唐曉波，蔣 達，李文斌

(四川華電木里河水電開發(fā)有限公司，四川 西昌，615000)

俄公堡水電站泥沙防治經(jīng)驗淺談

唐曉波，蔣 達，李文斌

(四川華電木里河水電開發(fā)有限公司，四川 西昌，615000)

我國河流泥沙含量普遍較高，泥沙防治是水電站設(shè)計、運行中必須考慮的重要因素。俄公堡電站在設(shè)計之初采取了防止泥沙淤積和沖刷的一些措施，電站運行也按照科學(xué)合理的方式進行，投產(chǎn)近三年來，在泥沙防治方面取得了良好的效果，具有值得推廣借鑒的經(jīng)驗。

泥沙 淤積 沖刷 防治 俄公堡水電站

1 工程概況

俄公堡水電站工程位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)的雅礱江一級支流木里河干流上，是木里河干流(上通壩～阿布地)梯級開發(fā)的第四級電站，為閘壩引水式開發(fā)。俄公堡水電站取水樞紐位于沙灣電站廠房下游約2.5km處，于木里河左岸取水后經(jīng)長14.8km的引水隧洞至榮呆小溝溝口建地面廠房發(fā)電。俄公堡閘址以上集雨面積7544km2，多年平均流量115m3/s，多年平均懸移質(zhì)年輸沙量205萬t，多年平均含沙量0.565kg/m3，多年平均推移質(zhì)年輸沙量3.7萬t。

俄公堡水電站工程開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電，兼顧下游生態(tài)環(huán)境用水要求。水庫正常蓄水位2315.60m，正常蓄水位以下庫容為80.7萬m3，調(diào)節(jié)庫容19.6萬m3，具有日調(diào)節(jié)性能。電站裝機3臺，單機容量44MW，總裝機容量132MW。工程于2008年12月底正式開工建設(shè)，2014年1月2日1號機組完成動態(tài)調(diào)試，投入商業(yè)運行。截止目前工程已安全穩(wěn)定運行接近3年。

2 徑流、泥沙特性

2.1 流域徑流特性

木里河流域徑流主要來源于降雨，其次是冰雪融水和地下水。每年4月開始隨著氣溫逐漸回升，徑流逐漸加大。6～10月為豐水期，11月～翌年5月為枯水期，徑流基本由地下水補給。木里河流域洪水主要由暴雨形成，年最大洪水一般發(fā)生在6～10月，7、8、9月份發(fā)生次數(shù)最多，洪水以單峰為主，洪水歷時一般5～8d，復(fù)峰洪水歷時一般在10d左右，洪水量級不大。

2.2 泥沙特性

木里河流域河流泥沙主要來自流域地表沖蝕、滑坡泥石流及人類活動影響，總體來說水土流失不嚴(yán)重。上游理塘縣以上為高原區(qū)，地勢高亢，河谷寬淺，水流平緩，土地類型主要為草地，氣候干燥，降水量小，雨強不大，地廣人稀，以牧業(yè)為主，人類活動影響較小，水土流失不嚴(yán)重；下游理塘縣以下至木里河河口為高山峽谷區(qū)，地勢由高原地貌向高山過渡，河谷由寬逐窄，多呈“V”字型，河谷兩岸及支溝內(nèi)有原始森林分布，農(nóng)耕地較少，植被條件相對較好，加之暴雨強度不大，水土流失不嚴(yán)重。根據(jù)上下游水文站統(tǒng)計的泥沙數(shù)據(jù)，以及現(xiàn)場實驗，俄公堡泥沙情況如下。

2.2.1 懸移質(zhì)特性

俄公堡電站下游建有四合水文站，該站僅有2004年開始的泥沙資料，雖系列較短，但該站距俄公堡較近，加之木里河流域上下游下墊面、人類活動情況差異較大，采用該站可完全代表俄公堡懸移含沙量和輸沙量，待今后測驗資料進一步積累后，再對懸移質(zhì)泥沙進行復(fù)核。俄公堡懸移質(zhì)泥沙特性見表1。

表1 俄公堡水電站懸移質(zhì)泥沙特征值

四合水文站懸移質(zhì)泥沙級配資料不全，因此采用鄰近流域列瓦水文站的泥沙資料(見表2)作為俄公堡懸移質(zhì)級配資料來源。

表2 俄公堡懸移質(zhì)顆粒級配

2.2.2 推移質(zhì)特性

木里河沒有推移質(zhì)泥沙實測資料，推移質(zhì)采用長江科學(xué)院提出的推移質(zhì)輸沙經(jīng)驗曲線和沙莫夫推移質(zhì)輸沙率兩計算公式分別進行計算。

