王曉東，王黨在

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 概述

我國川西南山區(qū)河流一般具有河道平均比降大、洪枯流量懸殊、河谷深切、河道及地形復雜等特點，河流輸沙量年內分布不均勻，主要集中在汛期，沙峰隨洪峰出現(xiàn)。河流的水電開發(fā)多采用修建攔河閘壩、引水式開發(fā)，近些年來多采用“以庫代池”的方案，利用水庫沉沙，汛期不定期停機敞泄沖沙。由于其避沙時間短且又在汛期，能量損失較少，較沉沙池方案具有經濟比較優(yōu)勢。電站運行一定時期后水庫內將沉積較多的泥沙，沙頭隨水流逐漸向取水口緩慢推移，因此，取水防沙是首部樞紐設計中的關鍵內容之一。

2 取水口的布置選擇

川西南山區(qū)河流上修建的引水式電站一般采用“側向取水、正向沖沙”的布置型式，多采用改進印度式引水，即取水口與攔河閘壩軸線呈105°～110°，實踐證明這種布置的防沙效果較好。取水口多布置于河道的凹岸，利用彎曲河道的橫向環(huán)流作用，在表層少沙水流取水，同時將河底挾沙量較高的水流推向凸岸，使淤沙遠離取水口。也有一些電站受引水線路的制約將取水口布置于凸岸，一般采用在凹岸上游設置導水墻布置，也有的工程采用人工開挖改道的措施，調整河道主流至取水口一側。

表1 川西南山區(qū)部分引水式電站引水防沙設計相關數(shù)據表

取水高程的合理選擇對取水防沙亦起到重要的作用。一般而言，取水口底板設置越高，越利于防沙;但設置過高，將帶來取水口寬度或高度的增加，往往不經濟，因此，需根據取水需求、取水水位、沖沙槽底板高程以及其它防沙、排沙措施等綜合確定。表1列舉了一些水電站取水口設計的數(shù)據。

從以上電站的布置資料、模型試驗及運行情況看，由于川西南山區(qū)河流比降陡、泥沙含量高、汛期利用洪水敞泄沖沙運行，取水口底高程一般較沖沙槽底板高3.5～4.5m以上，防沙效果較好。

3 沖沙閘的合理布置

在多泥沙河流上，沖沙閘是首部樞紐排沙的重要建筑物，一般緊鄰取水口布置，敞泄沖沙時，將取水口門前所沉的粗沙沖至下游，形成“門前清”。

3.1 沖沙閘底高程

沖沙閘的底高程應根據河床比降及河床沖淤變化狀態(tài)確定，一般以取多年平均枯水期的河槽平均高程為宜。當河流含沙量較大、河床本身也經常處于淤積情況時，底板可適當抬高0.5～1.5 m，以便把泥沙沖到遠離建筑物的地方［1］。由于川西南山區(qū)河流比降陡，沖沙閘多布置于河流深槽部位。為增加沖沙槽內的水深和避免下游沖刷，很多電站的沖沙閘底高程選擇為枯水期河槽的最低高程。

3.2 沖沙閘的尺寸

(1)根據流量頻率計算。根據河流的水文、泥沙、河道斷面等資料，分析確定沖沙閘的設計流量，有的采用多年平均流量、或采用50%頻率的日平均流量，還有的采用2.5% ～3%的多年日平均流量［1］。

(2)根據河相關系和泥沙特性計算。其基本理論是:沖沙閘的寬深關系應與進水口所在河段多年平均流量的河道寬深關系相適應。沖沙閘的設計流量選用河道多年平均流量，沖沙閘的寬度、水深、流速及縱坡使用河相關系、推移質輸沙率公式、水流運動方程和連續(xù)方程四個關系式聯(lián)立求解［2］。

(3)根據限制過機泥沙的沉沙和沖沙流量計算。取水口正常取水時，為使過機限制最小粒徑止動，確定沉沙槽的寬度，計算沖沙槽內的沖沙流速，根據沖沙水位進而確定沖沙閘的設計流量，最后根據寬頂堰公式確定沖沙閘的寬度及高度。

