呂會嬌，王英偉，鄭慧洋，蘇 通

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津 300222)

LAWI水電站位于巴基斯坦開伯爾普赫圖赫瓦省地區(qū)附近的奇特拉爾河左岸支流Shishi河上，電站分為大壩樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐、營地設(shè)施和道路五個部分。其中大壩樞紐由溢流壩、沖沙壩、擋墻、消力池及下游護坦、上壩公路等部分組成。引水系統(tǒng)由進水口、引水渠道、沉沙池等建筑物組成。由于工程來沙量大，庫容較小，且?guī)烨昂拥缹掗?，極易泥沙淤積，尤其是汛期洪水挾帶大量泥沙，對工程的危害性很大。為力求引水的同時少進沙，促進水沙分離，引入“清水”而攔截底沙[1]，取水口上游設(shè)置一道攔沙坎，使電站進水口前達到“門前清”效果。模型試驗通過多種不同試驗工況的測量，對原布置方案取水防沙問題進行分析研究，對其防沙設(shè)施進行了優(yōu)化完善，提出行之有效的取水方式，解決了電站的取水防沙問題，保證電站正常引水發(fā)電。

1 水文泥沙資料

LAWI電站為徑流引水式電站，電站裝機69 MW，設(shè)計引用流量20 m3/s，對應(yīng)水流含沙量為0.2 kg/m3。電站壩址年平均來沙量15.8 萬t，有效庫容為59.3 萬m3。溢流壩段上游正常蓄水位為1 711.20 m，最大洪水位為1 715.20 m。設(shè)計最大洪水頻率為500年一遇，洪水流量為872 m3/s，設(shè)計對應(yīng)含沙量為4 kg/m3；100年一遇洪水流量為705 m3/s，對應(yīng)含沙量為2 kg/m3；10年一遇洪水流量為259 m3/s，對應(yīng)含沙量為1 kg/m3；常遇洪水流量為130 m3/s，對應(yīng)含沙量為0.5 kg/m3。

2 模型設(shè)計

試驗采用正態(tài)模型，幾何比尺αL=αH=40，模型設(shè)計應(yīng)同時滿足水流運動相似、泥沙起動和沉降相似[2]。模型主要相似比尺見表1。模型上游截取河道地形為壩前640 m，地形高程模擬到1 720 m，壩前橫向范圍模擬寬度為320 m，保證泄水建筑物進口流態(tài)不受邊界影響，下游截取河道地形為壩后360 m，地形高程模擬到1 720 m。上述模擬范圍足以消除模型邊界對庫區(qū)水流影響，保證模型的可靠性[3]。工程布置見圖1。

圖1 工程布置圖

表1 主要相似比尺匯總表

根據(jù)原型河道泥沙觀測資料，得到河道中懸移質(zhì)粒徑級配和壩址河床推移質(zhì)粒徑級配，經(jīng)對多種模型沙比選，采用石英沙作為模型沙，其容重及穩(wěn)定干容重值與原型沙基本相同。模型沙懸移質(zhì)中值粒徑d50為0.021 mm，推移質(zhì)d50為0.24 mm。

3 電站進水口取水防沙試驗研究

電站取水口位于河道右側(cè)，緊鄰大壩沖沙道，原設(shè)計方案采用“正向取水”方式，取水方向平行于河道，設(shè)置單孔取水。針對電站進水口需要解決的取水、防沙問題，避免推移質(zhì)泥沙進入水電站[4]，模型試驗進行以下試驗研究，如表2所示。

表2 電站進水口取水防沙研究

3.1 原設(shè)計方案試驗研究

原設(shè)計方案采用正向取水方式，進水口前設(shè)攔沙坎，攔沙坎體型為由進水口和沖沙閘之間隔墩始直段加弧段形式與左岸邊墻相接。當進水口單獨取水時，控制下游沉沙池水面高程為1 710.59 m，實測進水口前上游水位為1 711.16 m，低于正常蓄水位1 711.20 m，說明正向取水方案進水口的設(shè)計滿足取水要求。但是試驗觀察發(fā)現(xiàn)，當進水口左側(cè)沖沙閘進行拉沙時，攔沙坎會對進入沖沙閘的水流起到導(dǎo)流作用，對拉沙效果影響較大，攔沙坎自隔墩始直線段為15 m，后開始起弧在進水口前約27 m位置與左岸邊墻交接，起弧位置沖沙閘前橫向斷面變寬，水流速度變低，沖沙閘拉沙效果較差，攔沙坎正前方的淤沙不被拉走，并且引水過程中水流的前推作用會使此部分泥沙翻越攔沙坎進入引水渠道，從而影響電站的正常發(fā)電運行。

