[] M.

巴基斯坦達(dá)蘇水電站沖沙設(shè)施效果的試驗(yàn)研究

[巴基斯坦] M.阿克拉姆等

建于印度河上的達(dá)蘇水電站工程項(xiàng)目由世行資助，其目的是為巴基斯坦提供清潔能源，目前已開(kāi)始了前期建設(shè)工作，計(jì)劃于2021年完成第1階段工程(2 160 MW)。達(dá)蘇水電站的使用壽命有賴于70 km庫(kù)區(qū)入庫(kù)泥沙的處置。旨在為該水電站泥沙治理提供新的解決方案，以利于工程效益的發(fā)揮與最大化。

水庫(kù)泥沙淤積；沖沙效果；水工模型試驗(yàn)；沖沙隧洞；底孔沖沙；達(dá)蘇水電站；巴基斯坦

雖然經(jīng)過(guò)了70多年的研究，水庫(kù)泥沙淤積仍然是大壩工程專業(yè)面臨的最嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。泥沙淤積導(dǎo)致全世界水庫(kù)的蓄水庫(kù)容急劇減小，早期的處置措施是提供充足的庫(kù)容以容納泥沙淤積。然而觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：大多數(shù)水庫(kù)的泥沙淤積起始于水庫(kù)上游段，因而所侵占的往往是有效庫(kù)容。

維持水庫(kù)庫(kù)容和促使泥沙下泄的泥沙治理技術(shù)很多，其中大多數(shù)典型技術(shù)所要求達(dá)到的治理目標(biāo)可總結(jié)為“蓄清排渾”，很多治理技術(shù)也已經(jīng)成功應(yīng)用于多種類型水庫(kù)。盡管專業(yè)術(shù)語(yǔ)存在差異，有學(xué)者還是將泥沙治理技術(shù)辨識(shí)為3大類別，即水庫(kù)過(guò)沙或旁側(cè)輸沙方法、水庫(kù)清淤恢復(fù)庫(kù)容方法，以及水庫(kù)上游來(lái)沙最小化方法。

前2類方法既維持了水庫(kù)庫(kù)容又為下游河段供給泥沙，第3類上游減沙方法僅能解決水庫(kù)庫(kù)容問(wèn)題而不能解決下游輸沙阻斷問(wèn)題。阿特莫迪和蘇里賓2012年的研究總結(jié)認(rèn)為：有效的沖沙水位接近于泥沙淤積體的頂高程，因?yàn)榇藭r(shí)可以觸發(fā)頂層泥沙的沖刷，進(jìn)而產(chǎn)生最大沖刷。高于或低于有效沖沙水位的有壓沖沙，其沖沙效果均較差。

康道夫等指出：水庫(kù)攔沙阻斷了河流輸沙的連續(xù)性，不僅造成了水庫(kù)庫(kù)容的損失和水庫(kù)使用壽命的縮短，同時(shí)也剝奪了下游河段的輸移泥沙，而這些泥沙對(duì)于河道穩(wěn)定與水生生境至關(guān)重要。隨著全球大壩建設(shè)的加速，這些影響將還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。雖然有關(guān)水庫(kù)過(guò)沙、旁側(cè)輸沙、維持水庫(kù)庫(kù)容和減小下游影響等成熟技術(shù)很多，但是在某些本應(yīng)該有應(yīng)用效果的場(chǎng)合，它們并沒(méi)有得到采用。

艾薩克和埃爾多研究發(fā)現(xiàn)：流量75 m3/s時(shí)的沖沙效果不佳，沖沙量?jī)H為12.8萬(wàn)m3，不到36 h泥沙淤積總量的30%；但是對(duì)于大流量150 m3/s和300 m3/s，有效沖沙遍及整個(gè)庫(kù)區(qū)河段；峰值流量300 m3/s時(shí)，24 h內(nèi)可以沖刷1 a的泥沙淤積量；次級(jí)流量150 m3/s的沖沙也是有效果的，只是此時(shí)需要更長(zhǎng)的沖沙時(shí)間。

