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(fā)有限公司，新疆 克州 845450；2.長江委水利水電工程監(jiān)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(fā)方案為一庫三級開發(fā)，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(fā)電尾水。

克孜河屬喀什噶爾水系，發(fā)源于吉爾吉斯坦境內(nèi)海拔6 048 m的特拉普齊亞峰，河流全長445.5 km，我國境內(nèi)長約371.8 km，河流走向由西向東，下游經(jīng)過平原灌區(qū)，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(qiáng)烈，當(dāng)有暴雨發(fā)生時，兩岸風(fēng)化、風(fēng)積的沙質(zhì)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(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，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)含量為30～45%、長石含量為15～25%,對水庫防沙及機(jī)組磨蝕極為不利[1]。

由于河流泥沙含量大，泥沙硬度高，導(dǎo)致進(jìn)機(jī)組泥沙量大，造成電站水輪機(jī)過流部件磨損嚴(yán)重，機(jī)組維修周期大大縮短，過流部件頻繁返廠修復(fù)等問題，將直接造成電站運(yùn)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(jī)抗磨蝕的處理措施，有效降低了機(jī)組過機(jī)泥沙，提高了機(jī)組使用效率，增加了電站運(yùn)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(fā)中的技術(shù)難題，也為相似類型電站建設(shè)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(shù)主要有沉沙池、螺旋流排沙渦管和排沙漏斗等。自上世紀(jì)五十年代開始，新疆水利工程上基本全采用從原蘇聯(lián)引進(jìn)的曲線型沉沙池，以及少數(shù)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(xì)，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(qū)，已不適合。新疆從上世紀(jì)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(nèi)所形成的平軸螺旋流，將落入管內(nèi)的推移質(zhì)泥沙卷起并排到渠外。排沙渦管的試驗(yàn)研究和原型觀測發(fā)現(xiàn)，細(xì)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(nèi)，造成渦管的淤積和卡堵，特別是其對水流條件的要求較嚴(yán)格，僅當(dāng)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(yīng)用中受到一定的限制。

漏斗式全沙排沙技術(shù)是新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電設(shè)計(jì)研究所發(fā)明的一種高效節(jié)水節(jié)能的排沙技術(shù)。該技術(shù)是通過試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用而獲得的一項(xiàng)既可排除推移質(zhì)泥沙又可排除懸移質(zhì)泥沙的全沙排沙技術(shù)[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(nèi)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(yīng)庫容為15.99萬m3，死水位對應(yīng)庫容為12.41萬m3，為引水式電站。電站最大水頭329 m，加權(quán)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(jī)組，單機(jī)容量175 MW，總裝機(jī)容量875 MW。電站多年平均含沙量0.446 kg/m3，實(shí)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(fā)電引水洞進(jìn)口約3.0 km位置增設(shè)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(yùn)行。該電站2013年5～12月份沉沙池建成后大壩進(jìn)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(xiàn)，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(xiàn)，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(xiàn)區(qū)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(jìn)行沉降率實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)參數(shù)，同類電站參數(shù)統(tǒng)計(jì)表見表1[3]。

表1 同類電站參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由表1中統(tǒng)計(jì)參數(shù)可知：夏特電站水輪機(jī)的最大水頭、額定水頭、額定轉(zhuǎn)速、單位轉(zhuǎn)速、單位流量、比轉(zhuǎn)速、比速系數(shù)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(jī)的參數(shù)，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(jī)泥沙含量仍大于以上電站，但其d>0.05 mm的過機(jī)泥沙含量已小于以上電站，而且夏特電站d>0.25 mm的過機(jī)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(jié)合塔日勒嘎電站過機(jī)泥沙情況，夏特水電站從泥沙特性研究角度出發(fā)，借鑒對比國內(nèi)外排沙沉沙先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，采用數(shù)學(xué)模型和物理模型等研究方法，研究確定了科學(xué)合理的上游水庫排沙調(diào)度運(yùn)行方式、電站引水系統(tǒng)泥沙處理方案和水輪機(jī)抗磨蝕技術(shù)措施：

