高泥沙河流徑流式水電站汛期避沙運行技術及措施

張應超，周偉鵬

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

1 概述

庫區放水沖砂、水輪機磨蝕、年度發電目標，對于多泥沙河流徑流式水電站是相互關聯的矛盾。汛期洪水推送大量推移質涌入庫區，通過引水渠進入引水發電系統，當水輪機的水流泥沙含量較高，對機組的水輪機過流部位，尤其是轉輪將會造成嚴重磨蝕；對技術供水系統也會產生安全隱患，其中閥門、減壓閥等均在高泥沙水環境下運行，可能導致閥門穿孔外泄甚至管路彎頭處磨穿。隨著庫區泥沙的不斷淤積引水含沙量不斷增加，不僅影響發電效益、加速機組過流部件磨損，甚至會造成泄洪閘門無法正常開啟，影響水輪機的穩定運行的同時，也會對大壩安全渡汛帶來安全隱患。因此，需要找上述關聯矛盾的平衡點和最佳合理點。

本文依托尼泊爾上馬相迪A 水電站多年運行經驗進行探索，采用現場定期與不定期監測，運用統計分析方法，比對機組的過流泥沙情況，提出一整套沖沙閘合理排泄、沉砂池引水渠清理、避開特定時段發電等運行技術及實施措施，有效減少泥沙淤積、機組過流泥沙含量，保障汛期電站的安全運行及發電指標。

上馬相迪A 水電站位于尼泊爾西部甘達基地區馬相迪河的上游河段，是一座以發電為主的徑流引水式水電樞紐工程。電站單機25 MW，總裝機容量50 MW。水庫總的庫容60.8 萬m3，庫沙比0.06，水庫泥沙問題較嚴重，死庫容44.6 萬m3，有效庫容7.6 萬m3，基本沒有調節的能力。站址距首都加德滿都約180 km，壩、廠址距Besishahar 鎮分別為13 km 和8 km。上馬相迪A 水電站設計汛期平均含沙量為2.49 kg/m3，設計過機水含沙量1.494 kg/m3，樞紐建筑物包括攔河閘壩、引水渠、沉沙池、引水隧洞、調壓井、壓力管道、地面發電廠房、開關站及送出工程等。泄水閘壩壩址位于馬相迪河和納雅迪河匯合處下游約100 m 處。泄水閘布置在河道中央，泄水閘共3 孔，單孔寬12 m。沖沙閘設在泄水閘左側，沖沙閘孔口寬度為4 m。引水系統布置在左岸，由引水渠、沉砂池、暗涵快速閘、隧洞、調壓井、豎井及壓力管道等建筑物組成，見圖1。發電廠房位于庫區下游約5 km 處。2017 年1 月1 日2 臺機全面正式投入商業運行，進入運營期以來，針對推移質泥沙對閘壩泄水建筑物的沖蝕破壞問題，根據不同部位沖蝕特點采用鋼軌、環氧細石砼、C60 鋼纖維砼、NE抗沖擊型復合環氧沙漿作為抗沖耐磨層，并持續探索更加合適的抗沖耐磨修復工藝，盡量延長閘壩泄水建筑物過流面修復周期。

圖1 庫區水工建筑物分布圖

尼泊爾上馬相迪A 水電站機組在2018 年汛后機組過流部件檢查，發現轉輪葉片磨損嚴重，存在貫穿延展性裂紋，于2019 年年初對機組轉輪、導水機構、止漏環等部件進行更換，并采取了碳化鄔表面噴涂工藝，提升過流部件耐磨性能，2021 年遭受馬相迪河流域5 年一遇洪水，檢測到來水最大含沙量達27.35 kg/m3，河道高含沙量洪水倒灌入尾水渠內，經尾水管與375 r/min 額定轉速下運行的轉動部位共同作用，導致過流部件及座環、尾水管等埋件磨損嚴重，現已進行修復，運行狀態良好，機組出力正常。

