計2座沖沙隧洞均位于右岸，制作的模型見圖1。

圖1 整體模型

2 試驗結果與討論

2.1 水庫泥沙淤積

不考慮沖沙運行時每5 a水庫泥沙淤積三角洲的縱剖面線見圖2， 采用一維HEC-RAS模型計算的入庫泥沙攔沙率為58%，與布倫(Brune)公式計算的攔沙率61%吻合較好。

圖2 正常蓄水位運行條件下每5 a水庫泥沙淤積縱剖面

每5 a泥沙淤積剖面線特性分析表明：

(1)基于每5 a泥沙淤積三角洲縱剖面線，水庫運行20～25 a后電站和底孔取水口將會淤滿泥沙；

(2)第1階段工程投運15 a后，壩上游約9 km處泥沙淤積三角洲將淤積至高程780 m，而三角洲頂點將達到高程910 m；

(3)預計泥沙淤積三角洲很快到達壩前，超過三角洲的穩定比降，這可能會引起三角洲的突然崩塌，造成底孔進口淤堵；第1階段工程投運25 a之內，電站和底孔取水口設施將會淤滿泥沙。

2.2 底孔沖沙效果

首先開展有壓流和自由流條件下的底孔沖沙試驗。為了進行該項試驗，采用了粒徑0.18 mm的無粘性細顆粒泥沙，對底孔上游進行了動床鋪沙準備。臨近底孔處由固定床面高程800 m鋪沙至動床頂高程830 m，然后往上游方向以20°傾角抬升至頂高程870 m。

2.2.1 有壓沖沙

開啟底孔進行模型試驗，調整庫水位穩定至高程900 m；試驗10 h之后，停止放水，小心放空模型。模型試驗觀測表明：動床床面保持不變，沒有觀測到泥沙運動；即使重復試驗10 h，情況仍然不變，增加入流也沒有沖沙影響。

2.2.2 降水沖沙

降水沖沙條件下泥沙床面的準備與上述有壓沖沙一樣，以制模床面不受干擾的方式將庫水位蓄高至900 m；然后開啟全部底孔，降低水庫至“平衡”庫水位，維持水位運行模型10 h。試驗觀測表明：僅在底孔前方40～45 m區域沖沙有效。

模型試驗表明：底孔沖沙效果不明顯，僅能觀測到局部沖刷；在底孔斷面模型上重復上述試驗，結果一樣。之后，設計增加了沖沙隧洞。

2.3 右岸雙座沖沙隧洞試驗(原設計)

根據已建整體模型右岸的形狀與地形制作沖沙隧洞，模擬的壩上游河段超過3 km。每座沖沙隧洞包括取水口建筑、隧洞圓形斷面段、控制閘室及其下游馬蹄形斷面段、挑流出口段等部分，所有部分均按照設計圖紙與尺寸采用樹脂玻璃精確預制并安裝在模型上，安裝之后依據地形等值線數據重建河岸。

2.3.1 泥沙床面830 m試驗

采用平均粒徑0.18 mm非粘性清細沙，對模型壩上游泥沙床面進行制模，即頂高程830 m、往上游方向坡比1∶500、淤積三角洲河段試驗長度3 km。設計泥沙床面制模完成后，借助埋置于淤積三角洲下面的環形管回填模型，并避免擾動淤積三角洲。回填后開展如下模型試驗：

(1)下泄流量2 100 m3/s下沖沙隧洞運行試驗；

(2)下泄流量4 400 m3/s下沖沙隧洞與9座底孔聯合運行試驗。

2組試驗表明，淤積三角洲高程830 m條件下的沖沙沒有明顯效果。

2.3.2 泥沙床面835 m試驗

按泥沙床面頂高程835 m制作模型，其他參數不變。模型運行隧洞沖沙10 h，并同時開啟9座底孔；試驗末期關閉所有運行設施，小心放空模型，記錄床面地形。試驗觀測表明：泥沙床面出現沙波起伏，沖沙隧洞前緣水面高程844 m，沖沙隧洞前沿取水口出現局部沖刷。

2.3.3 泥沙床面845 m試驗

按泥沙床面頂高程845 m制作模型，試驗結果表明：模型10 h運行期間，水面高程由開始運行的852 m經過沖刷下降至844 m。試驗后床面地形顯示：右側出現泥沙沖刷，但左側電站取水口前緣泥沙反而淤高至847 m。這表明：僅在沖沙隧洞取水口短距離區域沖沙有效，但對于對岸電站取水口前緣沖沙沒有效果。

泥沙床面制模高程不變，試驗時間由10 h延長至20 h和53 h，模型水流流態和床面等值線測量結果見圖3。試驗清楚表明：即使延長試驗時間，電站取水口前緣淤積泥沙保持原樣不變，但是對于沖沙隧洞取水口以上河段，沖刷卻更加有效，這無疑應歸因于試驗時間的延長。

圖3 模型沖沙運行20 h后壩上游床面形態(單位：m)

