新疆多泥沙河流水庫(kù)工程 灌溉和生態(tài)用水泄放方式研究

萇登侖

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 問題的提出

新疆環(huán)塔里木盆地干旱的氣候環(huán)境，山區(qū)植被稀少，巖體裸露，在水流侵蝕作用下，造成流域上表層風(fēng)化的巖石和疏松土壤挾帶入河流，形成河流泥沙。新疆河流大多徑流季節(jié)分布較為集中，夏季暴雨洪水與融雪型洪水導(dǎo)致河流來(lái)水峰高量大，洪水裹挾大量推移質(zhì)粗顆粒入庫(kù)。礫石粒徑變化大，泥沙礦物成分一般為中硬～硬。部分河流泥沙特性見表1。

新疆多泥沙河流中，無(wú)論是在建設(shè)期還是在運(yùn)行期，泄洪底孔受到泥沙的磨蝕破壞首當(dāng)其沖。如輪臺(tái)縣迪那河五一水庫(kù)自2012年9月工程截流后，大多數(shù)時(shí)間河水以明流狀態(tài)通過導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞下泄至下游河道，水流流速較低。但水流裹挾砂石進(jìn)入洞內(nèi)，對(duì)洞襯混凝土造成嚴(yán)重的磨蝕破壞[1- 2]。2014年2月在對(duì)洞內(nèi)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)洞內(nèi)混凝土已經(jīng)出現(xiàn)較嚴(yán)重磨蝕破壞，并出現(xiàn)鋼筋外漏情況。2016年10月對(duì)洞內(nèi)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)底板混凝土磨蝕情況更加嚴(yán)重，有壓洞底拱、無(wú)壓洞底板及邊墻底部混凝土和上層鋼筋都存在不同程度破壞。其中工作閘井底板2cm的襯護(hù)鋼板局部磨穿，無(wú)壓洞段底板上層鋼筋外露面積達(dá)到45%，局部沖坑深度超過50cm[3]。

若長(zhǎng)期采用導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞小開度控泄放水，將大大增加對(duì)導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞產(chǎn)生的破壞，主要是因?yàn)椋孩賹?duì)混凝土及閘門埋件造成的磨蝕、氣蝕破壞將更加嚴(yán)重；②液壓?jiǎn)㈤]機(jī)由于不可避免的內(nèi)泄露，不能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制下泄生態(tài)基流和灌溉用水流量；③可能會(huì)引起閘門震動(dòng)破壞[4]。在多泥沙河流，導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞長(zhǎng)期泄放小流量，還會(huì)造成洞內(nèi)淤堵，造成進(jìn)口事故檢修門無(wú)法閉門，甚至危及工程安全[5]。同時(shí)，由底孔泄放灌溉及生態(tài)用水帶來(lái)檢修頻繁、難度大、投入高的問題。因此，在多泥沙河流的水庫(kù)工程設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免采用底孔泄放灌溉及生態(tài)用水。

2 無(wú)電站水庫(kù)泄放方式研究

對(duì)于沒有電站的水庫(kù)工程，工程任務(wù)以防洪、灌溉為主，同時(shí)在不同時(shí)段應(yīng)滿足生態(tài)基流的要求。工程泄水建筑物包括溢流表孔和泄洪底孔，大型水庫(kù)或壩高超過70m時(shí)，可能還設(shè)置泄洪中孔輔助泄洪[6]。泄洪時(shí)根據(jù)不同搭配，從理論上來(lái)說(shuō)依靠泄水建筑物可以滿足灌溉和生態(tài)放水的要求。但考慮到泄洪底孔小開度放水磨損嚴(yán)重，需要經(jīng)常檢修維護(hù)，難以滿足下游的灌溉和生態(tài)用水需求。

烏恰縣托帕水庫(kù)是恰克瑪克河上的控制性水庫(kù)，主要任務(wù)是灌溉、防洪。水庫(kù)正常蓄水位2394.5m，總庫(kù)容6098.93萬(wàn)m3，為Ⅲ等中型工程。水庫(kù)由攔河壩、溢洪洞、泄洪沖沙洞、灌溉放水洞等建筑物組成[7]。

表1 塔里木盆地部分河流泥沙特性表

水庫(kù)運(yùn)行方式為：為保證下游灌區(qū)防洪安全，在汛期4月初—9月底水庫(kù)水位維持在汛期限制水位運(yùn)行，預(yù)留防洪庫(kù)容，承擔(dān)下游防洪安全。其中7—8月份在死水位沖沙運(yùn)行，以減少泥沙在庫(kù)內(nèi)的淤積量，其它月份水庫(kù)按灌溉要求蓄、放水。

