印度纳斯帕切克瑞水电站的泥沙控制措施

［印度］ H.K.沙玛

印度纳斯帕切克瑞水电站的泥沙控制措施

［印度］ H.K.沙玛

萨特莱杰河的泥沙含量高，尤其是纳斯帕切克瑞水电站所处河段的泥沙颗粒坚硬，为了保护水电站位于水下的机器部件，采取了一些有效的措施。对该工程的概况、萨特莱杰河的泥沙特征、水电站的安全运行参数、采取的泥沙控制措施以及长期控制规划方案等作了介绍。

水电站;泥沙;控制措施;纳斯帕切克瑞水电站;印度

在喜马拉雅地区，泥沙的磨蚀作用常常导致电站关闭，给发电带来了损失。泥沙磨蚀既可能损坏从进水口至尾水渠的主要系统，也可能损坏次要系统，如冷却器、密封以及排水设备。解决泥沙侵蚀损害问题，除了需要制定河流排沙方案，还需要确定机械部件材料的冶炼方案。

纳斯帕切克瑞水电站采取了各种措施，力争将泥沙侵蚀损害降到最低程度，其中包括利用水库调度进行冲沙，该水库水位为 1 495.50 m 时，有效库容为 3.03亿m3，死库容为4 000万m3。利用低水闸冲沙，藉此保护有效库容。同时，4个地下沉沙室(长 525.00 m、高 27.50 m、宽 16.31 m)在洪水季节连续冲沙，旱季间隙冲沙。沉沙室的截沙率在90%以上(粒径大于 0.2 mm 的粗沙)，总截沙率为40%。沉沙室可以拦截粒径达 0.2 mm 的泥沙。为了提高水库的泥沙拦截效率，降低水库的冲沙频率，还对长 1 085 m的旁路导流隧洞的效率进行了模型研究。

水电站运行时，在拦污栅底部增加了挡板，可以防止河床以及集水区附近的高含量泥沙大量进入。

1 工程概述

纳斯帕切克瑞水电站位于萨特莱杰河上，萨特莱杰河发源于西藏高原海拔为4 570 m的玛旁雍错湖地区。这里的河流含沙量很高，特别是在融雪高峰期以及洪水期，情况更为糟糕，对水电站的运行是一个巨大挑战。对建在喜马拉雅地区河流上的径流式水电站而言，这一问题显得更加尖锐。纳斯帕切克瑞径流式水电站装机容量1 500 MW，是印度目前正在运行的最大水电站。

萨特莱杰河纳斯帕切克瑞水电站河段的泥沙颗粒坚硬，其中大部分为磨蚀性很强的石英颗粒。因此，在水电站运行的最初几年，水轮机的水下部件受到了严重损坏。为此，水电站运营方采用几种创新手段限制泥沙进入水轮机，同时采用HVOF型碳化钨耐磨涂层，对水轮机进行了整修。

除大坝和开关站外，水电站所有主要组成部分都位于地下。电站的引水建筑物为混凝土重力坝，坝高62.5 m，设有5孔低位泄水闸，可通过设计流量5 660 m3/s，并有方便年际冲沙的设施。纳斯帕水库在正常蓄水位下(即 1 495.5 m)，有效库容仅为3.03亿m3。4个蛋形地下沉沙室用于排除粒径为0.2 mm 以上的泥沙。长 27.4 km，直径为 10.50 m的引水隧洞，将水输送到调压井，其设计流量为405 m3/s。调压井高301 m，是世界上最深的调压井之一。该调压井为有束窄孔的调压室，直径为21.6/10.2 m。3 口钢衬压力竖井直径为 4.9 m，长度从571 m到622 m不等。压力竖井上连调压井，下接6台混流式水轮机。水轮机额定水头428 m，设计流量383.88 m3/s，安装在地下洞室中。洞室长222.00 m，宽 20.00 m，高49.00 m。

机组变压器、气体绝缘开关站(SF6)以及尾水管闸门安装在第2个洞室(196.0 m×17.5 m×27.4 m)中。尾水池将尾水泄回到萨特莱杰河，同时设有进水建筑物，用于下游兰布尔(Rampur)水电站的取水，该水电站与切克瑞水电站串联。纳斯帕水电站的沉沙设施对兰布尔工程会产生一定的影响。