3.2 優(yōu)化設(shè)計方案研究

針對原設(shè)計方案存在的問題，對攔沙坎體型進行優(yōu)化，即將攔沙坎自隔墩始直線段由15 m延長為27 m，而后開始起弧與左岸邊墻交接位置較原體型往上游方向前移約12 m，并且將攔沙坎弧段開始至與左岸邊墻交接部分的坎頂高程加高4m，優(yōu)化后電站“正向取水”的引水方式變?yōu)椤皞?cè)向取水”。優(yōu)化前后攔沙坎體型對比見圖2。

圖2 優(yōu)化前后攔沙坎體型對比

在側(cè)向取水方式基礎(chǔ)上，試驗按照LAWI電站水文泥沙設(shè)計資料，進行了為期約15 d的洪水過程模擬，即模擬正常引水流量20 m3/s 10 d，河水含沙量0.2 kg/m3；模擬上游來流流量50 m3/s 2 d，河水含沙量0.3 kg/m3；模擬常遇洪水流量130 m3/s 2 d，河水含沙量0.5 kg/m3；模擬10年一遇洪水流量259 m3/s，河水含沙量1 kg/m36 h。

引水流量20 m3/s時，水流在攔沙坎直段上流速為0.70～1.75 m/s，水流在攔沙坎與進水口前的范圍內(nèi)形成三個回流區(qū)，即攔沙坎加高區(qū)域與左岸邊墻形成的水域范圍、攔沙坎直線段與左岸邊墻形成的水域范圍和進水口胸墻和兩側(cè)邊墩形成的水域范圍。水流穩(wěn)定后，進水口胸墻位置水流表流速為0.54 m/s，底流速為0.67 m/s。進水口前水深高、水流速度低，加沙后懸沙會漂浮在水流表面，水質(zhì)混濁。由于水流在攔沙坎與進水口區(qū)域內(nèi)形成回流以及進水口前水深高、水流速度低，挾沙水流在進水口及沖沙閘前易落淤。引水流量20 m3/s 10 d后沖沙閘前約6.40 m，泥沙落淤厚度最大約為0.60 m；距進水口邊墩約5.60 m，泥沙落淤厚度最大約為1.20 m；距進水口胸墻約3.60 m，泥沙落淤厚度約為1.40 m。因此建議觀察進水口前落淤情況，必要時進行人工清淤。引水流量20 m3/s 引水10 d后進水口前泥沙落淤形態(tài)見圖3(以此為例展示進水口前落淤形態(tài))。

圖3 流量20 m3/s引水10 d后進水口前泥沙落淤形態(tài)

試驗?zāi)M上游來流流量50 m3/s，河水含沙量0.3 kg/m32 d后發(fā)現(xiàn)，沖沙閘前約6.4 m位置落淤厚度約為1 m。模擬上游來流為常遇洪水流量130 m3/s，河水含沙量0.5 kg/m32 d后發(fā)現(xiàn)，隨著流量的加大以及河水含沙量的增加，泥沙在沖沙閘前落淤增多，其落淤速度較上游來流流量為20 m3/s和50 m3/s時增大，沖沙閘前約6.40 m位置泥沙落淤厚度約為1.80 m。因此，當上游來流流量大于常遇洪水流量130 m3/s時，不建議進水口引水。模擬10年一遇洪水流量259 m3/s，河水含沙量1 kg/m3，6 h后發(fā)現(xiàn)，進水口前約8 m位置，泥沙落淤厚度最大約為1.4 m，沖砂閘前約6.4 m位置泥沙落淤厚最大約2 m。原來河道中因為正常引水而自然形成的溝槽，來洪水后被淤平，沖沙閘左側(cè)導(dǎo)墻的影響，使水流產(chǎn)生繞流，從而使導(dǎo)墻左側(cè)泥沙沖刷嚴重，易對導(dǎo)墻墻角產(chǎn)生淘刷，因而應(yīng)加強沖沙閘左側(cè)導(dǎo)墻的防護。