11月份至次年2月份不需要泄放灌溉用水，但根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，該時(shí)間段不能滿足泄洪底孔過流面混凝土、鋼筋、閘門及金屬埋件的檢修時(shí)間要求，而且修補(bǔ)材料一般采用的環(huán)氧樹脂、丙乳等高分子材料[8]用量大、費(fèi)用高，加上冬季施工費(fèi)用也較高，導(dǎo)致修補(bǔ)投入高(超百萬(wàn)元)[9- 12]。頻繁的檢修維護(hù)更是大大增加了工程運(yùn)行負(fù)擔(dān)。

為了解決上述問題，本工程增設(shè)了一條灌溉放水洞和生態(tài)放水管。主要由引渠段、進(jìn)口閘井段、有壓洞段、工作閘井段、無(wú)壓洞段、出口消能段、生態(tài)放水管等部分組成。事故閘井孔口尺寸為2.0m×2.0m，有壓洞長(zhǎng)323.4m，為D=2.0m圓形斷面，工作閘井孔口尺寸為1.5m×1.5m，無(wú)壓洞長(zhǎng)35m，為2.0m×3.0m城門洞型斷面。為保障生態(tài)基流的需要，在灌溉放水洞工作閘井前開孔，設(shè)置生態(tài)放水管，沿灌溉放水洞底板下行，出洞后經(jīng)消能泄入灌溉放水洞出口段消力池，放水管長(zhǎng)101m，管徑DN600。根據(jù)下游灌溉需水量的要求，灌溉放水系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)流量為16m3/s，滿足最大灌溉用水需求；生態(tài)放水管最小下泄流量為0.52m3/s，滿足少水期生態(tài)基流需求。

通過增設(shè)灌溉放水洞向下游提供灌溉和生態(tài)用水的泄放方式，減少了泄洪底孔的工作任務(wù)，提高了下游灌溉和生態(tài)放水的保證率，大大減輕了水庫(kù)運(yùn)行成本。

3 有電站水庫(kù)泄放方式研究

3.1 電站尾水滿足下游用水需求

若電站發(fā)電時(shí)段較長(zhǎng)，發(fā)電時(shí)段引水流量不小于灌溉流量，該時(shí)段自動(dòng)滿足下游灌溉和生態(tài)用水需求。但由于在電站不發(fā)電時(shí)段下游用水量較小，如何保證機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間高效、穩(wěn)定運(yùn)行是設(shè)計(jì)中必須考慮的問題。

策勒縣奴爾水利樞紐是奴爾河上的控制性工程，工程任務(wù)是灌溉、發(fā)電。水庫(kù)正常蓄水位2497m，總庫(kù)容0.69億m3，電站總裝機(jī)容量為6.2MW，為Ⅲ等中型工程。工程由攔河壩、導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞、溢洪洞、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等建筑物組成[13]。電站建成后聯(lián)入南疆電網(wǎng)，承擔(dān)系統(tǒng)基荷，發(fā)電調(diào)度運(yùn)行要求電調(diào)服從水調(diào)，滿足灌溉供水任務(wù)，按下游灌溉用水發(fā)電。設(shè)計(jì)中在機(jī)組臺(tái)數(shù)及單機(jī)容量選擇上充分考慮下游灌溉和生態(tài)用水需求，經(jīng)比選最終選擇“兩大一小”型式，大機(jī)容量為2×2.85MW，小機(jī)容量為1×0.5MW。滿足下游灌溉用水高峰流量為11.3m3/s，滿足下游生態(tài)基流的最小流量為0.54m3/s。

通過調(diào)整機(jī)組選型，使灌溉和生態(tài)用水全部通過電站發(fā)電后排入下游河道的泄放方式，避免了由泄洪底孔泄放帶來(lái)諸多問題，節(jié)省了工程投資、保證了工程安全、方便了運(yùn)行管理，同時(shí)保證灌溉和生態(tài)用水全部用來(lái)發(fā)電，提高了水資源的利用效率，也使得工程效益最大化[14- 15]。

3.2 電站尾水不滿足下游用水需求

在電站檢修維護(hù)期，下游灌溉用水和生態(tài)用水無(wú)法通過電站尾水泄放，也不應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間通過泄洪建筑物泄放，則應(yīng)考慮其它的泄放方式。