(1)長江科學(xué)院推移質(zhì)輸沙經(jīng)驗曲線的關(guān)系式如下：

式中：

泥沙起動流速采用張瑞瑾公式：

(2)沙莫夫推移質(zhì)輸沙率公式形式如下：

其中，Vc=md1/3h1/6

式中：

gs——推移質(zhì)單寬輸沙率，kg/s·m；

D、d——河床質(zhì)顆粒最粗一組及平均粒徑，m；

V、Vc——斷面平均、起動流速，m/s；

h——斷面平均水深，m；

K、m——系數(shù)，K=3.0，m=3.83。

(1)、(2)兩種方法算出來的推移質(zhì)量分別為3.7萬t和3.25萬t，兩計算成果比較接近。為了偏于安全，采用3.7萬t。

3 泥沙防治采用的工程布置設(shè)計

3.1 攔沙建筑物

3.1.1 導(dǎo)沙束水墻

根據(jù)水工模型試驗，為了更好地取水防沙，工程將沖沙閘導(dǎo)沙束水墻向上游延伸，采用半徑為35m的圓弧勘入到進水口左側(cè)漸變段內(nèi)，形成封閉(見圖1)，導(dǎo)沙束水墻頂高程為2312m，高出泄洪閘底板4m，有效減少推移質(zhì)進入導(dǎo)沙槽內(nèi)，改善樞紐的排沙效果。另外，束水墻對水流的約束作用明顯，水流行進到束水墻的束窄斷面，由于斷面收縮，流速增加，沖沙閘導(dǎo)沙槽內(nèi)底部流速增大，對沖沙起到很好的促進作用。

圖1 導(dǎo)沙束水墻示意

3.1.2 懸臂攔沙坎

根據(jù)工程模型實驗，電站取水口流態(tài)良好，防沙效果好，但由于河道中含沙量大，在取水口前修建一道寬1m的防沙懸臂梁(頂部高程2310.00m)，攔沙坎頂高程比沖沙閘底板高了3m(見圖2)。懸臂式攔沙坎有效防止沙粒翻滾進入取水口，避免影響電站正常工作。

圖2 懸臂攔沙坎示意

3.2 沖沙建筑物

3.2.1 正向泄洪沖沙，側(cè)向取水布置

俄公堡水電站在設(shè)計之初，在樞紐布置中考慮了引水防沙措施，防止推移質(zhì)泥沙進入水輪機。首部樞紐采用“正向泄洪排沙，側(cè)向取水”的布置型式，電站取水口位于河道的左岸。左岸進水口布置在沖沙閘的上游側(cè)，與壩軸線交角為110°。在左岸靠近進水口前下游側(cè)，設(shè)置一孔寬度為5m的沖沙閘，用于清除進水口前端導(dǎo)沙槽內(nèi)泥沙。有效防治泥沙直接進入進水口。

3.2.2 沖沙閘底板高程設(shè)計

結(jié)合水庫運行方式、滿足河道敞泄沖沙要求以及地形地質(zhì)條件，考慮進水口結(jié)構(gòu)布置，設(shè)計過程中將沖沙閘底板高程定為2307.00m，比導(dǎo)沙束水墻頂?shù)土?m，比懸臂攔沙坎頂?shù)土?m，充分保證了中小流量下進水口達到“門前清”的沖沙效果。

4 防沖刷材料和機組材質(zhì)選用

4.1C40HF混凝土材料

由于木里河為山區(qū)性河流，推移質(zhì)較多，加上庫區(qū)不定期泄洪排沙，汛期大量推移質(zhì)過閘，泄洪建筑物需采用抗沖耐磨保護措施。因此電站閘首，在泄洪沖沙閘室底板、閘墩迎水面1m高范圍和消力池表面設(shè)0.5m厚C40HF混凝土保護。

高強耐磨粉煤灰混凝土(砂漿)(簡稱HF混凝土)是甘肅省電力科研院在研究硅粉混凝土的基礎(chǔ)上，研制的新型水工抗沖耐磨性材料，由水泥、水、優(yōu)質(zhì)粉煤灰(或其他優(yōu)質(zhì)活性摻合料)、砂石骨料(或特種硬質(zhì)骨料)、HF外加劑組成。HF外加劑與粉煤灰配合使用，激發(fā)了粉煤灰的活性，使混凝土水化產(chǎn)物密實度、抗沖耐磨強度提高。與硅粉混凝土的抗沖耐磨性能基本相當(dāng)，但具有價格低、和易性好、水化熱溫升小、方便施工、干縮率小不易產(chǎn)生裂縫等特點。通過在大量工程中的運用，驗證了HF混凝土優(yōu)良的抗沖耐磨特性。