綜合考慮相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果和達(dá)蘇(Dasu)水電站工程項(xiàng)目的具體情況，本文開(kāi)展了達(dá)蘇水電站沖沙設(shè)施效果的評(píng)估工作，以期達(dá)到維持水庫(kù)庫(kù)容的目標(biāo)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 工程位置與研究方法

達(dá)蘇水電站是建在印度河上的一座徑流式水電站，位于巴基斯坦開(kāi)伯爾巴圖克瓦省(Khyber Pakhtunkhwa)達(dá)蘇鎮(zhèn)上游7 km、伊斯蘭堡(Islamabad)以北345 km處，工程方案的主要特征指標(biāo)見(jiàn)表1。

為研究水庫(kù)在確定的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)泥沙的淤積規(guī)律，達(dá)蘇水電站咨詢委員會(huì)(DHC)在詳細(xì)工程設(shè)計(jì)時(shí)開(kāi)展了泥沙沖淤計(jì)算分析，計(jì)算條件是庫(kù)水位維持正常蓄水位(FSL)950 m運(yùn)行和不采用任何沖沙調(diào)度運(yùn)行。

表1 達(dá)蘇水電站的設(shè)計(jì)特征值

1.2 水工模型研究

考慮到水庫(kù)泥沙淤積問(wèn)題與達(dá)蘇水電站工程方案的重要性，決定開(kāi)展詳細(xì)的水工實(shí)體模型研究，以確保大壩及其附屬建筑物的有效運(yùn)行。同時(shí)，為了延長(zhǎng)工程壽命，有必要對(duì)水庫(kù)的淤積泥沙進(jìn)行沖刷，推薦了底孔和沖沙隧洞2類沖沙設(shè)施。為了評(píng)估沖沙設(shè)施的效果，提出了下列2種水工模型。

(1)整體模型(比尺1/80)。模擬的大壩河段長(zhǎng)度約7.5 km，包括壩上游3 km區(qū)域、泄洪閘、底孔、分洪隧洞和電站設(shè)施等。

(2)底孔斷面模型(比尺1/40)。采用樹(shù)脂玻璃制作一座底孔，包括上游檢修閘和下游弧形節(jié)制閘；測(cè)試的水工參數(shù)包括流量、壓力、水深和泄流水舌軌跡等。

1.2.1 沖沙流量

考慮年均流量2 012 m3/s，達(dá)蘇水電站沖沙設(shè)施的設(shè)計(jì)泄流能力應(yīng)該大于4 200 m3/s。因此需要對(duì)底孔進(jìn)行設(shè)計(jì)變更，在維持正常蓄水位950 m與最低運(yùn)行水位900 m之間庫(kù)容前提下，滿足自由泄流下的降水沖沙。2004年，懷特博士(《水庫(kù)清淤》一書(shū)(2001年)作者，卡拉巴格(Kalabagh)大壩專家組成員)提出：基于國(guó)際大壩委員會(huì)注冊(cè)的現(xiàn)狀大壩運(yùn)行數(shù)據(jù)，沖沙流量至少應(yīng)該取年均流量的2倍。

1.2.2 整體模型

整體模型的原型比尺為1/80，建在南迪普(Nandipur)水工研究所。按照佛汝德數(shù)相似準(zhǔn)則，將全部建筑物制作為定床模型。采用水泥混凝土，對(duì)高程760 m至高程975 m(壩軸線上游)和高程875 m(下游)的河谷地形進(jìn)行精確制模，并在模型中制作了所有工程建筑物。模型上游末端安裝2臺(tái)長(zhǎng)2.7 m、高0.9 m薄壁堰進(jìn)行流量測(cè)量(見(jiàn)圖2)，采用美國(guó)墾務(wù)局《水工測(cè)量手冊(cè)》推薦的雷伯克(Rehbock)堰流公式計(jì)算流量。模型與原型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換見(jiàn)表2。

