吳凌丞

(黃河萬(wàn)家寨水利樞紐有限公司,太原 030002)

1 工程概況

萬(wàn)家寨水利樞紐位于黃河北干流上段托克托至龍口峽谷河段內(nèi)，是黃河中游梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第1級(jí)。壩址左岸為山西省偏關(guān)縣，右岸為內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗。樞紐的主要任務(wù)是供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰，同時(shí)兼有防洪、防凌作用。

電站排沙洞布置在13～17號(hào)壩段、電站進(jìn)水口左下側(cè)，共5條，由現(xiàn)澆混凝土進(jìn)口段及排沙鋼管2部分組成。排沙鋼管軸線(xiàn)長(zhǎng)130 m，鋼管段直徑為2.7 m。排沙鋼管出口設(shè)在尾水平臺(tái)下部。在壩前水位952.00 m時(shí)，排沙鋼管單管泄量57.00 m3/s，管內(nèi)流速9.86 m/s。

排沙鋼管進(jìn)口段底高程為912.00 m，采用矩形孔口。為防淤堵，采用虹吸式接駝峰堰的進(jìn)口型式，從進(jìn)口912.00 m高程處經(jīng)圓弧連接上升至917.00 m。在進(jìn)口沿上游壩面設(shè)置1道進(jìn)口檢修門(mén)，底坎高程912.00 m。在壩內(nèi)下0+009.40 m處設(shè)有1道事故門(mén)，底坎高程917.00 m。出口段布置在主廠房尾水管上方，出口挑坎底高程為890.56 m，低于正常尾水位9.89 m。出口設(shè)平板工作閘門(mén)，由500 kN液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，出口檢修閘門(mén)與電站尾水檢修門(mén)共用[1-2]。

萬(wàn)家寨水利樞紐入庫(kù)泥沙分為2部分：其一是頭道拐以上黃河干流來(lái)沙；其二是頭道拐至壩址區(qū)間來(lái)沙[3]。頭道拐站1955—1986年多年平均懸移質(zhì)輸沙量1.08億t，頭道拐至壩址區(qū)間多年平均懸移質(zhì)輸沙量0.41億t，合計(jì)入庫(kù)懸移質(zhì)年輸沙量為1.49億t。頭道拐站推移質(zhì)年沙量33萬(wàn)t，支流紅河推移質(zhì)年沙量約60萬(wàn)t，合計(jì)入庫(kù)推移質(zhì)年沙量近100萬(wàn)t[4]。

2014年8月主汛排沙期間，上游水位在955.00 m左右，2號(hào)排沙洞出口工作門(mén)提至全開(kāi)后，發(fā)現(xiàn)無(wú)過(guò)流現(xiàn)象。隨后保持閘門(mén)全開(kāi)狀態(tài)，持續(xù)約3 d后將2號(hào)排沙工作門(mén)落至全關(guān)。判斷確認(rèn)2號(hào)排沙洞發(fā)生淤堵。

2 排沙洞淤堵情況及原因分析

2.1 淤堵情況

2014年8月發(fā)現(xiàn)2號(hào)排沙洞發(fā)生淤堵后，先后嘗試?yán)盟^壓力擠壓、通入低壓氣擾動(dòng)洞內(nèi)淤泥等方法進(jìn)行疏通[5]，但均未取得滿(mǎn)意效果。2015年9月組織潛水公司對(duì)2號(hào)排沙洞淤堵情況進(jìn)行了水下檢查。

檢查發(fā)現(xiàn)排沙洞上游段2號(hào)排沙洞事故閘門(mén)底坎處泥沙淤積厚度約為1.2 m，事故閘門(mén)兩側(cè)淤積厚度約為1.5 m，事故閘門(mén)往下游方向平均淤泥厚度約為1.2 m，一直延伸到排沙管拐彎處；傾斜的排沙管內(nèi)淤泥完全淤堵住的位置距水平段淤積距離約為6 m，淤堵處略有斜度。事故閘門(mén)上游側(cè)淤泥達(dá)1.5 m厚度，一直傾斜向下，距事故閘門(mén)約為9 m左右，淤泥高度距排沙管頂部20 cm左右。上游段淤堵情況如圖1所示。

圖1 2號(hào)排沙洞上游段淤堵情況圖 單位:m

檢查發(fā)現(xiàn)2號(hào)排沙洞下游段工作閘門(mén)底坎處有一層較薄淤泥，往上游淤泥逐漸變高，潛水員由工作閘門(mén)槽向上游2.5 m左右，淤泥高度距排沙管頂部高度不足以使?jié)撍畣T繼續(xù)前進(jìn)，潛水員用鋼板尺向內(nèi)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，完全淤堵住的位置距離工作閘門(mén)槽4 m左右。下游段淤堵情況如圖2所示。