2 河流泥沙特征

2.1 流域面积

萨特莱杰河纳斯帕水电站以上流域面积49 820 km2，其中，仅12 920 km2位于印度境内。流域大部分面积(74%)位于中国西藏，为高海拔沙漠。由于地质脆弱、山坡陡峭，所以该地区融雪季节土壤侵蚀率很高。同时，由于河岸陡峭，雪崩和山体滑坡常常导致河流堵塞。而滑坡体落入河流，就会导致山洪爆发，河流中的泥沙含量也会因土壤侵蚀增加而急剧增加。斯比提(Spiti)河流域特征与萨特莱杰河类似。

流域最大融雪以及最大降水发生在6、7、8三个月，这个时段内，萨特莱杰河输送的泥沙量占全年的大多数。10月到次年的5月，河流含沙量很低。这9个月的平均含沙量介于300 mg/L至600 mg/L之间。

6～8月，河流平均悬移质含沙量介于2 500～6 000 mg/L之间。尽管洪水季节纳斯帕的悬移质含沙量的正常范围为1 000～15 000 mg/L，但是，如果主河道发生堵塞，河流的悬移质含沙量则可能高达30 000～150 000 mg/L。2007年8月12日，在纳斯帕测得的2004年之后的最大含沙量为85 533 mg/L。2005年6月26日，帕热俄初(Pareechu)决口之后，在切克瑞测得的最大含沙量为115 000 mg/L。

根据1971～1996年的观测资料，悬移质含沙量超过5 000 mg/L的平均天数为4 d，但是1982年观测的悬移质含沙量超过5 000 mg/L的天数为25 d。

2004～2009年，观测的含沙量超过4 000 mg/L以及5 000 mg/L的天数分别为23 d和19 d。

2.2 悬移质泥沙级配

萨特莱杰河悬移质泥沙不同成分的平均百分比如下:

(1) 粗沙(＞0.2 mm)占16%;

(2) 中沙(0.075 mm)占22%;

(3)细沙(＜0.075 mm)占62%。

2005年，帕热俄初决口之后，粗沙和中沙的百分比开始增加，之后逐渐恢复正常。

2.3 岩相分析

萨特莱杰河挟带的泥沙中，石英颗粒所占比例很高，石英沙粒的摩氏硬度为7。水电站运行期间，纳斯帕水库取水口的观测数据表明，泥沙中的石英含量为66%。更早的观测数据显示，石英含量平均占 43.6%。

2.4 运行期悬移质含沙量

2004～2010年，观测了水电站运行期间萨特莱杰河纳斯帕处的悬移质泥沙的平均含量:洪水季节(6～8月)的平均悬移质泥沙含量为3 473 mg/L，枯水季节(9月～次年5月)则降低到479 mg/L。

同期，经过水轮机水流的平均泥沙含量为1 130 mg/L(6～8月)和176 mg/L(9月～次年5月)。

3 电站安全运行参数

印度国家电力局的一个团队在2005年曾建议:电站运行时，尾水管中的泥沙含量最大不得超过2 000 mg/L。据此，确定切克瑞电站运行时的泥沙控制限值为:

(1)切克瑞电站取水口处水中的泥沙含量的上限为3 500 mg/L。河流中的相应泥沙含量的上限为4 000 mg/L。

(2)电站取水口处粒径在 0.2 mm以上的粗沙颗粒含量的上限为600 mg/L。

(3)尾水管中的水中泥沙含量的上限为 2 000 mg/L。

通过喷涂HVOF碳化钨抗磨损涂层，泥沙的总量限值为70～80 t。

4 泥沙控制措施

4.1 沉沙设施的布置

经过精心设计，将沉沙设施布置在萨特莱杰河的左岸，包括4个地下沉沙室，每个沉沙室有一个独立的取水口，输水隧道呈马蹄形，直径6 m，渐变段长50 m。沉沙室的中心位置有一个5 m的沙仓，宽度为16.31 m。沉沙室外观呈蛋形，圆顶弧墙，设计目的是沉淀和冲排粒径大于 0.2 mm的泥沙。沙仓顶部两侧设置了检查平台。沙仓的底部设置了一个连续的沉淀槽、以及1～3个冲沙管道。冲沙管道下降坡比为1∶400。沉沙室平面图见图1。