分析沖沙隧洞與底孔聯合運行試驗結果以后，決定關閉沖沙隧洞，觀測底孔的沖沙效果，開展了如下試驗：

(1)入流流量2 770 m3/s下 9座底孔運行；

(2)入流流量1 846 m3/s下左側6座底孔運行(旨在沖刷電站取水口淤積泥沙)。

泥沙淤積床面高程845 m條件下進行了10 h沖沙試驗，結果沒有出現泥沙沖刷，尤其是電站取水口前緣，其原因是主流偏向右側。

模型沖沙隧洞取水口上游河段略偏向右側，該河段流態十分均勻，流速分布也均勻。沖沙隧洞位于壩軸線上游右岸，當水流趨近沖沙隧洞取水口時，大部分水流偏向取水口，剩余水流流向壩體底孔。沖沙隧洞取水口與壩體之間，高速水流流向右側，形成深槽，且水流集中于此槽，其結果是電站取水口前緣出現低流速段，取水口前緣淤積泥沙難以沖刷。在泥沙床面頂高程835 m和845 m與模型試驗時間10,20 h和53 h條件下，電站取水口前緣淤積高程分別達到837 m和847 m，右側形成深槽，最低高程分別為825 m(10 h試驗)和817 m(53 h試驗)(見圖4)。大部分沖刷泥沙經沖沙隧洞下泄，僅有少量泥沙經底孔下泄。10 h試驗時，沖沙隧洞上游短距離區域內沖沙有效；但53 h試驗之后，沖沙對于模型所有淤積三角洲河段均有效。底孔無論與沖沙隧洞聯合運行還是單獨運行，沖沙量都十分有限。鑒于沖沙隧洞取水口前緣漸進段和第1隧洞近臨側的河岸陡峭，第1隧洞右側形成了一個永久泥沙淤積區。

圖4 模型沖沙運行53 h后壩上游床面形態(單位：m)

2.4 一側一座沖沙隧洞試驗(新設計)

右側雙座沖沙隧洞方案模型試驗表明：電站取水口前緣泥沙淤積無法得到沖刷，因此建議將一座沖沙隧洞移至左側，并進行降水沖沙的聯合效果試驗。模型調整為左、右岸各一座沖沙隧洞，開展下列試驗。

2.4.1 泥沙床面頂高程840 m

按泥沙床面頂高程840 m制作模型，往上游方向坡比1∶500，小心回填水庫。模型試驗流量2 120 m3/s，庫水位到達857 m時打開2座沖沙隧洞運行10 h。基于視覺觀察和測量數據分析可知：泥沙床面出現沙紋起伏，運行條件下沖沙隧洞前緣水面高程856.5 m，沖沙隧洞取水口前緣出現局部沖刷。

2.4.2 泥沙床面頂高程845 m

按泥沙床面頂高程845 m制作模型，往上游方向坡比1∶500，再次小心回填水庫。模型試驗流量4 400 m3/s，庫水位到達857 m時同時打開沖沙隧洞和底孔運行20 h。基于視覺觀察和測量數據分析可知：沖沙隧洞取水口最終水面高程由857 m大幅度降至845.2 m，試驗后床面形態見圖5，2座沖沙隧洞前緣沖沙均有效。

圖5 模型沖沙運行20 h后壩上游床面形態(單位：m)

2.4.3 泥沙床面頂高程850 m

按泥沙床面頂高程850 m制作模型，往上游方向坡比1∶500。模型試驗流量4 400 m3/s，庫水位到達857 m時同時開啟沖沙隧洞和所有底孔運行10 h。觀測發現：沖沙隧洞取水口最終水面高程下降至846 m，2座沖沙隧洞前緣沖沙均有效果，其床面降低至835 m。

一側一座沖沙隧洞方案試驗表明：該方案布置非常有效，沖刷了電站取水口前緣的淤積泥沙，而這部分泥沙在右岸雙座沖沙隧洞方案中無法沖刷。模型運行20 h，其有效沖刷范圍上溯至壩上游1.5 m處；而且隨著沖沙時間的延長，沖刷上溯更長。由于模型所采用的泥沙均值粒徑0.18 mm對應的原型粒徑為3.5 mm，因此試驗結果是定性的，但是沖刷河段仍足以覆蓋電站取水口前緣區域。

2.5 原設計與新設計沖沙效果對比

通過泥沙床面制模高程845 m、運行流量4 400 m3/s、2座沖沙隧洞和9座底孔沖沙運行10 h等條件下的原設計與新設計方案模型試驗，獲得了壩上游不同距離床面形態的詳細斷面圖(見圖6)。分析表明：對于原設計方案，右側而非左側的沖沙有效；而當隧洞每側分置時，兩側的沖沙均有效果。

圖6 沖沙隧洞布置改變對沖沙效果的影響對比

3 結 論

如果沒有沖沙運行，25 a之后達蘇水庫將失去所有庫容，本文模型試驗研究的主要結論可概括如下：

(1)如果僅采用底孔沖沙，沖沙沒有效果(特別是有壓沖沙)，降水沖沙的效果也是非常局部的。

(2)右側雙座沖沙隧洞并與底孔聯合運行，對于整個模型河段的沖沙是有效的，但電站取水口的累積淤積增加了水輪機的磨蝕風險；一側一座沖沙隧洞并與底孔聯合運行，對于防止電站取水口的累積泥沙淤積經證明十分有效。

(3)對于狹長峽谷型的達蘇水庫，降水沖沙的效果更佳，但是水庫降水期間的水量損失也是十分巨大的，降水沖沙對于水庫某些部位的沖刷經證明十分高效。

(4)在達到某一時間之前，達蘇水電站沖沙設施的沖沙效率與沖沙時間呈正相關關系。

(5)降水沖沙需要在洪水初期(5月中旬至6月中旬)進行，此時印度河達蘇站的平均流量才可以滿足有效沖沙所要求的流量4 400 m3/s。

最后，沖沙設施的運行效果還依賴于沖沙隧洞的檢測結果、監測結果的采用以及地形測量等，其目標是阻止庫底泥沙淤積體的壩前推進。

董耀華譯

(編輯：朱曉紅)

2017-04-18

1006-0081(2017)08-0012-05

TV697.3

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董耀華，男，長江水利委員會長江科學院，教授級高級工程師。)