圖2 2號(hào)排沙洞下游段淤堵情況圖

2號(hào)排沙洞整體淤積情況如圖3所示，主要淤積物為淤泥，還有少量雜草，淤積方量大概為700 m3左右。

2.2 淤堵原因分析

經(jīng)對(duì)萬(wàn)家寨水庫(kù)及水電站機(jī)組、排沙洞等過(guò)流設(shè)施多年運(yùn)行資料[6-8]比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)可能存在以下原因?qū)е屡派扯窗l(fā)生淤堵：

(1) 2013年主汛期近壩區(qū)域排沙效果不佳，形成淤積

2013年8—9月上游實(shí)際來(lái)水比較均勻，平均庫(kù)水位955.72 m，期間頭道拐來(lái)沙2 609.4萬(wàn)t，萬(wàn)家寨水利樞紐出庫(kù)沙量4 795.6萬(wàn)t。汛后最大庫(kù)容比汛前增加0.143億m3。

但壩前4 km范圍內(nèi)沖刷效果欠佳，發(fā)生泥沙淤積，汛后實(shí)測(cè)壩前淤積高程為920.00 m，比排沙洞進(jìn)口檢修門(mén)底坎高程912.00 m高出8 m，此時(shí)排沙洞進(jìn)口處已經(jīng)形成了泥沙淤積[9]。

圖3 2號(hào)排沙洞整體淤積情況圖

(2) 2014年凌汛期排沙洞未泄水排沙，導(dǎo)致壩前泥沙板結(jié)

2014年黃河封河槽蓄水增量釋放早且均勻，致凌峰較小。同時(shí)，為保證山西引黃工程[11]用水，萬(wàn)家寨庫(kù)水位僅降至960.00 m左右，未達(dá)到排沙運(yùn)用正常運(yùn)行最高水位957.00 m，故2014年度凌汛期萬(wàn)家寨水電站排沙洞沒(méi)有進(jìn)行泄水排沙。

由于此次凌汛期排沙洞沒(méi)有運(yùn)行，自2013年主汛排沙至下個(gè)排沙運(yùn)行周期時(shí)間將達(dá)到12個(gè)月，期間只有發(fā)電機(jī)組運(yùn)行取水，對(duì)壩前區(qū)域淤積的泥沙產(chǎn)生擾動(dòng)有限，導(dǎo)致該區(qū)域泥沙板結(jié)，流動(dòng)性變差[12]。

(3) 排沙洞運(yùn)行方式有待優(yōu)化

排沙洞原運(yùn)行方式閘門(mén)操作均按設(shè)計(jì)運(yùn)行方式進(jìn)行，即啟門(mén)操作過(guò)程為：先靜水提進(jìn)口事故門(mén)至全開(kāi)后，再動(dòng)水提出口工作門(mén)。閉門(mén)操作過(guò)程為：先動(dòng)水將出口工作門(mén)落至全關(guān)后，再靜水將進(jìn)口事故門(mén)落至全關(guān)，然后再將出口工作門(mén)提到全開(kāi)，以期排除鋼管內(nèi)部分泥水，最后將出口工作門(mén)落至全關(guān)。執(zhí)行落門(mén)程序時(shí)，出口工作門(mén)動(dòng)水關(guān)閉后，排沙鋼管內(nèi)高含沙水流會(huì)突然停滯，所挾泥沙在靜水中迅速沉淀，進(jìn)口事故門(mén)關(guān)閉后，再打開(kāi)出口工作門(mén)以期排出管內(nèi)泥沙時(shí)，由于排沙鋼管內(nèi)為靜水，不具備初始動(dòng)能，裹挾泥沙能力[13]以及對(duì)沉淀的泥沙沖刷效果十分有限，導(dǎo)致有部分泥沙沉淀或堆積在管內(nèi)，不能全部排出至尾水。

(4) 進(jìn)口閘門(mén)密封不嚴(yán)存在漏水

在低水位運(yùn)行過(guò)程中，水流含沙量很大，進(jìn)口事故閘門(mén)底坎會(huì)存留淤泥，導(dǎo)致閘門(mén)落至全關(guān)時(shí)閘門(mén)底角附近存在漏水縫隙，加上閘門(mén)水封在啟閉過(guò)程中也會(huì)發(fā)生擠壓變形和破損，存在封水不嚴(yán)的情況。夾沙水流漏進(jìn)排沙鋼管，水流在管內(nèi)積存淤泥的阻滯作用下流速緩慢，裹挾的泥沙逐漸沉淀淤積，導(dǎo)致排沙鋼管內(nèi)過(guò)水通道日漸窄小，最終整條排沙鋼管發(fā)生淤堵。