表2 模型數(shù)據(jù)與原型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系

整體模型中制作了9座直徑6.4 m底孔，并對(duì)它們進(jìn)行了不同流量下的試驗(yàn)測(cè)試；庫(kù)水位經(jīng)過(guò)適當(dāng)時(shí)間的穩(wěn)定之后，對(duì)各級(jí)流量下的模型水頭進(jìn)行記錄。底孔試驗(yàn)之后，設(shè)計(jì)推薦提出了直徑9.5 m沖沙隧洞方案，以確保泥沙顆粒的有效沖刷。共開(kāi)展了2類沖沙試驗(yàn)，即高水位下的有壓沖沙和降低水位下的降水沖沙，以增加趨近沖沙設(shè)施水流的流速。原設(shè)計(jì)2座沖沙隧洞均位于右岸，制作的模型見(jiàn)圖1。

圖1 整體模型

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水庫(kù)泥沙淤積

不考慮沖沙運(yùn)行時(shí)每5 a水庫(kù)泥沙淤積三角洲的縱剖面線見(jiàn)圖2， 采用一維HEC-RAS模型計(jì)算的入庫(kù)泥沙攔沙率為58%，與布倫(Brune)公式計(jì)算的攔沙率61%吻合較好。

圖2 正常蓄水位運(yùn)行條件下每5 a水庫(kù)泥沙淤積縱剖面

每5 a泥沙淤積剖面線特性分析表明：

(1)基于每5 a泥沙淤積三角洲縱剖面線，水庫(kù)運(yùn)行20～25 a后電站和底孔取水口將會(huì)淤滿泥沙；

(2)第1階段工程投運(yùn)15 a后，壩上游約9 km處泥沙淤積三角洲將淤積至高程780 m，而三角洲頂點(diǎn)將達(dá)到高程910 m；

(3)預(yù)計(jì)泥沙淤積三角洲很快到達(dá)壩前，超過(guò)三角洲的穩(wěn)定比降，這可能會(huì)引起三角洲的突然崩塌，造成底孔進(jìn)口淤堵；第1階段工程投運(yùn)25 a之內(nèi)，電站和底孔取水口設(shè)施將會(huì)淤滿泥沙。

2.2 底孔沖沙效果

首先開(kāi)展有壓流和自由流條件下的底孔沖沙試驗(yàn)。為了進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)，采用了粒徑0.18 mm的無(wú)粘性細(xì)顆粒泥沙，對(duì)底孔上游進(jìn)行了動(dòng)床鋪沙準(zhǔn)備。臨近底孔處由固定床面高程800 m鋪沙至動(dòng)床頂高程830 m，然后往上游方向以20°傾角抬升至頂高程870 m。

2.2.1 有壓沖沙

開(kāi)啟底孔進(jìn)行模型試驗(yàn)，調(diào)整庫(kù)水位穩(wěn)定至高程900 m；試驗(yàn)10 h之后，停止放水，小心放空模型。模型試驗(yàn)觀測(cè)表明：動(dòng)床床面保持不變，沒(méi)有觀測(cè)到泥沙運(yùn)動(dòng)；即使重復(fù)試驗(yàn)10 h，情況仍然不變，增加入流也沒(méi)有沖沙影響。

2.2.2 降水沖沙

降水沖沙條件下泥沙床面的準(zhǔn)備與上述有壓沖沙一樣，以制模床面不受干擾的方式將庫(kù)水位蓄高至900 m；然后開(kāi)啟全部底孔，降低水庫(kù)至“平衡”庫(kù)水位，維持水位運(yùn)行模型10 h。試驗(yàn)觀測(cè)表明：僅在底孔前方40～45 m區(qū)域沖沙有效。

模型試驗(yàn)表明：底孔沖沙效果不明顯，僅能觀測(cè)到局部沖刷；在底孔斷面模型上重復(fù)上述試驗(yàn)，結(jié)果一樣。之后，設(shè)計(jì)增加了沖沙隧洞。