2 泥沙參數分析

尼泊爾上馬相迪河流域含沙量達到2 kg/m3。通過巖性分析，河流來沙中礦物組成主要包括石英、鉀長石、斜長石、白云石、角閃石、方解石和云母，以及少量的黏土礦物。其中占比最大的是石英，平均占比達1/3，硬度大于5 的礦物平均占比約為70%，來沙硬度總體偏大。巖性分析結果見表1。

表1 淤積泥沙巖性分析

3 排淤與避沙措施原理

（1）將水庫用作第一階梯沉沙池使用，短時消力與沉淀作用，可減小水中的含沙量，采取降低庫區的水位措施或對庫區進行排水放空，小流量持續性沖刷帶走沉淀的泥沙，將淤積于庫底的沉淀物及時沖排，實現可持續降沙與排沙。

（2）收集庫底沉淀物，主要是泥沙，采取休止角測定方法測定沉淀物休止角，結合大壩建筑物結構尺寸特點，測定計算閘前允許的最高沉淀高度，同時研究引水渠內流速及上游入庫來水流量、庫底沉淀高程共計3 個排沙指標，更準確掌控確定排沙頻次與時機，實現高效沉沙與排沙。

4 庫區排淤技術措施

4.1 排淤指標

庫區排沙運行參照定期沖洗式沉沙池運行方式，為最大程度利用庫區作為一級沉沙運行設施，摸索出以下排沙時機指標。

（1）機組50 MW 滿負荷運行條件下，水庫至沉砂池引水渠道設計過流量為50 m3/s，為矩形規則斷面，寬8 m，發電時水深6 m，由此可計算得到正常發電時引水渠內流速1.04 m/s，通過流速測量儀測量庫區引水渠進水口前斷面流速，計算平均流水接近1.0 m/s 時，表明庫區泥沙淤積至最高位，庫區泥沙淤積飽和，庫區來水泥沙含量接近引水渠內水泥沙含量，此時作為庫區定期敞泄排沙的重要節點，對保障壩區安全和泥沙沉積效率均具有重要意義。在以250 m3/s 作為計算入庫流量，經過對壩前斷面淤積高程與斷面平均流速進行計算確定，當庫上游斷面沉淀物頂面高程接近898 m 高程時，庫區上游斷面的流速與引水渠的流速接近。由此可以將壩前沉淀物頂面高程接近898 m 時作為庫區排瘀的決策條件。

（2）從河道內取沉淀物中含量最多的泥沙樣品，休止角測定方法測得水下休止角34.2°，綜合庫內水流影響，選擇庫區內動水下沉淀物水下休止角30°，計算得到閘前允許沉淀物最高為897.75 m。壩前斷面最大沉淀物頂面高處達897 m 時作為庫區排瘀的決策條件，此條件覆蓋上述898 m 決策指標，定期通過水上測量船進行庫區水下泥沙淤積形狀、高程指標動態測量監控，必要時可進行提前排瘀。

（3）結合電站4 年多以來的水文泥沙實測數值，統計得到了水中含沙量與庫區淤積沉淀量間的關系趨勢，庫內沉淀量急劇增加發生在洪水量大、含沙量高的時段，與上游的河道勘察數據分析一致，沉淀物中主要是泥沙，來自上游河道周邊的大量推移質，洪水流量越大，推移質隨之增加，由此，來水量較大，且水中含沙量高時應停機避峰，同步開展庫內淤積監測。實測數據表明，來水量大于250 m3/s、水中沙含量大于3.74 kg/m3時可考慮避峰泄水排沙。