3 排沙鋼管淤堵水下疏通

通過(guò)水下檢查明確了排沙鋼管內(nèi)泥沙淤堵情況后，決定對(duì)其分段進(jìn)行水下清理。

將2號(hào)排沙洞進(jìn)口事故門(mén)門(mén)槽底坎及該區(qū)域上下游0.5 m區(qū)域清理干凈，保證事故門(mén)能落至全關(guān)?，F(xiàn)場(chǎng)配置潛水泵進(jìn)行事故門(mén)門(mén)槽內(nèi)抽水減壓。使水位下降并保持在918.00 m附近，以減小作用在鋼管中部淤泥上的靜水壓力，保證排沙洞下游作業(yè)安全。

在下游尾水作業(yè)平臺(tái)布設(shè)施工作業(yè)場(chǎng)地，開(kāi)始排沙洞出口段清理。排沙洞內(nèi)出口段的淤積物采用高壓水沖泥結(jié)合吸排泥系統(tǒng)的方式清理，使用吸排泥系統(tǒng)從沖散的淤積物坡腳開(kāi)始吸泥，在坡腳區(qū)域吸泥完成后拉動(dòng)吸泥管及管頭不斷向排沙洞上游前進(jìn)，通過(guò)硬質(zhì)的吸泥管道排出至下游尾水，直至清理至排沙洞中部斜坡段底部886.00 m高程處。

完成出口段的清理后轉(zhuǎn)場(chǎng)至壩頂，對(duì)排沙洞進(jìn)口水平段和中部斜坡段進(jìn)行清理，配置潛水泵先將頂部積水排出，待水位下降至出現(xiàn)淤積物面位置。開(kāi)始進(jìn)行斜坡段淤積物清理，配置多臺(tái)潛水泵，采用清水置換淤泥的方式清理至斜坡段894.00 m高程附近。在斜坡段底部區(qū)域894.00～886.00 m之間存在一段板結(jié)嚴(yán)重的淤積層，現(xiàn)場(chǎng)潛水泵也因?yàn)閾P(yáng)程不夠，泥漿抽出效率下降而無(wú)法繼續(xù)清理，故決定對(duì)斜坡段底部淤積層的清理采用對(duì)接鋼管加壓擊穿板結(jié)淤泥層的方式。在板結(jié)淤泥層頂部使用多根2 m長(zhǎng)的DN40鋼管對(duì)接推入到淤積物中，高壓潛水泵向鋼管內(nèi)注水加壓，配合推進(jìn)鋼管直到穿透板結(jié)淤泥層，然后反復(fù)上下拉拽攪動(dòng)，多次嘗試后擊穿894.00～886.00m之間的板結(jié)淤泥層，形成過(guò)水通道并將其逐步擴(kuò)大。

過(guò)水通道形成后，先后3次在排沙洞進(jìn)口事故門(mén)槽充灌清水至排沙運(yùn)用最高水位957.00 m，再開(kāi)啟排沙洞出口工作門(mén)模擬過(guò)流并對(duì)鋼管內(nèi)殘留淤泥進(jìn)行沖刷，結(jié)果均顯示2號(hào)排沙洞正常過(guò)水。為確保洞內(nèi)清淤效果，打開(kāi)排沙鋼管放空閥排空管內(nèi)積水后，進(jìn)入排沙洞內(nèi)檢查，發(fā)現(xiàn)鋼管內(nèi)僅管底存在薄層稀泥，排沙鋼管內(nèi)整體清淤效果良好，2號(hào)排沙洞進(jìn)口事故門(mén)以下淤堵物已全部疏通完畢。

4 結(jié) 語(yǔ)

萬(wàn)家寨水利樞紐2號(hào)排沙洞淤堵水下疏通施工歷時(shí)3個(gè)多月，從發(fā)現(xiàn)不能過(guò)流、檢查判斷淤堵情況、嘗試自然疏通、最終確定水下清理方案并實(shí)施完成，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的2 a時(shí)間，耗費(fèi)了大量的人力物力。因此，水庫(kù)泥沙問(wèn)題[14-15]應(yīng)引起我們的高度重視，結(jié)合水工建筑物運(yùn)行進(jìn)行系統(tǒng)性研究。完善水情泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、嚴(yán)格執(zhí)行汛期調(diào)度計(jì)劃方案、研究運(yùn)用渾水異重流特性排沙[16]、敞泄排沙等方式方法，提高水庫(kù)排沙效率，減少水庫(kù)泥沙淤積[17]。