2.3 右岸雙座沖沙隧洞試驗(yàn)(原設(shè)計(jì))

根據(jù)已建整體模型右岸的形狀與地形制作沖沙隧洞，模擬的壩上游河段超過(guò)3 km。每座沖沙隧洞包括取水口建筑、隧洞圓形斷面段、控制閘室及其下游馬蹄形斷面段、挑流出口段等部分，所有部分均按照設(shè)計(jì)圖紙與尺寸采用樹(shù)脂玻璃精確預(yù)制并安裝在模型上，安裝之后依據(jù)地形等值線數(shù)據(jù)重建河岸。

2.3.1 泥沙床面830 m試驗(yàn)

采用平均粒徑0.18 mm非粘性清細(xì)沙，對(duì)模型壩上游泥沙床面進(jìn)行制模，即頂高程830 m、往上游方向坡比1∶500、淤積三角洲河段試驗(yàn)長(zhǎng)度3 km。設(shè)計(jì)泥沙床面制模完成后，借助埋置于淤積三角洲下面的環(huán)形管回填模型，并避免擾動(dòng)淤積三角洲?；靥詈箝_(kāi)展如下模型試驗(yàn)：

(1)下泄流量2 100 m3/s下沖沙隧洞運(yùn)行試驗(yàn)；

(2)下泄流量4 400 m3/s下沖沙隧洞與9座底孔聯(lián)合運(yùn)行試驗(yàn)。

2組試驗(yàn)表明，淤積三角洲高程830 m條件下的沖沙沒(méi)有明顯效果。

2.3.2 泥沙床面835 m試驗(yàn)

按泥沙床面頂高程835 m制作模型，其他參數(shù)不變。模型運(yùn)行隧洞沖沙10 h，并同時(shí)開(kāi)啟9座底孔；試驗(yàn)?zāi)┢陉P(guān)閉所有運(yùn)行設(shè)施，小心放空模型，記錄床面地形。試驗(yàn)觀測(cè)表明：泥沙床面出現(xiàn)沙波起伏，沖沙隧洞前緣水面高程844 m，沖沙隧洞前沿取水口出現(xiàn)局部沖刷。

2.3.3 泥沙床面845 m試驗(yàn)

按泥沙床面頂高程845 m制作模型，試驗(yàn)結(jié)果表明：模型10 h運(yùn)行期間，水面高程由開(kāi)始運(yùn)行的852 m經(jīng)過(guò)沖刷下降至844 m。試驗(yàn)后床面地形顯示：右側(cè)出現(xiàn)泥沙沖刷，但左側(cè)電站取水口前緣泥沙反而淤高至847 m。這表明：僅在沖沙隧洞取水口短距離區(qū)域沖沙有效，但對(duì)于對(duì)岸電站取水口前緣沖沙沒(méi)有效果。

泥沙床面制模高程不變，試驗(yàn)時(shí)間由10 h延長(zhǎng)至20 h和53 h，模型水流流態(tài)和床面等值線測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖3。試驗(yàn)清楚表明：即使延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間，電站取水口前緣淤積泥沙保持原樣不變，但是對(duì)于沖沙隧洞取水口以上河段，沖刷卻更加有效，這無(wú)疑應(yīng)歸因于試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)。

圖3 模型沖沙運(yùn)行20 h后壩上游床面形態(tài)(單位：m)

分析沖沙隧洞與底孔聯(lián)合運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果以后，決定關(guān)閉沖沙隧洞，觀測(cè)底孔的沖沙效果，開(kāi)展了如下試驗(yàn)：

(1)入流流量2 770 m3/s下 9座底孔運(yùn)行；

(2)入流流量1 846 m3/s下左側(cè)6座底孔運(yùn)行(旨在沖刷電站取水口淤積泥沙)。

泥沙淤積床面高程845 m條件下進(jìn)行了10 h沖沙試驗(yàn)，結(jié)果沒(méi)有出現(xiàn)泥沙沖刷，尤其是電站取水口前緣，其原因是主流偏向右側(cè)。

