申幸志

（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院 長沙市 410007）

1 工程概況

塔日勒嘎水電站位于新疆柯爾克孜自治州烏恰縣吾合沙魯鄉(xiāng)的克孜勒蘇河中游河段上，為克孜河規(guī)劃2 庫6 級方案中的第二個(gè)梯級。壩址距烏恰縣58 km，距喀什150 km。由攔河大壩（粘土心墻砂礫石壩）、左岸導(dǎo)流兼泄洪沖沙隧洞、發(fā)電引水隧洞、電站廠房、右岸溢洪道等主要建筑物組成，為Ⅲ等中型工程，地震設(shè)防烈度為Ⅸ度。

壩軸線位于吾合沙魯鐵橋上游約640 m 處的峽谷河段，水庫正常蓄水位2 250.0 m，死水位為2 245.0 m，總庫容0.418 億m3，最大壩高43.6 m。左岸利用導(dǎo)流洞改建成泄洪沖沙隧洞，進(jìn)出口底板高程均為2 217.9 m，全長507.576 m，洞徑D=8.0 m，圓形有壓洞，出口設(shè)置6.5 m×6.5 m 弧形鋼閘門控制水流，該隧洞承擔(dān)泄洪沖沙任務(wù)，利用汛期洪水排泄庫內(nèi)淤沙，確保水庫正常使用。發(fā)電引水洞布置在導(dǎo)流洞里側(cè)，進(jìn)口底板高程2 233.00 m，全長1 412.258 m，圓形有壓洞，洞徑6.8 m，為確保發(fā)電洞進(jìn)口“門前清”，進(jìn)水口采用上下垂直布置的組合式進(jìn)水塔形式。廠房布置在大壩下游約1 220 m 的山谷出口，設(shè)計(jì)水頭44 m，裝機(jī)容量4×12.5 MW。右岸岸邊開敞式溢洪道孔口選用2 孔10 m×7 m 的駝峰堰。

2 進(jìn)水口沖沙防沙方式布置比較

2.1 水庫水沙特征及主要泥沙問題

塔日勒嘎水電站壩址以上控制集雨面積10 381 km2，多年平均流量61.7 m3/s，調(diào)節(jié)庫容為0.13 億m3,具有旬調(diào)節(jié)能力。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，庫沙比約為4，泥沙問題相當(dāng)突出?？俗魏友雌跒?～9月，泥沙也主要集中在該時(shí)段，據(jù)牙師和卡拉貝利水文站長系列觀測資料統(tǒng)計(jì)，汛期泥沙占全年的97.65%，其基本情況見表1，推移質(zhì)因缺乏觀測資料按5%推懸比計(jì)算。

據(jù)卡拉貝利水文站已有資料和現(xiàn)場取樣分析，汛期懸沙平均粒徑為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)含量約為66.9%，對水庫防沙及機(jī)組磨蝕極為不利，見表2。

塔日勒嘎為近期工程的第一個(gè)梯級，也是近期開發(fā)方案中唯一具有徑流調(diào)節(jié)能力的小龍頭水庫。其泥沙問題大致分為兩個(gè)大的方面： 一是水庫泥沙淤積問題；二是進(jìn)水口防沙排沙問題。

表1 塔日勒嘎壩址多年平均月輸沙率表

表2 塔日勒嘎壩址泥沙顆粒級配表 mm

在樞紐布置和主要建筑物設(shè)計(jì)時(shí)，左岸導(dǎo)流隧洞考慮臨時(shí)永久結(jié)合，將其設(shè)計(jì)成導(dǎo)流、泄洪、沖沙相結(jié)合，利用汛期泄洪排除庫內(nèi)泥沙。

通過數(shù)模分析可知，70%以上水量要從電站過機(jī)，大量泥沙也會隨之通過水輪機(jī)，進(jìn)水口必須有針對性的采取相應(yīng)的排沙防沙措施，確保電站進(jìn)水口不被淤死，同時(shí)盡量排走高濃度含沙水流，防止粗沙過機(jī)。

2.2 進(jìn)水口布置方案比較

根據(jù)本工程水沙特點(diǎn)和進(jìn)水口地形地質(zhì)情況，參照國內(nèi)多沙河流進(jìn)水口防沙布置形式及運(yùn)行效果，共擬定3 個(gè)進(jìn)水口布置方案：