合理優(yōu)化排沙洞閘門(mén)運(yùn)行方式，調(diào)整進(jìn)出口閘門(mén)關(guān)閉順序，避免出口工作門(mén)先關(guān)閉后排沙鋼管內(nèi)存水中的泥沙淤積沉淀。加強(qiáng)對(duì)閘門(mén)封水裝置的維護(hù)管理，有效阻擋滲漏水裹挾的泥沙進(jìn)入排沙鋼管。

造成排沙洞淤堵的原因是多方面的，只有充分吸取教訓(xùn)，加強(qiáng)對(duì)泥沙問(wèn)題的研究，統(tǒng)籌規(guī)劃、綜合治理、運(yùn)維兼顧才能夠?qū)⒛嗌秤俜e對(duì)泄水建筑物的不利影響[18]降到最低。

參考文獻(xiàn):

[1] 張秀菊,董同亮.萬(wàn)家寨水利樞紐排沙系統(tǒng)試運(yùn)行振動(dòng)測(cè)試分[J].西北水電,2007(03):79-81.

[2] 邢莉芳.萬(wàn)家寨樞紐排沙系統(tǒng)布置及其運(yùn)行[J].水電站機(jī)電技術(shù),2007(04):77-79.

[3] 馬喜祥,路新川,任紅俊.黃河萬(wàn)家寨水庫(kù)的泥沙設(shè)計(jì)與運(yùn)行[J].泥沙研究,2005(04):59-63.

[4] 冉大川,姚文藝,張攀,申震洲.黃河頭道拐站水沙來(lái)源空間分布及其影響因素[J].泥沙研究,2015(01):42-48.

[5] 王二平,張欣,孫東坡,郭選英.小浪底水利樞紐防泥沙淤堵試驗(yàn)研究[J]. 華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,36(06):6-9,46.

[6] 程立軍,劉濤,姚景濤.黃河萬(wàn)家寨水利樞紐淤積形態(tài)分析[J].地下水,2012,34(02):138-139.

[7] 翁建平,馬喜祥,田水娥,韓克強(qiáng). 黃河萬(wàn)家寨水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制研究[J].水利水電工程設(shè)計(jì),2012,31(01):11-14.

[8] 徐偉,李世龍,張彩云.萬(wàn)家寨水庫(kù)洪汛期調(diào)度運(yùn)用研究[J].西北水電,2005 (04):74-76,78.

[9] 王新年.排沙洞進(jìn)口泥沙沖淤三維數(shù)學(xué)模型分析計(jì)算[J].水利水電技術(shù),2006(05):21-24.

[10] 張超,伊?xí)匝?張翠萍.渭河高含沙洪水對(duì)潼關(guān)高程變化的影響[J].人民黃河,2014,36(04):6-8,11.

[11] 陸宗磐,閔家駒.萬(wàn)家寨水利樞紐的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及引黃入晉工程的主要技術(shù)問(wèn)題[J].水利水電技術(shù),2000(01):59-62.

[12] 陳一明,談廣鳴.淤積固結(jié)條件下壩前泥沙壓力對(duì)壩體影響的試驗(yàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2014,47(02):145-148,176.

[13] 王軍,談廣鳴,舒彩文.固結(jié)狀態(tài)下黏性泥沙起動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)研究[J].泥沙研究,2014(06):25-29.

[14] 謝金明,吳保生,劉孝盈.水庫(kù)泥沙淤積管理綜述[J].泥沙研究,2013(03):71-80.

[15] 郜國(guó)明,談廣鳴,李濤.多沙河流水庫(kù)泥沙研究展望[J].浙江水利科技,2014,42(05):42-46.

[16] 趙艷濤. 淺析克孜爾水庫(kù)2008年汛期異重流排沙的運(yùn)行概況[J].西北水電,2010(02):6-8.

[17] 劉娜,武金慧,杜志水.陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站泥沙淤積及防排沙措施研究[J].西北水電,2015(06):6-9.

[18] 郭軍民. 安康水庫(kù)泥沙淤積及其對(duì)水庫(kù)正常運(yùn)用的影響分析[J].西北水電,1995(03):9-12.