模型沖沙隧洞取水口上游河段略偏向右側(cè)，該河段流態(tài)十分均勻，流速分布也均勻。沖沙隧洞位于壩軸線上游右岸，當(dāng)水流趨近沖沙隧洞取水口時(shí)，大部分水流偏向取水口，剩余水流流向壩體底孔。沖沙隧洞取水口與壩體之間，高速水流流向右側(cè)，形成深槽，且水流集中于此槽，其結(jié)果是電站取水口前緣出現(xiàn)低流速段，取水口前緣淤積泥沙難以沖刷。在泥沙床面頂高程835 m和845 m與模型試驗(yàn)時(shí)間10,20 h和53 h條件下，電站取水口前緣淤積高程分別達(dá)到837 m和847 m，右側(cè)形成深槽，最低高程分別為825 m(10 h試驗(yàn))和817 m(53 h試驗(yàn))(見(jiàn)圖4)。大部分沖刷泥沙經(jīng)沖沙隧洞下泄，僅有少量泥沙經(jīng)底孔下泄。10 h試驗(yàn)時(shí)，沖沙隧洞上游短距離區(qū)域內(nèi)沖沙有效；但53 h試驗(yàn)之后，沖沙對(duì)于模型所有淤積三角洲河段均有效。底孔無(wú)論與沖沙隧洞聯(lián)合運(yùn)行還是單獨(dú)運(yùn)行，沖沙量都十分有限。鑒于沖沙隧洞取水口前緣漸進(jìn)段和第1隧洞近臨側(cè)的河岸陡峭，第1隧洞右側(cè)形成了一個(gè)永久泥沙淤積區(qū)。

圖4 模型沖沙運(yùn)行53 h后壩上游床面形態(tài)(單位：m)

2.4 一側(cè)一座沖沙隧洞試驗(yàn)(新設(shè)計(jì))

右側(cè)雙座沖沙隧洞方案模型試驗(yàn)表明：電站取水口前緣泥沙淤積無(wú)法得到?jīng)_刷，因此建議將一座沖沙隧洞移至左側(cè)，并進(jìn)行降水沖沙的聯(lián)合效果試驗(yàn)。模型調(diào)整為左、右岸各一座沖沙隧洞，開(kāi)展下列試驗(yàn)。

2.4.1 泥沙床面頂高程840 m

按泥沙床面頂高程840 m制作模型，往上游方向坡比1∶500，小心回填水庫(kù)。模型試驗(yàn)流量2 120 m3/s，庫(kù)水位到達(dá)857 m時(shí)打開(kāi)2座沖沙隧洞運(yùn)行10 h?；谝曈X(jué)觀察和測(cè)量數(shù)據(jù)分析可知：泥沙床面出現(xiàn)沙紋起伏，運(yùn)行條件下沖沙隧洞前緣水面高程856.5 m，沖沙隧洞取水口前緣出現(xiàn)局部沖刷。

2.4.2 泥沙床面頂高程845 m

按泥沙床面頂高程845 m制作模型，往上游方向坡比1∶500，再次小心回填水庫(kù)。模型試驗(yàn)流量4 400 m3/s，庫(kù)水位到達(dá)857 m時(shí)同時(shí)打開(kāi)沖沙隧洞和底孔運(yùn)行20 h?；谝曈X(jué)觀察和測(cè)量數(shù)據(jù)分析可知：沖沙隧洞取水口最終水面高程由857 m大幅度降至845.2 m，試驗(yàn)后床面形態(tài)見(jiàn)圖5，2座沖沙隧洞前緣沖沙均有效。

圖5 模型沖沙運(yùn)行20 h后壩上游床面形態(tài)(單位：m)