于田縣達(dá)克曲克水電站工程任務(wù)是發(fā)電和承擔(dān)上游玉龍喀什水利樞紐調(diào)峰發(fā)電后的反調(diào)節(jié)，發(fā)電運(yùn)行需要保證下游各業(yè)及生態(tài)的用水要求。主要包括大壩、泄水建筑物、發(fā)電引水建筑物、水電站廠房及尾水渠等建筑物。總裝機(jī)容量為75MW，水庫(kù)總庫(kù)容1130萬(wàn)m3，為Ⅲ等中型工程[16]。電站主要在電力系統(tǒng)基荷運(yùn)行，枯水期1—5月分別安排檢修維護(hù)，不能滿足生態(tài)用水的需求。設(shè)計(jì)中在壩后設(shè)置了生態(tài)基流電站，在導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞有壓洞段開孔，通過管道引水進(jìn)入生態(tài)電站發(fā)電，引水管道包括洞內(nèi)壓力鋼管道段和洞外埋管段，管道總長(zhǎng)107.618m，洞徑2m。生態(tài)基流電站裝機(jī)容量為5MW，引水流量為13.2m3/s。

本工程因電站檢修生態(tài)用水不能由電站尾水泄放，通過設(shè)置生態(tài)電站，滿足了下游用水需求，避免了泄洪底孔小開度泄水帶來(lái)的危害，同時(shí)提高了水資源的利用效率和工程效益。而對(duì)于電站檢修期內(nèi)同時(shí)還有灌溉用水需求時(shí)，應(yīng)考慮在增設(shè)灌溉放水洞和優(yōu)化電站檢修方式上選擇。

4 電站二期建設(shè)泄放方式研究

對(duì)于一些發(fā)電不是主要工程任務(wù)的水庫(kù)工程，建設(shè)單位考慮將電站作為二期建設(shè)內(nèi)容，可能長(zhǎng)期無(wú)法通過電站尾水泄放灌溉和生態(tài)用水。

輪臺(tái)縣五一水庫(kù)工程是迪那河干流上的控制性工程，具有供水、灌溉、防洪兼顧發(fā)電等綜合效益。水庫(kù)工程由大壩、溢洪洞、導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞、發(fā)電引水系統(tǒng)和供水管線等主要建筑物組成，水庫(kù)正常蓄水位1370.0m，最大壩高102.5m，總庫(kù)容0.995億m3，為Ⅲ等中型工程[17]。本工程電站為二期建設(shè)項(xiàng)目，且建設(shè)時(shí)間不能確定。發(fā)電引水系統(tǒng)進(jìn)口引渠、進(jìn)口閘井、引水隧洞及出口段明管為一期建成。為避免導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞小開度泄放灌溉及生態(tài)用水，在發(fā)電洞出口明管段開孔，設(shè)置灌溉放水管，經(jīng)消能閥和導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞出口消力池消能后放入下游河道，引水管總長(zhǎng)50.75m，主管管徑DN1800，設(shè)計(jì)流量為14.22m3/s[18]。

在發(fā)電洞出口明管段開孔設(shè)置灌溉放水管來(lái)泄放灌溉和生態(tài)用水的泄水方式，充分利用一期建設(shè)的發(fā)電洞和導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞出口消力池進(jìn)行引水和消能，保證了電站二期建成前下游的灌溉和生態(tài)用水需求，大大降低了泄洪底孔小開度泄水的幾率和帶來(lái)的危害。

5 結(jié)語(yǔ)

新疆多泥沙河流泄洪建筑物磨蝕破壞問題比較突出，為了避免底孔小開度放水給工程造成危害，本文提出了更加合理的灌溉和生態(tài)用水泄放方式，為水利工程設(shè)計(jì)提供了參考，主要包括：

(1)無(wú)電站水庫(kù)工程通過增設(shè)灌溉放水洞，或增設(shè)灌溉放水洞+生態(tài)放水管泄放。

(2)有電站且尾水滿足下游用水需求的水庫(kù)工程，通過機(jī)組合理選型，使灌溉和生態(tài)用水全部從電站尾水泄放；有電站但尾水不滿足下游用水需求的水庫(kù)工程，通過設(shè)置生態(tài)電站或增設(shè)灌溉放水洞等方式泄放。

(3)電站二期建設(shè)的水庫(kù)工程，通過在發(fā)電洞出口明管段開孔設(shè)置灌溉放水管來(lái)泄放。