(4)根據洪水資料綜合確定泄洪閘、沖沙閘尺寸，并經模型試驗驗證。

不論采取何種方法，都必須綜合考慮天然河道的穩(wěn)定寬度及防沙、沖沙要求，使沖沙槽中的流態(tài)適應引水口的要求，確保正常情況下的防沙、沖沙效果，有條件時在水工模型試驗中驗證。

4 防沙結構

4.1 束水墻

山區(qū)河流在沖沙閘前多設置束水墻，與取水口及上游翼墻組成沉沙、沖沙槽，加大泄洪時沖沙閘前的水流流速，形成束水攻沙，確保取水口“門前清”。

束水墻的典型布置為垂直壩軸線呈直線布置，如瓦斯河龍洞電站、革什扎河吉牛電站、寶興河出居溝電站等;也有呈弧線布置的，如二瓦槽電站，因其閘址上游革什扎河彎道角度大，取水口布置于主流對岸，泄洪時閘前呈明顯橫向流，因而將束水墻布置成向河道內的圓弧形，以增加沖沙閘的過閘流量;也有呈折線向內側布置的，如黑水河色爾古電站，取水口位于河道凹岸，設計初期束水墻布置為直線，模型試驗過程中發(fā)現(xiàn)敞泄拉沙時在取水口前形成一定強度的回流運動，有粗顆粒泥沙被帶進電站進水口內，因而將束水墻布置成向內的折線，并在上游側設置一道導沙墻，優(yōu)化方案有效地阻止了拉沙過程泥沙入侵電站取水口門內。

一般為減少繞流，束水墻頭部宜做成有一定坡度的“魚咀”形，也有的電站布置成臺階狀。

從川西南十余座山區(qū)河流電站的布置、模型試驗情況及運行情況看，束水墻的平面和立面布置對防沙和排沙非常重要。由于上游河勢、閘址處河道斷面情況、泥沙情況、運行方式等的不同，其布置應綜合考慮。

4.2 攔沙坎

山區(qū)多泥沙河流水電站取水口前一般均設置有攔沙坎，其既可以防止上游淤沙推移至取水口，又可以在敞泄沖沙時防止經過沖沙槽內的底沙翻入取水口，攔沙坎的布置對防止粗沙進入取水口關系很大。

攔沙坎一般布置成折線形，多為開口狀，敞泄沖沙后期的下泄水流亦可將攔沙坎內的泥沙帶走，如圖1中龍洞電站的布置。也有的電站為減少敞泄沖沙時大量底沙隨局部旋流倒灌入攔沙坎內，下游端與排污閘或沖沙閘邊墩相連，底部設置排沙孔，如圖2中民治電站的布置。

圖1 龍洞電站攔沙坎布置示意圖

圖2 民治電站攔沙坎布置示意圖

攔沙坎上游段與取水口翼墻或岸邊導墻的角度宜取30°～40°。角度太大，阻水作用明顯，易造成取水口前流態(tài)混亂攪起底部泥沙翻入攔沙坎內;角度太小，攔沙坎距離取水口太近，防沙能力有限。攔沙坎的頂高程一般與取水口底板高程相近，以能夠阻止泥沙翻過且不妨礙取水口取水為宜。表1中列舉了部分電站攔沙坎的布置數(shù)據。

5 運行方式

合理的調度運行方式是延長水庫壽命、減少淤積、確保電站安全、提高工程效益的重要手段之一。山區(qū)河流電站的水庫一般為河道型，在汛期閘前，水位多控制在排沙運行水位;當上游形成較大洪水或入庫流量達到適宜的沖沙流量時，電站停機避峰敞泄沖沙。當泥沙淤積造成調節(jié)庫容減少、沙洲洲頭推進到特定位置時，利用電站日負荷低谷期，停機敞泄沖沙，造成庫內強烈的溯源沖刷，將庫內的泥沙大部分沖出，恢復調沙庫容。宜開展庫區(qū)泥沙監(jiān)測斷面觀測，及時掌握入庫水文情勢﹑庫區(qū)泥沙沖淤變化等與上、下游梯級聯(lián)合調度，共同泄水沖沙，并根據電站引水防沙效果在實際運行中積累經驗，逐漸優(yōu)化調度運行方式。

