陕西水能开发项目中的泥沙问题

程子勇

（陕西省水利厅，陕西 西安 710004）

一、泥沙研究是多沙河流区必须重视的问题

陕西地处内陆地区，自然地形地貌条件和降雨特性使陕西处于土壤侵蚀高值区，特别是黄河流域水土流失严重，土壤年侵蚀模数一般为2000～20000t/km2,最高值达30000t/km2，致使黄河及其支流含沙量和输沙量成为世界主要大河之冠。

陕西省流域面积100km2以上的河流有560条，其中黄河流域有348条，长江流域有212条，按照年均含沙量超过10kg/m3即为多沙河流来划定，陕西省黄河流域的窟野河、无定河、延河、渭河、泾河、北洛河、南洛河等主要河流皆为多沙河流。而长江流域的嘉陵江流域略阳水文站多年平均含沙量为6.86kg/m3，也接近多沙河流。榆林地区的“四川四河”、清涧河、延河、渭河、泾河、北洛河都存在超过200kg/m3的高含沙洪水问题，实测最高含沙量都在1100～1500kg/m3之间。

高含沙洪水挟带的大量泥沙，给水利工程带来许多危害：

1.河道严重淤积及不断延伸，河道比降变缓，行洪和输沙能力相应降低，加剧了工程的防洪压力。

2.高含沙洪水含有大量泥沙，加大了洪峰流量。同时因洪水容重大，冲刷力强，破坏力大，增加了工程的安全隐患。

3.河道泥沙形成坝前淤积，威胁进水口安全。高含沙洪水一旦引入输水工程和前池，会造成大量的淤积，而清淤需花费大量的时间和人力、物力。

4.多沙河流修建的水库，如若设计运行不当，会造成严重淤积，致使水库丧失调节能力，甚至造成工程报废。正常蓄水的淤积翘尾问题解决不好，提高了上游电站尾水位，可能带来意想不到的麻烦和纠纷。

5.高含沙水会造成水轮机的叶轮、蜗壳、导叶和过水流道的严重磨损，降低机组出力，甚至报废。

这些危害提醒我们必须高度重视河流泥沙问题。

二、加强对多沙河流特性的研究和总结

要避免和减少河流泥沙对水利工程的危害，首先必须摸清工程所在河流的泥沙特性，主动采取措施减少影响。虽然多沙河流的泥沙问题很复杂，但是仍有一些特点是可以在工程设计和运行中利用的，特别是掌握高含沙洪水的特性，对工程设计和运行十分重要。简要总结河流泥沙主要有以下几个特性：

1．泥沙与径流同步。陕西省河道径流是以降雨为主要来源的，年际分配中径流量较大的年份降雨洪水较大，造成的土壤侵蚀较强，所以这些年份的输沙量也较大，输沙量最大年沙量与最小年沙量的比值远比径流量的年际丰枯比值大。以渭河华县断面为例，丰枯年输沙量的比值为21.4，而丰枯年径流量的倍数只有5.6。洛河交口站1958-2005年的多年平均输沙量为7648万t，年最大输沙量为22600万t，是最小输沙量1405万t的16倍，而丰枯年径流量的倍数只有3.95。所以多沙河流上的水电站在丰水年发电量大的时候，更要注意河道泥沙的危害。

2．洪峰陡涨陡落，沙峰陡涨缓落，沙峰峰值一般滞后于洪峰。北方河流的一般特点是洪水峰高量小，洪峰陡涨陡落，在暴雨洪水初期，由于暴雨和超渗产流的冲蚀，沙峰略迟于洪峰很快出现。暴雨后期，各种侵蚀，特别是重力侵蚀仍然会持续一段时间，因而沙峰并不会随洪峰很快消退，不能因为洪峰已过就迅速蓄水或引水发电。以渭河宝鸡峡渠首为例，1977年5月底的一场洪水，洪峰过程只有约12小时，但是超过100kg/m3含沙量的沙峰出现在洪峰之后，并持续了40多小时。

3．输沙量年内集中于几场洪水中。多沙河流的汛期径流量占全年的50%～70%,而汛期输沙量要占全年的70%～90%，个别河流的汛期输沙量占全年输沙量的95%以上。据统计，北洛河的最大3天输沙量占全年的53%，最大5天输沙量占全年的64%，最大10天的输沙量占全年的80%。陕北的多沙河流情况更突出，如佳芦河的最大3天输沙量占全年的84%，5天输沙量占92.5%，10天输沙量占97.5%。因而控制好几场高含沙洪水期的运行，就可以减缓泥沙对工程的不利影响。

4．高含沙洪水历时一般较短。一般高含沙洪水的历时短者数小时，长者2～3天。例如2003年8～10月的渭河洪水，6场洪水首尾相连，历时长达60天，但是高含沙的洪水过程并不长。1＃洪峰主要来自泾河上游多沙区，含沙量大。泾河张家山站最大含沙量734kg/m3，华县站最大含沙量606kg/m3；第2～5＃洪峰主要来自渭河中下游，含沙量较小，华县站最大含沙量仅为159kg/m3，总体含沙量超过100kg/m3的天数并不多。所以水电站抢1～2天的满发得到的效益与引入高含沙水发电造成的危害相比，孰轻孰重显而易见。