(1) 針對夏特水電站發(fā)電水頭高、過機(jī)泥沙含量大、硬度高等特點(diǎn)，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型、物理模型、原型觀測、工程驗(yàn)證試驗(yàn)和水輪機(jī)抗磨技術(shù)等研究方法，對樞紐布置、水庫泥沙特性、水庫淤積和調(diào)度排沙、排沙漏斗、沉沙池、水輪機(jī)抗磨蝕處理進(jìn)行分析研究，形成了梯級電站多泥沙綜合處理技術(shù)措施即“以庫代池、合理避沙、機(jī)組抗磨”。

(2)采用二維水沙數(shù)學(xué)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(jī)敞泄排沙運(yùn)行方案，對塔日勒嘎水電站水庫進(jìn)行沖淤分析計(jì)算。對應(yīng)三個方案，水庫均約10年達(dá)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(yùn)行10年平均過機(jī)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(diào)度模式：當(dāng)上游來流量大于200 m3/s時停機(jī)敞泄沖砂來確保水庫始終發(fā)揮“以庫代池”的作用的前提下，夏特水輪機(jī)組采取以上一系列措施后能夠平穩(wěn)、安全、連續(xù)運(yùn)行[4]。

(3)針對多泥沙河流300 m級高水頭水輪機(jī)，結(jié)合工程驗(yàn)證試驗(yàn)，對多泥沙河流，適當(dāng)降低水輪機(jī)參數(shù)水平，針對過機(jī)泥沙特性，夏特電站采用400 m水頭段水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、適當(dāng)降低水輪機(jī)參數(shù)，取得良好效果。導(dǎo)葉上下軸頸部位采用大圓盤結(jié)構(gòu)并設(shè)置防泥沙密封，導(dǎo)葉采用不銹鋼電渣熔鑄；轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、底環(huán)、頂蓋上的抗磨板、止漏環(huán)等過流部件均選用具有優(yōu)良抗泥沙磨蝕性能的不銹鋼材料制造，滿足轉(zhuǎn)輪葉片、導(dǎo)水葉片、抗磨板的硬度要求不低于260HB。為延長機(jī)組大修間隔或使用壽命，對固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、蝸殼及尾水管等部件，考慮一定的磨蝕余量，適當(dāng)加厚。對水輪機(jī)過流表面采用噴涂工藝，提高水輪機(jī)過流表面硬度，有效地提高水輪機(jī)的抗磨蝕能力。水輪機(jī)過流部件選擇粉末火焰噴涂方式，并針對本電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪長短葉片結(jié)構(gòu)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(zhì)量，并防止噴涂過程中引起轉(zhuǎn)輪部件產(chǎn)生有害變形。

3 結(jié) 語

能源的可持續(xù)發(fā)展事關(guān)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會穩(wěn)定和國家安全。水電作為技術(shù)最成熟的可再生能源，具備大規(guī)模開發(fā)的技術(shù)和市場條件。我國水電開發(fā)主要集中在西部地區(qū)，但西部地區(qū)河流泥沙含量大，常導(dǎo)致水輪機(jī)的氣蝕、磨蝕比較嚴(yán)重。夏特水電站從泥沙綜合處理技術(shù)的最基本點(diǎn)切入分析，根據(jù)國內(nèi)外目前關(guān)注的多泥沙河流泥沙研究方法及進(jìn)程，分析泥沙產(chǎn)生機(jī)理、泥沙特性指標(biāo)，結(jié)合電站開發(fā)的特點(diǎn)，通過理論研究、物模模擬試驗(yàn)、數(shù)模計(jì)算、水輪機(jī)抗泥沙磨損技術(shù)和相似工程調(diào)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(fā)中的技術(shù)難題，為相似類型電站建設(shè)提供了借鑒。