4.2 庫區排淤方法步驟

小庫容徑流式水電站，庫水排、蓄時間短，按照此類特點，選擇在低水位上利用來水進行沖刷排瘀成本低，效率高，效果好。為了探索更好的排瘀水位，在試驗過程設置3 種降水位指標進行對照，以便選用最佳水位，按照壩區高程結構，壩前蓄水高處選擇901.25 m、900.25 m、壩區放空狀態。對照組每次以庫區沉淀物高程達到897 m，來水量接近250 m3/s 時進行下排，不同水位情況下測得平均引水渠中水含沙量如表2。顯然，水位越低，引水渠中水含沙量越小，放空狀態與正常發電水位時引水渠中水含沙量減少0.529 kg/m3。采取降低水位排除淤積，能夠有效減小發電用水的含沙量。總之達到一定指標后，庫區來水情況正常情況下，若發電用水含沙量過高，對庫區進行放空排沙方式最高效。按照大壩設計，大壩左岸設置了專門的沖沙泄水弧門，汛期處于全天24 h 開啟狀態，布置的另外三孔泄水弧門，根據具體來水量進行動態調度，以維持庫區水位穩定。

表2 不同水位調度引水渠中水含沙量

汛期壩區進行定期安全監測，庫內沉淀淤積情況采取每周1 次近壩庫內水下地形測量，壩前斷面最大沉淀物頂面高處達897 m 時作為庫區排瘀的決策條件；或庫上游來水量共計達5 年一遇洪水時；或2 臺機組滿負荷出力運行下，測得引水渠初始斷面平均流速達1.0 m/s 時，均應決策進行庫區放空排瘀，每次放空約6 h。

（1）日常庫區清淤閘門調度操作步驟如下：

來水量較大的雨季，按照至少1 次/d（全關的閘門）閘前淤積泥沙深度（測點高程887.75 m）。泄水閘及沖沙閘排沙運行方式與泄洪及下游消能防沖統籌考慮，排沙時應根據上游來水量及泥沙淤積深度開啟泄水閘或沖沙閘，開度控制應使上游保持在正常蓄水位。

1）為了確保閘門安全啟閉，弧門前沉淀物總深按不大于4 m 管控，以防沉淀物過多導致泥沙推移至弧門高處，形成擠壓導致弧門所需啟閉力過大，閘門啟閉受阻將危害大壩運行安全。

2）庫區上游總來水量過小時，保持沖沙閘一定開度的前提下，按照定期輪換的機制，3 孔泄水弧門1 次/周輪替切換開啟,時長視具體來水情況而定，保證弧門前泥沙輪替沖刷下排。

3）弧門前沉淀物深度不足2 m 時，按照閘門輪替開啟泄水的方式進行泥沙下排即可。

4）弧門前沉淀物深度大于2 m，但小于4 m 時，來水量充足情況下可全部小開度進行沖刷排瘀；若來水量不滿足的情況，可按照先沖刷泥沙淤積多的弧門進行泄水排沙，依次完成沖刷。

5）弧門前沉淀物深度大于4 m 時，可采取短時間開啟弧門，可不惜降低機組出力或降低蓄水水位進行排水沖刷弧門前淤積泥；若效果不佳，可對進行進行停機，按照庫區放空排沙方式進行進一步沖刷弧門前淤積泥沙，以此保證閘門啟閉安全。

（2）庫區放空排沙閘門調度操作步驟如下：

1）因電站左岸庫區翼墻缺陷問題，所以按照沖沙泄水閘5 m 開度→3 號泄水弧門1.5 m 開度→1號泄水弧門1.5 m 開度→2 號泄水弧門1.5 m 開度。

2）當來水量逐漸升高，按照逐個增加泄水弧門開度對應增加下瀉流量，按照3 號→2 號→1 號泄水閘順序逐級開閘，每孔弧門開啟每級開度不得大于1.0 m。

3）因電站左岸庫區翼墻缺陷問題，庫區放空排水后，應根據具體來水量情況，調整1 號泄水弧門開度，減小1 號弧門側開度，同時進行小開度小流量沖刷，防止淤積的泥沙堵住弧門，又降低庫區上游左岸翼墻變形量。

4）放空后初期利用3 號弧門、2 號弧門泄水通道將庫區內淤積泥沙排完，根據剩余泥沙的分布位置調度1 號泄水閘開度進行徹底清排，并將1 號弧門前的淤積泥沙沖刷趕緊后，重新調度弧門開度，庫區逐步蓄水。