6 青龍水電站取水防沙設計

6.1 工程概況

青龍水電站屬白水江水電規(guī)劃一庫七級方案中的第七級梯級電站，為引水式開發(fā)，單一發(fā)電工程。閘高16.5m，水庫正常蓄水位高程1272m，汛期運行水位高程1270.5m，正常蓄水位以下庫容為23.4萬m3，調節(jié)庫容7.8萬m3。電站引用流量132.66m3/s，裝機容量102MW。

6.2 泥沙資料

經統(tǒng)計，青龍閘址處多年平均懸移質年輸沙量 93.5 萬 t，多年平均含沙量 0.458kg/m3，汛期(5～10月)平均含沙量0.626kg/m3。實測懸移質顆粒級配成果見表3，其最大粒徑0.868mm，中值粒徑0.036mm。床沙中最大粒徑230mm，中值粒徑119mm，平均粒徑129mm。

表3 懸移質顆粒級配成果表

6.3 取水防沙布置

白水江為山區(qū)性多泥沙河流，青龍水電站為河道型水庫，庫沙比非常小，庫區(qū)泥沙淤積速率快，推移質淤積將很快抵達閘前，電站首部樞紐引水防沙問題十分突出，因此，青龍閘壩樞紐布置的重要任務之一是解決好取水、防沙的問題。

受引水線路選擇的制約，青龍水電站取水口順河側向布置于沖沙閘前微彎河道的凸岸，與壩軸線呈105°交角，形成“側向引水、正向沖沙”的布置型式。設6孔開敞式取水口，閘孔寬度為5 m，取水口底板高程1265m，較沖沙閘底板高3 m。根據洪水流量并與泄洪閘綜合考慮后，沖沙閘最終采用寬2.5m、高4m的帶胸墻平底寬頂堰，底板高程采用1262m。為改善沖沙效果，在沖沙閘上游設置束水墻，順水流方向長45m，基本延伸至取水

口上游側，將沖沙閘與泄洪閘水流分開;同時，為減少頭部繞流以及避免妨礙取水，束水墻頭部布置成坡度1∶2的“魚咀”形。為防止敞泄沖沙時底部泥沙大量翻入取水口以及攔截到達取水口的推移質泥沙，在取水口前設攔沙坎，坎頂高程1265m，比沖沙閘底板高3m，折線布置，上游與取水口側左岸導墻成32°角。取水口底坎與攔沙坎、攔沙坎與束水墻之間形成兩道沖沙槽，可加大閘前束水攻沙能力，達到使取水口“門前清”的目的。

6.4 電站運行方式

根據白水江水沙特性和工程特點，青龍水電站采用不定期敞泄沖沙的調度方式:汛期(5～10月)，正常情況下，將閘前水位控制在汛期排沙運用水位，讓入庫泥沙在庫內淤積，當取水口前沿淤積床面高程接近攔沙坎頂高程時，利用電站日負荷低谷期，開啟沖沙閘﹑泄洪閘，敞泄排沙，恢復調沙庫容，每次沖沙時間為6h。另外，當上游銜接梯級——雙河水電站在入庫流量大于180m3/s時，相應于青龍水電站210m3/s(約為兩年一遇洪水流量)，電站停機敞泄沖沙運行。非汛期(11月～次年4月)，由于入庫沙量較少，閘前水位可在正常蓄水位至死水位之間調度運用。

7 結論及建議

(1)河流泥沙運動的復雜性、上游河勢的不同，決定了河道型水庫低閘引水式電站取水防沙措施的多樣性和綜合性。

(2)川西南山區(qū)河流有其自身的特點，坡降陡、水流湍急、河勢復雜、泥沙含量高，取水口底板高程宜高于沖沙槽3.5～4.5m，攔沙坎前段與上游結構的角度宜取30°～40°，頂高程一般與取水口底板高程相近;束水墻的布置對引水防沙效果也有較大影響，因此設計中須全面、綜合考慮。

(3)由于取水防沙措施的多樣性和綜合性，有條件時應借鑒類似工程經驗擬定初步布置，通過整體水工模型試驗，確定適合工程特點的的布置方式。

［1］華東水利學院.水工設計手冊，8灌區(qū)建筑物［M］.北京:水利電力出版社，1984.