方案1： 共用進(jìn)水渠方案，兩個(gè)進(jìn)水口盡量靠近，利用泄洪洞沖沙漏斗覆蓋發(fā)電洞進(jìn)口，確?！伴T前清”。

方案2：沖沙廊道方案，兩洞分開布置，發(fā)電洞進(jìn)口遠(yuǎn)離泄洪沖沙洞，利用壩前沖溝地形避開主流，沖溝回水泥沙相對較輕，在發(fā)電洞進(jìn)口下方采用“圓孔格柵廊道”拉沙，廊道后接新開的沖沙支洞，將水沙排入泄洪沖沙洞內(nèi)，利用小洪水關(guān)閉泄洪洞檢修門拉沙（該沖沙支洞主要負(fù)責(zé)發(fā)電洞進(jìn)口排沙），以拉沙廊道形成的漏斗確保發(fā)電洞“門前清”。

方案3：組合進(jìn)水塔方案，將兩個(gè)進(jìn)水塔合并布置在一個(gè)大的進(jìn)水塔內(nèi)，兩進(jìn)水口上下正對，底板高差15.1 m，利用泄洪洞形成的漏斗確保其上發(fā)電洞進(jìn)口“門前清”。

前2 個(gè)防沙方案均為多泥沙河流經(jīng)常采用的形式,采用正面進(jìn)水，側(cè)面排沙的原則。方案1 投資最省，但因本工程建筑物尺寸較大，巖石條件較差，泄洪沖沙洞形成的漏斗側(cè)向邊坡難以確定，其范圍較難確保整個(gè)發(fā)電洞進(jìn)水口，存在不確定性；方案2 投資居中，沖沙廊道形成的漏斗可較好地確保整個(gè)發(fā)電洞進(jìn)水口，但運(yùn)行操作麻煩，存在淤堵風(fēng)險(xiǎn)和檢修難等缺點(diǎn)；方案3 采用正面進(jìn)水，正面排沙形式，投資最大，應(yīng)用相對較少，但對泥沙問題特別嚴(yán)重的水庫，“門前清”防沙效果最佳，我國黃河小浪底水利樞紐即采用該種方式，布置形式基本相似，效果較好，可做原型參照。但因兩洞進(jìn)水口平面上重疊布置，汛期泄洪拉沙時(shí)進(jìn)水口部位流態(tài)復(fù)雜，為三維紊流，泥沙擾動較強(qiáng)烈，可能帶來更大的粗粒過機(jī)問題，本次考慮將導(dǎo)流泄洪洞進(jìn)口向前伸出一定距離，減輕兩洞同時(shí)工作的相互影響，伸出距離初定為5.0 m，位于沖沙漏斗范圍內(nèi)，具體布置應(yīng)通過進(jìn)水口模型試驗(yàn)確定。

綜上所述，結(jié)合本工程實(shí)際情況，塔日勒嘎電站進(jìn)水口實(shí)際上為3 個(gè)梯級電站的進(jìn)水口，重要性相當(dāng)突出，為確保梯級電站引水發(fā)電安全，最大限度減少泥沙影響，本次推薦采用方案3 的組合進(jìn)水塔方案。

2.3 組合進(jìn)水塔的布置

組合進(jìn)水塔布置在大壩左岸上游沖溝出口，進(jìn)口軸線與壩軸線夾角17.3°，距壩軸線距離232 m。進(jìn)水口前沿總寬30.0 m，縱軸線方位角N86.2°E，順?biāo)较蜷L47.7 m，塔體總高度38.6 m，高程2 233.0 m 以下為大體積混凝土，布置洞泄洪沖沙隧洞，其上為薄壁墻墩結(jié)構(gòu)形式，布置發(fā)電引水設(shè)施，兩洞高差15.1 m，進(jìn)口立面形象地稱為“鼻子正對嘴”。高程2 233.0 m 部位中間設(shè)置泄洪洞檢修門，兩邊布置發(fā)電洞進(jìn)口流道及攔污柵，流道在泄洪洞檢修門框架井后漸變合并，其后布設(shè)發(fā)電洞檢修門。所有隧洞攔污、檢修設(shè)施均在組合進(jìn)水塔布置完成，然后兩洞分別進(jìn)洞，下部泄洪洞直線進(jìn)洞，上部發(fā)電洞平面上向山體側(cè)旋轉(zhuǎn)52°進(jìn)洞。頂部2 254.0 m 高程檢修平臺通過交通橋連接上壩公路。該布置雖下部混凝土方量較大，但大多為大體積混凝土，由于組合進(jìn)水塔體型較大，增加了高地震烈度下進(jìn)水塔的穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)抗震性能，見圖1、圖2。

圖1 進(jìn)口組合式進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 進(jìn)口組合式進(jìn)水塔剖面圖

3 泥沙計(jì)算及模型試驗(yàn)

