淺析夏特水電站泥沙綜合處理措施研究

王 斌， 王 海 巖

(1.克州新隆能源開發有限公司，新疆 克州 845450；2.長江委水利水電工程監理中心，河南 信陽 464399)

1 概 述

塔日勒嘎、夏特、八村水電站工程為克孜河中游河段梯級電站，開發方案為一庫三級開發，即塔日勒嘎水庫大壩，三個引水式廠房——塔日勒嘎、夏特、八村。塔日勒嘎壩址、位于克孜河中游，壩址以上無已建水電工程。夏特廠房位于塔日勒嘎壩址下游約24.5 km處，靠河灘布置，接塔日勒嘎廠房發電尾水。

克孜河屬喀什噶爾水系，發源于吉爾吉斯坦境內海拔6 048 m的特拉普齊亞峰，河流全長445.5 km，我國境內長約371.8 km，河流走向由西向東，下游經過平原灌區，消失于塔克拉瑪干大沙漠。克孜河中游山地帶兩岸山體裸露，植被稀疏，氣候干燥，物理分化作用強烈，當有暴雨發生時，兩岸風化、風積的沙質堆積物沖入河道致使含沙量沿程不斷增大。

塔日勒嘎壩址控制集雨面積10 381 km2，多年平均流量61.7 m3/s，多年平均懸移質含沙量6.2 kg/m3，多年平均懸移質輸沙量1 174萬t，多年平均推移質輸沙量58.7萬t，多年平均輸沙總量1 233萬t，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，石英質含量為30～45%、長石含量為15～25%,對水庫防沙及機組磨蝕極為不利[1]。

由于河流泥沙含量大，泥沙硬度高，導致進機組泥沙量大，造成電站水輪機過流部件磨損嚴重，機組維修周期大大縮短，過流部件頻繁返廠修復等問題，將直接造成電站運維、檢修成本的增加。夏特水電站通過綜合研究電站防沙排沙及水輪機抗磨蝕的處理措施，有效降低了機組過機泥沙，提高了機組使用效率，增加了電站運行收益。水電站泥沙綜合處理措施不僅解決了夏特電站開發中的技術難題，也為相似類型電站建設提供了借鑒。

2 水電站泥沙處理措施

2.1 水利工程中沉沙工程措施

水利水電工程中常用水沙分離技術主要有沉沙池、螺旋流排沙渦管和排沙漏斗等。自上世紀五十年代開始，新疆水利工程上基本全采用從原蘇聯引進的曲線型沉沙池，以及少數廂型沉沙池。由于曲線型沉沙池只能排除粒徑大于5 mm的粗顆粒泥沙，其排除的泥沙僅為入渠泥沙的40%左右；廂型沉沙池處理的泥沙顆粒要比曲線型沉沙池處理的泥沙顆粒細，可工程造價要昂貴得多，其截沙率與曲線型沉沙池都差不多。這兩種沉沙池存在的一個共同問題是已排沙耗水量都要占到引水量的30%左右，這對于水資源緊缺的新疆乃至我國整個西部干旱地區，已不適合。新疆從上世紀七十年代末開始，已不再建曲線型沉沙池，廂型沉沙池亦極少修建。

螺旋流排沙渦管是在渠道底部安裝一根頂部開口且與水流流向有一夾角的渦管，利用水流流入管內所形成的平軸螺旋流，將落入管內的推移質泥沙卷起并排到渠外。排沙渦管的試驗研究和原型觀測發現，細顆粒的泥沙容易越過渦管開口輸向下游，而顆粒較粗的泥沙如卵石等則易掉入管內，造成渦管的淤積和卡堵，特別是其對水流條件的要求較嚴格，僅當渠道水流的Fr=0.7～0.8時，排沙效果較好。因此排沙渦管在工程應用中受到一定的限制。

漏斗式全沙排沙技術是新疆農業大學水利水電設計研究所發明的一種高效節水節能的排沙技術。該技術是通過試驗研究和工程應用而獲得的一項既可排除推移質泥沙又可排除懸移質泥沙的全沙排沙技術[2]。

2.2 同類型電站對比分析

(1)大盈江水電站(四級)位于云南省德宏州盈江縣境內的大盈江干流上。水庫正常蓄水位585.0 m，死水位583.5 m，正常蓄水位對應庫容為15.99萬m3，死水位對應庫容為12.41萬m3，為引水式電站。電站最大水頭329 m，加權平均水頭303.15 m，額定水頭289 m，最小水頭286 m。電站安裝5臺機組，單機容量175 MW，總裝機容量875 MW。電站多年平均含沙量0.446 kg/m3，實測最大含沙量9.25 kg/m3，沙的主要成份為金鋼砂。

2013年在距發電引水洞進口約3.0 km位置增設一約200萬m3的沉沙池，采用不定期排沙。2013年4月沉沙池投入運行。該電站2013年5～12月份沉沙池建成后大壩進水口平均含沙量0.698 kg/m3，含沙量最高為7月，通過沉沙池沉降后，尾水平均含沙量0.26 kg/m3。壩址來水總體上泥沙顆粒以0.1～1 mm為主，粒徑小于0.1 mm、大于1 mm泥沙相對較少。整體上泥沙粒度分布相對比較均勻，沒有大顆粒的礫石出現，以泥沙為主，其中值粒度約在0.1～0.3 mm之間。尾水泥沙顆粒以0.03～0.2 mm為主，泥沙粒度分布均勻，沒有較大石子出現，泥沙粒度小，中值粒度約在0.04～0.08 mm之間，并且泥沙顆粒粒度出現區域比較集中。

