黃 維，陸 欣，史 彬

（中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江 杭州 310014）

江邊水電站是一座以發(fā)電為主的低閘高水頭引水式電站，是雅礱江一級支流九龍河流域5個梯級中最下游的一個水電站，位于四川省甘孜藏族自治州九龍縣境內(nèi)。電站共裝3臺110 MW水輪發(fā)電機。電站正常蓄水位1 797.00 m，淤積前、后相應庫容分別為133萬、99.3萬m3，死水位1 789.00 m，最大閘高32 m。壩址處多年平均流量107 m3/s，設計洪水流量947 m3/s，校核洪水流量1 300 m3/s。壩址處懸移質(zhì)多年平均含沙量為0.582 kg/m3，懸移質(zhì)多年平均輸沙量為197萬t，汛期 (6月～9月)輸沙量占全年的91.9%，推移質(zhì)年平均輸沙量16.7萬t。

電站庫小沙多，水庫泥沙問題嚴重。因此，解決好電站首部的取水防沙問題和保持有效的調(diào)節(jié)庫容是工程設計的重點。同時，水庫庫尾張家溝為活動泥石流溝，水庫運行期間泥石流最大入庫量為23.59萬～38.08萬m3，約占水庫庫容的1/3，泥石流對工程的影響主要表現(xiàn)為加劇水庫泥沙淤積，這對水庫的沖沙排沙提出了更高的要求。

1 首部樞紐布置優(yōu)化

1.1 首部樞紐原布置方案

江邊水電站首部樞紐由沖沙閘、泄洪閘、進水口及左右岸擋水壩段組成。為保持原河道的走勢和泄流、沖沙順暢，泄洪閘、沖沙閘等主要泄水建筑物布置于河床干流上。電站進水口布置于左岸，在進水口下游設置一孔沖沙閘，沖沙閘右側布置二孔泄洪閘，形成 “側向取水，正向泄洪、排沙”的布置形式。

為阻止大量泥沙進入進水口，在進水口前沿設置底坎，底坎前設置沖沙槽和導沙坎，在沖沙閘與泄洪閘之間的前沿設置一道束水墻 （見圖1）。

水工模型試驗成果顯示，原布置方案基本能保證 “門前清”，即推移質(zhì)不會進入進水口前沖沙閘正對區(qū)域，但該區(qū)域落淤懸移質(zhì)或受不確定因素影響進入該區(qū)域的少許推移質(zhì)不能被有效沖走。主要原因是該區(qū)域在敞泄拉沙時底部流速較小，如樞紐在流量為350 m3/s敞泄拉沙時，該區(qū)域底部流速僅為0.7～0.8 m/s；樞紐在宣泄設計洪水與校核洪水時，該區(qū)域底部最大流速也只能達到0.9 m/s。

模型試驗驗證表明，如果該區(qū)域淤積高程達到1 780 m，樞紐進行敞泄拉沙，基本上不能降低沙面高程。

1.2 方案優(yōu)化

為解決上述底部流速較小的問題，設計人員在原樞紐布置的基礎上，在束水導墻與導沙坎之間增設一曲線形擾沙坎 （見圖1），其主要功能為加強擾動、增加局部流速。

水工模型試驗結果表明，增加擾沙坎后，如果該區(qū)域淤積高程達到1 781 m，樞紐進行敞泄拉沙，能有效地降低該區(qū)域沙面高程，使擾沙坎與束水導墻間淤積高程降低到1 776 m(即底板頂高程)，擾沙坎與導沙坎間淤積高程降低到1 778 m。因此，增加擾沙坎后，能有效保證進水口 “門前清”。

2 敞泄拉沙試驗

樞紐敞泄拉沙試驗結果表明，當流量達到350 m3/s進行敞泄拉沙時，由于閘前水位降低，淤積泥沙洲面和前坡比降大，閘前區(qū)平均流速達4 m/s左右，淤積泥沙能全部啟動并以懸移質(zhì)形式被水流挾帶出庫。沖淤過程中，沿主流兩側淤沙逐漸垮塌，主槽隨之拓寬。根據(jù)試驗成果，敞泄拉沙6 h，基本能將壩前200 m區(qū)域的淤積高程降低到1 780 m以下，將200～500 m區(qū)域淤沙高程降低到1 782 m以下。

3 水庫運行方式優(yōu)選

為減少江邊水電站水庫庫區(qū)泥沙淤積，保持必要的調(diào)節(jié)庫容，初擬水庫汛期降低至汛限水位1 789 m運行，10月～5月按水庫調(diào)度運行 （即1 789～1 797 m）。為保持長期有效庫容以及確保取水口“門前清”，在主汛期設置敞泄拉沙流量，并初擬了6月～9月汛期4個方案進行比選。方案①，按汛限水位1 789 m運行；方案②，汛限水位1 789 m運行，當流量大于450 m3/s，全閘敞泄排沙 （平均每年2 d左右）；方案③，汛限水位1 789 m運行，當流量大于400 m3/s，全閘敞泄排沙 （平均每年4 d左右）；方案④，汛限水位1 789 m運行，當流量大于400 m3/s，全閘敞泄排沙；且保證汛期每月選擇流量大于300 m3/s敞泄沖沙6 h，以及當壩前100 m區(qū)域平均淤積高程達到1 781 m時，亦要求停機拉沙6 h（平均每年4 d左右）。