2.4.3 泥沙床面頂高程850 m

按泥沙床面頂高程850 m制作模型，往上游方向坡比1∶500。模型試驗(yàn)流量4 400 m3/s，庫(kù)水位到達(dá)857 m時(shí)同時(shí)開(kāi)啟沖沙隧洞和所有底孔運(yùn)行10 h。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：沖沙隧洞取水口最終水面高程下降至846 m，2座沖沙隧洞前緣沖沙均有效果，其床面降低至835 m。

一側(cè)一座沖沙隧洞方案試驗(yàn)表明：該方案布置非常有效，沖刷了電站取水口前緣的淤積泥沙，而這部分泥沙在右岸雙座沖沙隧洞方案中無(wú)法沖刷。模型運(yùn)行20 h，其有效沖刷范圍上溯至壩上游1.5 m處；而且隨著沖沙時(shí)間的延長(zhǎng)，沖刷上溯更長(zhǎng)。由于模型所采用的泥沙均值粒徑0.18 mm對(duì)應(yīng)的原型粒徑為3.5 mm，因此試驗(yàn)結(jié)果是定性的，但是沖刷河段仍足以覆蓋電站取水口前緣區(qū)域。

2.5 原設(shè)計(jì)與新設(shè)計(jì)沖沙效果對(duì)比

通過(guò)泥沙床面制模高程845 m、運(yùn)行流量4 400 m3/s、2座沖沙隧洞和9座底孔沖沙運(yùn)行10 h等條件下的原設(shè)計(jì)與新設(shè)計(jì)方案模型試驗(yàn)，獲得了壩上游不同距離床面形態(tài)的詳細(xì)斷面圖(見(jiàn)圖6)。分析表明：對(duì)于原設(shè)計(jì)方案，右側(cè)而非左側(cè)的沖沙有效；而當(dāng)隧洞每側(cè)分置時(shí)，兩側(cè)的沖沙均有效果。

圖6 沖沙隧洞布置改變對(duì)沖沙效果的影響對(duì)比

3 結(jié) 論

如果沒(méi)有沖沙運(yùn)行，25 a之后達(dá)蘇水庫(kù)將失去所有庫(kù)容，本文模型試驗(yàn)研究的主要結(jié)論可概括如下：

(1)如果僅采用底孔沖沙，沖沙沒(méi)有效果(特別是有壓沖沙)，降水沖沙的效果也是非常局部的。

(2)右側(cè)雙座沖沙隧洞并與底孔聯(lián)合運(yùn)行，對(duì)于整個(gè)模型河段的沖沙是有效的，但電站取水口的累積淤積增加了水輪機(jī)的磨蝕風(fēng)險(xiǎn)；一側(cè)一座沖沙隧洞并與底孔聯(lián)合運(yùn)行，對(duì)于防止電站取水口的累積泥沙淤積經(jīng)證明十分有效。

(3)對(duì)于狹長(zhǎng)峽谷型的達(dá)蘇水庫(kù)，降水沖沙的效果更佳，但是水庫(kù)降水期間的水量損失也是十分巨大的，降水沖沙對(duì)于水庫(kù)某些部位的沖刷經(jīng)證明十分高效。

(4)在達(dá)到某一時(shí)間之前，達(dá)蘇水電站沖沙設(shè)施的沖沙效率與沖沙時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系。

(5)降水沖沙需要在洪水初期(5月中旬至6月中旬)進(jìn)行，此時(shí)印度河達(dá)蘇站的平均流量才可以滿足有效沖沙所要求的流量4 400 m3/s。

最后，沖沙設(shè)施的運(yùn)行效果還依賴于沖沙隧洞的檢測(cè)結(jié)果、監(jiān)測(cè)結(jié)果的采用以及地形測(cè)量等，其目標(biāo)是阻止庫(kù)底泥沙淤積體的壩前推進(jìn)。

董耀華譯

(編輯：朱曉紅)

2017-04-18

1006-0081(2017)08-0012-05

TV697.3

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董耀華，男，長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，教授級(jí)高級(jí)工程師。)