同時，該電站還選取50份2013年7～10月份代表性泥沙樣本，對其進行沉降率實驗，除去泥沙脈動對水流中泥沙粒度的影響，壩址來水泥沙沉降率7月份約75.89%、8月份約77.23%、9月份約66%、10月份約47.38%。由實驗結果可見，在汛期壩址來沙沉降率約在66%～90%以上，沉降效果較好。而在枯水期來水、來沙量較小，泥沙粒度也相對較小的情況下，主要以粉沙、泥土為主，其沉降率只能維持在20%左右。

因此，沉沙池在汛期來水和來沙較大時對壩址來沙具有很好的沉降作用，在平水期和枯水期對壩址來沙的沉降作用一般。

(2)同類電站對比。對比2010年～2014年新疆喀什一級、四川南椏河三級、云南瑞麗江一級、大盈江四級等電站相關參數，同類電站參數統計表見表1[3]。

表1 同類電站參數統計表

由表1中統計參數可知：夏特電站水輪機的最大水頭、額定水頭、額定轉速、單位轉速、單位流量、比轉速、比速系數均小于四川南椏河三級電站、云南瑞麗江一級、大盈江四級電站水輪機的參數，汛期通過塔日勒噶電站工程水庫沖、排沙，雖然夏特電站總過機泥沙含量仍大于以上電站，但其d>0.05 mm的過機泥沙含量已小于以上電站，而且夏特電站d>0.25 mm的過機泥沙含量基本為0。

2.3 夏特水電站泥沙綜合處理措施

夏特電站從上一梯級塔日勒嘎廠房尾水直接取水，結合塔日勒嘎電站過機泥沙情況，夏特水電站從泥沙特性研究角度出發，借鑒對比國內外排沙沉沙先進技術應用，采用數學模型和物理模型等研究方法，研究確定了科學合理的上游水庫排沙調度運行方式、電站引水系統泥沙處理方案和水輪機抗磨蝕技術措施：

(1) 針對夏特水電站發電水頭高、過機泥沙含量大、硬度高等特點，運用數學模型、物理模型、原型觀測、工程驗證試驗和水輪機抗磨技術等研究方法，對樞紐布置、水庫泥沙特性、水庫淤積和調度排沙、排沙漏斗、沉沙池、水輪機抗磨蝕處理進行分析研究，形成了梯級電站多泥沙綜合處理技術措施即“以庫代池、合理避沙、機組抗磨”。

(2)采用二維水沙數學模型，選用1990～1998、2000年10年流域水沙資料系列，按來水大于200 m3/s、225 m3/s、250 m3/s三個分界流量時停機敞泄排沙運行方案，對塔日勒嘎水電站水庫進行沖淤分析計算。對應三個方案，水庫均約10年達到初步淤積平衡，剩余有效庫容分別為993萬m3、857萬m3和700萬m3；水庫淤積平衡后，夏特水電站運行10年平均過機含沙量分別為1.44 kg/m3、1.68 kg/m3和2.03 kg/m3，大于0.05 mm的泥沙分別占6%、8%和11%左右。綜合分析確定塔日勒嘎水庫的水庫調度模式：當上游來流量大于200 m3/s時停機敞泄沖砂來確保水庫始終發揮“以庫代池”的作用的前提下，夏特水輪機組采取以上一系列措施后能夠平穩、安全、連續運行[4]。

(3)針對多泥沙河流300 m級高水頭水輪機，結合工程驗證試驗，對多泥沙河流，適當降低水輪機參數水平，針對過機泥沙特性，夏特電站采用400 m水頭段水輪機轉輪、適當降低水輪機參數，取得良好效果。導葉上下軸頸部位采用大圓盤結構并設置防泥沙密封，導葉采用不銹鋼電渣熔鑄；轉輪、導葉、底環、頂蓋上的抗磨板、止漏環等過流部件均選用具有優良抗泥沙磨蝕性能的不銹鋼材料制造，滿足轉輪葉片、導水葉片、抗磨板的硬度要求不低于260HB。為延長機組大修間隔或使用壽命，對固定導葉、活動導葉、蝸殼及尾水管等部件，考慮一定的磨蝕余量，適當加厚。對水輪機過流表面采用噴涂工藝，提高水輪機過流表面硬度，有效地提高水輪機的抗磨蝕能力。水輪機過流部件選擇粉末火焰噴涂方式，并針對本電站水輪機轉輪長短葉片結構型式，流道狹小，噴涂操作較為困難問題，采取針對性的噴涂方式，有效保證噴涂質量，并防止噴涂過程中引起轉輪部件產生有害變形。

3 結 語

能源的可持續發展事關經濟發展、社會穩定和國家安全。水電作為技術最成熟的可再生能源，具備大規模開發的技術和市場條件。我國水電開發主要集中在西部地區，但西部地區河流泥沙含量大，常導致水輪機的氣蝕、磨蝕比較嚴重。夏特水電站從泥沙綜合處理技術的最基本點切入分析，根據國內外目前關注的多泥沙河流泥沙研究方法及進程，分析泥沙產生機理、泥沙特性指標，結合電站開發的特點，通過理論研究、物模模擬試驗、數模計算、水輪機抗泥沙磨損技術和相似工程調研等研究，提出具有有針對性的泥沙綜合治理措施，解決了夏特電站開發中的技術難題，為相似類型電站建設提供了借鑒。