三、水电站设计中有关的泥沙问题

大量的电站工程实践证明，解决泥沙问题有两个重点：一是充分考虑库区泥沙淤积，通过合理的工程布置和运行方式，延长工程的使用寿命。二是严格控制高含沙洪水进入引水系统和机组。防沙措施主要有导（导离进水口）、拦（拦在进水口以外）、排（排往下游）、沉（设置沉沙池）、冲（将已淤积的泥沙冲出）几种方式。

水利工程中的泥沙分析和处理存在许多不确定因素，在实际工程设计中，除了进行必要的河流泥沙特性分析和淤积计算外，更应参考已成工程的实际淤积形态和实例，合理确定相应的工程布局和结构形式。总结近年来设计审查和工程验收遇到的问题，主要应注意以下几个方面的研究。

1.引水枢纽的总体布置。在一些水库库容论证中按照全拦全蓄考虑了泥沙淤积问题，但是仍然应该设置冲沙建筑物，确保引水口门前清。对无调节的低坝枢纽，设置冲沙建筑物是非常必要的。冲沙建筑物应与引水建筑物一并结合坝址地形地质条件就近布置。充分考虑河流的河势变化和水流流态，尽量防止泥沙进入进水口。

2.挡水建筑物的形式。受河道两岸铁路和公路的限制，现在的低坝引水电站一方面为抬高正常蓄水位、另一方面为降低枢纽投资，在一些少沙河流的挡水建筑物中采取自动翻板闸。实践证明，在蓄水运用期间，因闸底泥沙淤积造成闸门难以在过洪时自动翻门，同时翻板闸底坎抬高了河道侵蚀基准面，将带来新的矛盾。因此，宜在翻板闸门的一侧设置相应的冲沙泄洪闸门，降低侵蚀基准面。同时翻板闸门应考虑设置液压推杆，确保过洪时闸门能够翻起。当然，在多沙河流建堤坝引水最好采用闸坝式挡水建筑物。

3．冲沙建筑物的规模和高程论证。对于有调节库容的水电站一般冲沙建筑物都会结合导流和泄洪建筑物布置，泄流量一般较大，从保持终极库容出发，泄流量以大为宜。更为重要的是冲沙建筑物的底板高程要从淤积高程、导流需求和保持引水进口“门前清”等几方面的综合因素进行论证。对低坝引水工程的冲沙闸主要是设置位置、泄流量和底板高程的综合论证。同时进水口宜采用坝式进水口，以减轻冲沙建筑物的布置难度，增强排沙能力，控制泥沙进洞。

4．低坝枢纽的淤积计算侵蚀基准面分析。关于低坝枢纽淤积计算，在冲沙闸达到一定的冲沙泄流规模和泄流宽度的情况下，以冲沙闸底板高程作为侵蚀基准面是可行的，但是这一要求在低坝枢纽中一般难以达到，所以一般应以溢流坝顶或泄洪闸底板高程作为淤积侵蚀基准面。

5．库区淤积分析。在梯级电站的设计中，淤积分析计算时，除了合理确定侵蚀基准面之外，更要关注库尾淤积问题，要充分考虑淤积翘尾问题，留有足够的衔接余地，以免上下游电站的纠纷。

6．引水系统设计。主要注意三个问题，一是引水工程的比降要考虑一定流量时的水流流速要大于不淤流速，在设定断面或比降的情况下就要考虑设定一定的引水沙限。二是进水口设置拦沙坎或导沙墙，减少泥沙进入。三是在引水工程的合适位置设置沉沙坑，减轻泥沙进入机组的压力。同时在前池等位置应设置冲沙设施。

7．水库的运行方式。对于有一定调节能力的水库而言，要研究水库合理的运行方式，利用泄洪排沙设施适时进行排沙，保持有效库容。对于低坝引水工程，最主要的措施是及时总结河流泥沙特性，控制发电运行，在高含沙洪水期间停机避沙，杜绝高含沙洪水对机组的高危害。

8．厂址选择与尾水渠设计。引水径流式电站的厂址宜选择在河道相对较宽的河段，以减轻防洪压力和对沿岸设施的影响。坝后式电站要注意枢纽泄洪消能对电站尾水渠的不利影响，最好将厂房置于影响区之外，或者修建一段导墙，防止洪水泥沙淤堵尾水渠。

9．机组选型和耐磨措施。泥沙一点不进入引水系统和机组是不可能的，泥沙对水轮机和流道的磨损必然存在。解决的方法只有采取相应的防冲耐磨措施和选好相适应的水轮机组，尽量延长设备的使用寿命。近年来，随着水轮机制造业的发展，水轮机选型一般倾向于高比转速。但是比转速的提高也必将导致水轮机流道中水流速度的相应加大，在泥沙条件基本相同的情况下，水轮机设计参数越高，水流速度越快，水轮机磨蚀破坏越严重，所以在设计中应充分考虑多泥沙特点，适当降低水轮机基本参数，限制水轮机过流部件流速，以有效减少高速含沙水流对水轮机过流部件的磨蚀，采用防冲耐磨技术和材料，提高机组的抗磨蚀强度和抗气蚀性能。

【1】《高含沙引水及淤灌技术》,陕西省水利厅.

【2】焦居仁.《对渭河“03・9”洪水与泥沙的几点浅识》.