優(yōu)化設(shè)計方案試驗觀察發(fā)現(xiàn)，側(cè)向取水的引水方式不僅能滿足電站取水要求，還改善了沖沙閘的拉沙效果，阻止了翻沙現(xiàn)象發(fā)生。

4 沉沙池內(nèi)懸移質(zhì)沉降試驗研究

利用沉沙池處理泥沙是水利工程中一項行之有效的措施，沉降率是沉沙池設(shè)計的主要控制指標，泥沙沉降率的計算直接影響著沉沙池的經(jīng)濟指標[5,6]。本工程中，沉沙池與進水口通過連接渠道相連，沉沙池總長113.03 m，主要包含進口漸變段、沙室段、末端溢流堰和集水渠、沖沙道等結(jié)構(gòu)。沉沙池平面布置形式如圖4所示。

圖4 沉沙池平面圖

4.1 沉沙池沉沙

沉沙池的工作原理是水流進入沉沙池后，流速顯著減小，使得水流挾沙能力降低，從而改變了原有水流泥沙運動的狀態(tài)，達到沉沙的目的。沉沙池內(nèi)流場分布越均勻，越有利于泥沙沉降，沉沙池的沉降效果越好[7]。電站正常引水時，沉沙池內(nèi)水面高程為1 710.59 m，水流以2.22 m/s的流速進入沉沙池的連接段，配水墩將沉沙池分為左池和右池，由于受上游彎段連接渠道的影響，水流在沉沙池內(nèi)形成較大范圍的回流區(qū)，水流進入左池工作段的流速明顯大于進入右池工作段的水流流速，水流在沉沙池內(nèi)流態(tài)平穩(wěn)，流速分布相對均勻，流速分布如圖5所示。連接段渠道內(nèi)水流經(jīng)沉沙池上游連接擴散進入工作段，隨著過流斷面沿程擴大，流速沿程遞減，粗粒泥沙逐漸沉落。首端沉沙受水流沖刷作用，形成類似魚鱗狀形態(tài)，下游泄水渠方向沉沙形態(tài)較平坦。

圖5 沉沙池內(nèi)流速分布

進水口引水約15 d后，左池沉沙體積約為247.12 m3，右池沉沙體積約為251.81 m3，左、右池沉沙相對均勻，沉沙體積相差不大。試驗測得上游來流不同流量時沉沙池的沉降率，并將引水15 d后的沉沙池體積的增長速率與引水流量20 m3/s引水10 d沉沙體積的增長速率進行了對比，見表3。

表3 沉沙池沉降速率對比分析

由表3及圖6可知，當上游來流流量為259 m3/s時(10年一遇洪水)，沉沙池粒徑大于等于0.2 mm的泥沙沉降率為94.38%，略低于95%，不滿足設(shè)計沉降率要求，因此當上游來流大于常遇洪水流量130 m3/s時不建議進水口引水。隨著時間的推移，沉沙池下游的沉沙厚度越來越高，若以沉沙高程達到沉沙池水深的1/4為淤滿情況計算，上游來流流量只為20 m3/s，河水含沙量0.2 kg/m3時，沉沙池淤滿需要時間約為1.8個月；若按引水15 d的沉沙速率推演計算，沉沙池淤滿需要時間約為1.5個月。

圖6 沉沙池沉沙厚度曲線

4.2 沉沙池沖沙

原設(shè)計方案沉沙池沖沙管道直徑為1 m，左右池各分別設(shè)置一個沖沙管道，沖沙過程中發(fā)現(xiàn)沖沙孔前水流流速偏小，沉積泥沙不易被帶走，究其原因是沖沙管道半徑偏小，沖沙能力較弱。對沖沙管道體型進行了兩種方案的優(yōu)化(均考慮為水流自然沖沙)。優(yōu)化方案一：分別在左右池各增加一個管徑相等的沖沙管道；優(yōu)化方案二：將左、右池沖沙管道直徑增大為1.4 m。針對兩種優(yōu)化方案分別進行沉沙池沖沙試驗。