鑒于該工程泥沙問題突出，2011年5月～2013年5月，特委托中國水科院泥沙所進(jìn)行庫區(qū)二維數(shù)模和壩區(qū)泥沙物模試驗(yàn)。

3.1 數(shù)模計(jì)算

利用其自主開發(fā)的平面二維水沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析計(jì)算，主要為研究水庫淤積形態(tài)及庫容損失情況、分析過機(jī)泥沙含量及級配、沖刷漏斗范圍和形態(tài)。選擇1965年、1988年、1990年、1996年和2005年5 個(gè)典型年按時(shí)間順序循環(huán)組成的長系列水沙資料進(jìn)行多方案計(jì)算與分析。塔日勒嘎水庫采用“蓄清排渾”運(yùn)行調(diào)度方式，采用當(dāng)入庫流量大于225 m3/s時(shí)停機(jī)敞泄，其他流量維持正常蓄水位2 250.0 m 的運(yùn)行調(diào)度方案。運(yùn)行10年后基本達(dá)到?jīng)_淤平衡，水庫呈三角洲淤積形態(tài)，淤積量維持在（3 051.6～3 803.2）萬t 左右，壩前淤積高程2 240 m 左右，淤積平衡后10年平均保留調(diào)節(jié)庫容為856.9 萬m3，進(jìn)水塔前沿不同方案形成不同沖刷漏斗，縱坡為1∶2～1∶3.1，縱向長度（45～60）m，能保持發(fā)電洞的“門前清”。平均過機(jī)含沙量為1.68 kg/m3，大于0.05 mm 的泥沙含量為0.27%，有效地減少粗沙過機(jī)。

3.2 物模試驗(yàn)

泥沙模型采用正態(tài)動床模型，模型比尺在1∶50左右，試驗(yàn)范圍：壩上1.6 km，壩下0.65 km，主槽最寬500 m，試驗(yàn)主要結(jié)論如下：

（1）設(shè)計(jì)采用組合進(jìn)水塔方案，在沖沙洞經(jīng)常排沙運(yùn)用條件下，能夠保持發(fā)電洞前的“門前清”，并有利于減輕過機(jī)泥沙對機(jī)組的影響，工程布置方案是合理的。

（2）泄洪沖沙洞的漏斗形態(tài)近似半橢圓，不同方案水位下縱坡比降變化于1∶2.3～1∶3.1，沖刷漏斗的橫向坡度約為1∶2.0，形成穩(wěn)定的沖刷漏斗所需模型時(shí)間約為（30～35）h。沖沙洞前伸的布置要優(yōu)于不前伸的布置形式。見圖3。

（3）模型模擬了水庫泄空8 h 條件下沖刷過程，溯源沖刷影響范圍最遠(yuǎn)可達(dá)壩址上游約0.45 km處的河段，沖刷河槽寬度一般在（15～30）m 左右，水庫拉沙效果較好。

3.3 泥沙計(jì)算及試驗(yàn)結(jié)論

圖3 進(jìn)水口沖刷漏斗平面形態(tài)照片

從數(shù)模計(jì)算和物模試驗(yàn)成果看，水庫在合理調(diào)度下，能維持一定的調(diào)節(jié)庫容，水庫使用壽命可確保。組合進(jìn)水塔所形成沖刷漏斗完全能保證發(fā)電洞進(jìn)口門前清。經(jīng)采用汛期入庫流量大于225 m3/s 時(shí)停機(jī)拉沙，后10年平均保留庫容為856.9 萬m3，發(fā)電洞d≥0.05 mm 粗沙所占比例不到1.0%，含沙量為（0.713～2.415）kg/m3，對該水頭機(jī)組而言，運(yùn)行可達(dá)國內(nèi)同等水平，泥沙問題得到了較好的解決。

4 結(jié)論及建議

泥沙問題嚴(yán)重的水庫，發(fā)電引水進(jìn)口需確?！伴T前清”，本工程經(jīng)過綜合比較，采用組合進(jìn)水塔，導(dǎo)流泄洪沖沙隧洞與發(fā)電引水隧洞進(jìn)口合并上下垂直布置，利用下部泄洪沖沙隧洞拉沙，形成沖刷漏斗，可確保發(fā)電洞進(jìn)口不被淤死。同時(shí)根據(jù)泥沙垂線上的分布特點(diǎn)，水庫合理調(diào)度，引取表層含沙小的水流，可有效減輕對機(jī)組的磨蝕。

設(shè)計(jì)中認(rèn)識到，組合式進(jìn)水塔上下兩洞高差應(yīng)盡可能大，對沖刷漏斗和過機(jī)泥沙均有利。運(yùn)行中密切監(jiān)測組合進(jìn)水塔前泥沙淤積面的變化，及時(shí)開啟泄洪排沙洞，保持盡可能大的沖刷漏斗范圍。