4.2 壓力鋼管防腐材料

俄公堡壓力管道主管采用Q345C鋼材，壁厚為14mm～28mm，支管和岔管采用16MnR鋼材，岔管壁厚為30mm，支管壁厚度為25mm，兩種材質(zhì)均符合設(shè)計規(guī)范的各項要求以及俄公堡工程實際。為防止壓力鋼管發(fā)生腐蝕破壞，加劇沖刷，俄公堡壓力鋼管內(nèi)壁涂有環(huán)氧煤瀝青漆。環(huán)氧煤瀝青漆是在傳統(tǒng)環(huán)氧煤瀝青涂料的基礎(chǔ)上，加入長壽型氯磺化聚乙烯橡膠、云母氧化鐵、其它耐蝕顏填料、特種添加劑及活性溶劑等，經(jīng)先進工藝制備而成的雙組分長效重防腐涂料。用于水電站壓力鋼管能夠起到了持久防腐，耐微生物侵蝕，耐磨性強，確保預(yù)埋金屬部件長期處于良好的工作狀態(tài)。

4.3 機組材質(zhì)

雖然木里河流域泥沙礦物硬度不大，但多年平均含沙量為0.565kg/m3，仍屬于泥沙含量大的河流。為減輕水輪機的磨蝕，延長水輪機大修間隔時間，水輪機在選型和材質(zhì)方面做了以下幾點考慮。

(1)水輪機選型時，選擇空化性能良好的轉(zhuǎn)輪，避免泥沙磨損和空蝕對水輪機的聯(lián)合作用；

(2)在水輪機參數(shù)選擇時，不追求過高的參數(shù)指標(biāo)，控制轉(zhuǎn)輪葉片出水邊相對流速及導(dǎo)水機構(gòu)流速在合理水平，改善磨蝕；

(3)水輪機主要過流部件，如導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、頂蓋和底環(huán)抗磨板等選用耐磨的不銹鋼材料。

通過方案比選，最終選擇了HLD790-LJ-275不銹鋼水輪機，通過模型實驗，該型水輪機各項性能指標(biāo)滿足俄公堡電站運行條件的要求。

5 電站運行泥沙調(diào)度

5.1 單站運行方式

俄公堡上游茶布朗電站屬于日調(diào)節(jié)電站，無泥沙攔蓄功能。根據(jù)水流流速越快，攜帶泥沙能力越強的原理，俄公堡閘門采用分流量級控制方式，在滿足發(fā)電要求的前提下，避免大流量攜帶的泥沙沉積在庫區(qū)內(nèi)。

(1)當(dāng)入庫流量小于250m3/s時，采用沖沙閘局開調(diào)節(jié)庫區(qū)水位，沖走進水口前端泥沙；

(2)當(dāng)流量增大至250m3/s～500m3/s時，采用沖沙閘和泄洪閘聯(lián)合運用，調(diào)節(jié)庫區(qū)水位，水流平穩(wěn)下泄，避免泥沙淤積；

(3)當(dāng)流量繼續(xù)增大至500m3/s以上時，為避免大流量攜帶的泥沙淤積或進入引水發(fā)電系統(tǒng)，采取泄洪沖沙閘全開，降低水庫水位，電站停止發(fā)電、停機拉沙的措施。

5.2 梯級運行方式

俄公堡電站是木里河干流(上通壩～阿布地)六個梯級開發(fā)的第四級，上游已建成具有年調(diào)節(jié)能力的卡基娃水電站和具有日調(diào)節(jié)能力的茶布朗水電站，未來上游還將陸續(xù)投產(chǎn)上通壩電站，以及具有季調(diào)節(jié)能力的確如多電站(理塘河梯級電站)?？ɑ匏娬舅缼烊?.777億m3，根據(jù)其泥沙沖淤平衡設(shè)計結(jié)果表明，卡基娃水庫運行100年，壩前淤積高程低于電站進水口，因此卡基娃投產(chǎn)可以大大減小俄公堡泥沙淤積壓力。