5）庫區蓄水時弧門啟閉調度順序與上述放空過程弧門調度順序相反。

6）為確保庫區邊坡穩定性，水庫放空時，水位下降速度控制不大于5 m/h。并注意觀察庫岸邊坡穩定情況。

7）水庫蓄水時，庫水位在895 m 以上時，水位上升速度控制不大于10 m/h。同樣注意觀察庫岸邊坡穩定情況。

5 引水渠排淤技術措施

5.1 排淤時機

按照條渠沉沙池排沙設計要求，以電站機組停機，庫區敞泄排沙為排沙時機，同步利用暗涵內水錘反水及合理調度閘門開、關順序，對引水渠內的淤積泥沙進行小流量沖洗，通過排沙廊道將淤積泥沙排至下游河道。

5.2 引水渠排淤方法步驟

（1）引水渠淤積泥沙反沖處理結合水庫敞泄過程進行。首先關閉引水渠工作門，待水庫水位低于引水渠進口底高程896 m 后，開啟引水渠工作門至0.5 m,利用引水渠工作門之后的水量對引水渠內淤積泥沙進行反沖處理。

（2）水庫開始蓄水后，關閉引水渠工作閘。當壩前水位接近引水渠進口底高程896.0 m 時，調整泄水閘門開度維持壩前水位896.3 m 左右，將引水渠工作閘門前泥沙通過排沙漏斗排除。

（3）水庫蓄水過程中，當水位漫過排沙漏斗懸板高程900.9 m 后，控制庫水位不超過901.3 m，通過懸板對引水隧洞充水。

（4）待引水隧洞達到充水平衡后，根據引水渠淤積泥沙反沖處理效果和調度批準的停機時間，現場確定是否需要對引水渠淤積泥沙進行二次反沖處理，如果需要則參照上述處理步驟進行，如果不需要則水庫繼續蓄水至正常蓄水位。

6 機組避沙運行措施

結合以上庫區、引水渠排淤時機的監測控制方法，通過采取對多年汛期高頻次泥沙含量檢測數據進行統計分析，暗涵引水含沙量在3.5 kg/m3以上次數約為7 次/年；暗涵引水含沙量在6.0 kg/m3以上次數約為2 次/年，雖然頻次不高，但對機組及廠房水系統過流部件磨損量大，在經過對快速水含沙量檢測方法（布氏漏斗法）進行實踐驗證與精度對比，確認其有效性后，明確如下機組避沙運行措施：

（1）汛期每天進行1 次引水含沙量快速檢測，當暗涵引水含沙量超過3.5 kg/m3時，考慮申請調度進行停機避沙，并加密監測引水含沙量。

（2）當暗涵引水含沙量超6.0 kg/m3果斷申請調度停機避沙。

（3）結合庫區水下地形檢測（壩前20 m 斷面泥沙淤積深度達到898 m）、引水渠水流速（平均流速達到1.0 m/s）及來水量大小指標（來水達到5 年一遇洪水1 180 m3/s）時，果斷申請調度停機，對庫區及引水渠進行排瘀，降低發電用水中泥沙含量。

7 結語

根據實測水文泥沙數據，汛期引水含沙量相對入庫含沙量的減小率逐步提高后穩定，2017 年剛投運年為28%、2018 年30%、2019 年為33%后穩定。從以上減沙成效來看，此套方法減沙成效有限，接下來只能將關注點放在避沙措施。

對于多泥沙河流上的水電站，制定合理有效的減沙避沙措施對電站機組、水系統過流部件乃至整個大壩、電站安全穩定運行十分重要。必要情況下可持續開展勘察，改進引水布置等措施，進一步提高電站運行發電過程減沙避沙效能，并有效提升多泥沙河流中徑流式水電站減沙避沙方面的原始設計冗余度。

參考文獻：

[1] 國家質量技術監督局．大中型水電站水庫調度規范：GB 17621-1998[S]．