4.2.1 優(yōu)化方案一沖沙試驗

試驗首先利用沉沙池內(nèi)已存水量進行“泄空沖沙”，待沉沙池內(nèi)水量泄空時，上游進水口閘門局部開啟給定1～2 m3/s的流量進行“平水沖沙”，此時沉沙池底部溝槽內(nèi)沉沙隨水流向前滾動沿著沖沙管道流出，沖沙孔前流速約為3 m/s，孔前水深約為1 m。由于沉沙池橫斷面為梯形槽形式，底部溝槽兩側(cè)均存在1∶2.5的坡度，所以當沉沙池底部溝槽內(nèi)沉沙沖完，高程在1 m水深以上的沉沙將不受水流沖刷作用，此時應(yīng)逐漸加大沖沙流量至4～5 m3/s進行“壅水沖沙”，流量加大，沉沙池內(nèi)水深增高，水流沖刷作用將溝槽兩側(cè)高程在1 m水深以上的沉沙帶入溝槽，隨水流運動向前移動，而后繼續(xù)調(diào)小流量進行“平水沖沙”，如此循環(huán)往復(fù)、交替運行，完成沉沙池沖沙。

4.2.2 優(yōu)化方案二沖沙試驗

試驗同樣首先進行“泄空沖沙”，待沖沙孔前水深降至1.4 m時，沉沙會隨著水流沿沖沙管道沖出。沉沙池內(nèi)原有水量泄空時，上游進水口閘門局部開啟給定4～5 m3/s的流量進行“平水沖沙”，此時沉沙池底部溝槽內(nèi)沉沙隨著水流向前滾動沿著沖沙管道流出，沖沙孔前流速約為3 m/s，孔前水深約為1.4 m。當沉沙池底部溝槽內(nèi)沉沙沖完，高程在1.4 m水深以上的沉沙將不受水流沖刷作用，此時可人工輔助用高壓水槍沖刷溝槽兩側(cè)高程在1.4 m水深以上的沉沙，使其隨斜坡滑落進入溝槽，隨水流運動向前移動。

對比分析沖沙管道兩種體型優(yōu)化方案的沖沙結(jié)果可知，兩種優(yōu)化方案達到的沖沙效果基本相同，都能滿足設(shè)計沖沙需求，但相較于優(yōu)化方案一，優(yōu)化方案二只需進行“泄空沖沙-平水沖沙”即可，操作簡便，并且沖沙管道管徑較大，沖沙孔前水深約為1.4 m時即可開始沖沙，孔前沖沙范圍相對較大，并且每池1根沖沙管道，造價相對較低，施工工藝相對簡單，因此沖沙管道體型建議采用優(yōu)化方案二。

5 結(jié) 語

本文采用物理模型試驗對徑流引水式電 站的取水、防沙問題進行了研究，通過優(yōu)化攔沙坎體型，使原來“正向引水”調(diào)整為“側(cè)向引水”，解決了進水口前的翻水翻沙問題。對沉沙池的沉沙規(guī)律進行研究，同時優(yōu)化沉沙池沖沙管道體型，保證了沉沙池內(nèi)沉沙的順利排出，滿足了工程中水輪機對懸移質(zhì)泥沙的要求，保障了電站的正常發(fā)電運行。

(1)電站進水口應(yīng)采用“側(cè)向取水”方式，不僅能有效阻止坎前推移質(zhì)在水流作用下翻越攔沙坎，還能改善沖沙閘拉沙效果。

(2)上游來流大于常遇洪水流量130 m3/s時，沉沙池粒徑大于等于0.2 mm的泥沙沉降率為94.38%，略低于95%，不滿足設(shè)計沉降率要求，不建議進水口引水。

(3)沉沙池沖沙應(yīng)遵循“泄空沖沙-平水沖沙-壅水沖沙-平水沖沙”順序，沖沙管道體型優(yōu)化后，沉沙池沖沙只需“泄空沖沙-平水沖沙”即可，操作簡便，沉沙池沖沙孔前沖沙范圍相對較大。