模型試驗成果顯示，按照方案④運行，水庫泥沙淤積量、正常蓄水位以下庫容損失和調(diào)節(jié)庫容損失均最小，達到淤積平衡后調(diào)節(jié)庫容最大。因此，選擇方案④為水庫運行方式。各方案水庫泥沙淤積縱剖面見圖2。

4 水庫過機泥沙特征值

圖1 首部樞紐布置方案 （單位：m）

圖2 水庫泥沙淤積縱剖面

通過模型試驗對汛期 （庫水位1 789.0 m，流量分別為100、200、300、400 m3/s）和非汛期 （庫水位1 797.0 m，流量分別為50、100 m3/s）的水庫過機含沙量及粒徑進行了測量。不同流量下過機含沙量與入庫含沙量比值實測結果見表1，過機粒徑見表2。

表1 不同流量下過機含沙量與入庫含沙量比值

表2 過機泥沙的特征粒徑 （汛限水位工況）

根據(jù)模型試驗成果，各種運行工況下d≥0.1 mm泥沙顆粒過機累積百分比最大為13.3%。因此，根據(jù)SL 269—2001《水利水電工程沉沙池設計規(guī)范》，電站可不設置沉沙池。

5 張家溝泥石流的影響

張家溝河段的來沙主要是由上游輸送下來的泥沙落淤而成，而這部分落淤泥沙更可能是泥石流挾帶進入干流的。因此，泥石流級配以河床覆蓋層級配為參照，并在此基礎上適當增加大粒徑石塊的含量以模擬張家溝泥石流堆積區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn)的5～6 m直徑的巨石運動情況。

試驗以輸沙量最大的100年一遇泥石流總量為控制條件，并以泥石流運動速度換算得到的模型加沙量和加沙時間進行綜合控制?？紤]到支流來泥石流時相應干流流量一般也將因暴雨而增大，為安全計，控制相應干流流量為30年一遇洪水。

試驗發(fā)現(xiàn)，由于張家溝泥石流入?yún)R區(qū)干流河道比降較陡，河道斷面寬度較小，干流流速較高，因此，并未觀察到堵江現(xiàn)象。但受支流入?yún)R影響，干流上游一定范圍內(nèi)，尤其是交匯區(qū)范圍內(nèi)水面受到一定程度的抬高。在泥石流入?yún)R初期，干流水體受泥石流側向作用，上游水位壅高，交匯口位置處水體被擠壓向?qū)Π叮诮粎R口下游則形成一定的回流區(qū)，但由于干流本身河道比降較大，泥石流入?yún)R的影響很快消弱，與干流充分摻混的高含沙水體，一起向下游運動。受交匯區(qū)兩股水體的強烈紊動摻混的影響，在交匯區(qū)并未形成明顯的成型淤積。泥石流所攜帶的泥沙被攜帶到下游干流坡度相對平緩的區(qū)段分散淤積，并最后在河道彎道凸岸形成累計性淤積。由此可見，張家溝泥石流的主要影響在于增大了干流局部時段的含沙量。

根據(jù)敞泄拉沙試驗，淤積的泥沙可以被沖出庫外。但由于泥石流含沙濃度高，匯入后造成干流含沙濃度瞬時過飽和，其輸沙規(guī)律與常規(guī)的推移質(zhì)輸沙有差異，加上泥石流中常含有大顆粒物質(zhì)，集中落淤后，往往在干流內(nèi)形成常規(guī)洪水無法沖動的河流節(jié)點，易于引起干流的進一步累計性淤積。因此，在設計中需要預留一定庫容來減少泥石流災害的不利影響；同時，在發(fā)生泥石流后須延長拉沙時間，盡量降低運行水位，以利于粗顆粒泥沙出庫。

6 結語

（1）通過在束水墻與導沙坎之間增設一曲線形擾沙坎，優(yōu)化了樞紐引水防沙布置，有效保證了進水口 “門前清”。

（2）水庫運行方式采用汛期 （6月～9月）進行敞泄排沙，枯水期 （10月～5月）按實際調(diào)度水位運行，有利于減少庫區(qū)泥沙淤積，長期保持調(diào)節(jié)庫容，降低過機粒徑和過機含沙量。

（3）根據(jù)模型試驗成果，電站可不設置沉沙池，但水輪機在水力、結構設計及過流部件材料選擇上，應采取可靠的抗磨措施。

（4）張家溝泥石流主要影響是增大了干流局部時段的含沙量，在敞泄拉沙情況下，淤積的泥沙可以被沖出庫外。考慮到泥石流的特殊性，在設計中預留一定庫容以減少泥石流災害對庫容減少的不利影響；同時在發(fā)生泥石流后必須增大拉沙時間，盡量降低運行水位，以利于粗顆粒泥沙出庫。

［1］聶銳華，黃維，史彬，等.四川省九龍河江邊水電站可研階段水工泥沙模型試驗研究專題報告［R］.杭州：中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，2005.

［2］SL 269—2001 水利水電工程沉沙池設計規(guī)范［S］.