俄公堡在防止泥沙淤積梯級運行方面，主要從設(shè)置排沙運用水位與梯級聯(lián)合沖沙兩個方面進行。

(1)俄公堡電站在卡基娃水庫建成前，設(shè)置汛期排沙運用水位為2314m；卡基娃水庫建成后不設(shè)置汛期排沙運用水位?？ɑ匏娬?015年初下閘蓄水，隨著卡基娃的下閘蓄水，俄公堡入庫泥沙明顯減小，俄公堡取消排沙運用水位，汛期最高運行水位按照正常蓄水位2315.6m運行。從近三年泥沙監(jiān)測數(shù)據(jù)(見表3)來看，卡基娃攔沙作用明顯。

表3 近三年俄公堡來水、來沙情況

(2)俄公堡上游茶布朗水電站只具有日調(diào)節(jié)能力，庫容較小，無泥沙攔蓄能力，茶布朗水電站采用不定期沖沙的運行方式。因此為避免上游排出泥沙淤積在水庫內(nèi)，茶布朗電站停機拉沙時俄公堡也進行停機沖沙，上下游梯級應(yīng)聯(lián)合調(diào)度。

6 泥沙防治效果及持續(xù)改進要求

6.1 近三年泥沙防治效果

6.1.1 防沖刷效果

閘首下游采用C40HF混凝土部位經(jīng)過三個汛期沖刷，2016年檢查時，僅在閘門下游底板表面局部有輕微沖刷，不影響工程繼續(xù)安全穩(wěn)定運行，和同等規(guī)模、同樣泥沙情況電站相比，抗沖刷情況較好；壓力鋼管、水輪機轉(zhuǎn)輪均無沖刷。采取的各項防沖刷措施起到了效果。

6.1.2 防淤積效果

2014年投產(chǎn)首年，是俄公堡投產(chǎn)以來，斷面泥沙含量最高的一年，2015年初在投產(chǎn)滿一年后，俄公堡電站進行了放空檢查，發(fā)現(xiàn)庫區(qū)內(nèi)、引水隧洞、導(dǎo)沙槽內(nèi)基本無淤積，通過庫容測量，發(fā)現(xiàn)庫容變化不大(見圖3)，表明防止泥沙淤積方面，采用的各項設(shè)計措施和水庫運行調(diào)度方式起到了效果。

圖3 發(fā)電前后水位庫容對比

6.2 下一步泥沙防治持續(xù)改進措施

俄公堡水電站泥沙防治取得良好的效果，這些成果歸功于河流本身泥沙含量不是特別大的優(yōu)勢，以及設(shè)計、運行中采取的各種防淤防沖措施。俄公堡泥沙防治工作雖然取得了一定成績，但電站運行僅三年時間，相較于電站全壽命周期來說還太短，在今后工作中還需持續(xù)改進，將泥沙防治工作做的更好。未來還需從以下幾方面持續(xù)改進：

(1)電站運行需繼續(xù)按照設(shè)計要求的方式進行，高含沙量時泄洪排沙，并進行不定期沖沙，避免泥沙淤積，影響正常發(fā)電；

(2)今后上通壩上游具有季調(diào)節(jié)能力的確如多水電站投產(chǎn)后，將能進一步減輕下游泥沙壓力。但梯級電站投產(chǎn)后改變了原始的流域洪水特性，在今后工作中，需加強上下游聯(lián)系，做好梯級泥沙、洪水調(diào)度工作，避免泥沙淤積與洪水險情；

(3)加強易沖刷損壞部位的監(jiān)視檢查，出現(xiàn)沖刷損壞情況，及時查找原因修復(fù)，避免破壞擴大；關(guān)注機組運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常及時檢修處理；

(4)按規(guī)范要求及時進行放空檢查，及時發(fā)現(xiàn)水工建筑物存在的問題，進行整改，確保引水、發(fā)電、尾水建筑物處在良好的運行狀態(tài)；

(5)加強泥沙監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)存在問題，及時整改，定期進行庫區(qū)測量，掌握泥沙淤積情況，根據(jù)需要采取合理措施加以應(yīng)對。

蔣 達(1970-)，男，重慶人，教授級高級工程師，碩士，從事水電建設(shè)運營管理工作；

李文斌(1968-)，男，湖南益陽人，高級工程師，學(xué)士，從事水電建設(shè)運營管理工作；

唐曉波(1988-)，男，四川西昌人，助理工程師，學(xué)士，從事水電運行工作。

TV145.3∶TV145.1

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2095-1809(2017)01-0046-04