图1 沉沙室平面布置

每个沉沙室底部各有3条冲沙管道，分别用来在沉沙室的1/3的长度处冲排粗沙、中沙和细沙颗粒，冲沙流速介于3～3.75 m/s之间。

通过这些冲沙管道，对沉积在沙仓底部的泥沙进行定期冲排。冲沙流量由安装在每1条冲沙管道上的盖板式冲沙闸门控制，闸门远离沉沙室的下游端，具有独立的闸室。冲沙管道上设置了很多大小不一的开孔，用来吸拉沉淀槽中的泥沙。冲沙管道的尺寸介于 0.7 m ×1.8 m(起始端) ～1.0 m ×1.8 m(管尾)之间。每1条冲沙管道上的第1个开孔尺寸为宽 0.6 m、长1.2 m，其他开孔直径介于0.24～0.36 m 之间，中心间距 6～7 m。沉沙室的过水面积(沉沙室的宽度和深度)应确保水流流经沉沙室时，速度在 0.30 m/s左右，以排除粒径大于0.20 mm 的泥沙。

沉沙室的长度，根据泥沙颗粒从水流顶层降落到沉沙室底所需时间内经过的水平距离计算获得。关闭取水口和出水口闸门，可将沉沙室隔离。沉沙室设置了进出通道，供维护人员以及轻型设备进出使用。沙仓顶部的检查通道用作清除泥沙的主要工作平台。每一沉沙室内安装3部龙门起重机，分别位于不同的高度，以方便施工作业，且这些起重机就留在沉沙室内，用于今后的检查和维护。

4.2 高含沙量情况下的发电机组性能

机组在高含沙量条件下运行时，出现了一些问题，如导叶、夹板(cheek plates)、转轮进口、转轮出口受到严重磨蚀，出口处的转轮轮叶出现了裂纹或者破裂，迷宫密封损坏，主进水口的阀门(MIV)止水被破坏等。经采用流体力学(CFD)进行详细的计算分析和采用有限元法(FEM)分析后，采取了补救措施，包括修改转轮，使用奥氏体焊条修补转轮和导叶，利用HP HVOF工艺，采用钴铬基碳化钨维修3台机组的导叶和导叶密封环，在下迷宫的密封上喷涂硬质涂层等。

在过沙量达到30～40万t时，未加涂层的机械零件出现了磨损，而对于(利用HVOF工艺)喷涂了300 μm厚碳化钨涂层的零件，在过沙量达到70～80万t时，才需要修复。2006～2007年，由于在季风季节到来之前采取了上述补救措施，才使电站能够在季风季节仍保持高水位发电。而且颊板螺栓没有损坏，导叶套筒和轴瓦仅有些许微小的损坏，但没有出现因上迷宫的密封严重泄漏而导致停机的情况。在尾水管处观测到的含沙量达到2 000 mg/L时，电站依然能正常运行。目前，颊板以及导叶密封环上的硬质涂层厚度增加到了500 μm。

4.3 HVOF碳化钨涂层

2006年洪水季节到来之前，对所有的转轮和其他一些部件都喷涂了300 μm的HVOF碳化钨涂层。因此，在这个洪水季节，当通过机组的泥沙量为70～80万t时，机组运行仍然正常。2007年，某些部件的HVOF碳化钨涂层厚度增加到了500 μm。预计，在一定过沙量条件下，机组水下零件的寿命会随着涂层厚度的增加而大大延长。经过2009年和2010年维修后的6台水轮机的过沙量见表1。

表1 2009～2010年维修后的水轮机过沙量 t

4.4 取水建筑物挡板

水库上层水体的悬移质含沙量低于下层水体，因此，在取水口底部设置了水平挡板，这样可以防止河床附近的高含沙量水体进入取水口。在普纳市CW和PRS分别进行的模型研究证实，挡板有助于防止泥沙，特别是粗颗粒泥沙进入电站取水口。因此，2007年2月，将闸门3和闸门4拦污栅板的最下部分封死。

当年，水库冲沙时，关闭或者打开取水闸门(包括闸门3和闸门4)时，均没有遇到任何问题。

同年，有人建议将闸门1和闸门2拦污栅板的最下部分层也封死，并根据泥沙管理专家委员会的建议配备泥浆泵。

4.5 水库运行和水位调节

为了采取通过闸门控制的方式来调节和维持水库的水位，使进入取水口的泥沙数量最低，同时也使水库冲沙作业(包括电站关闭)的次数最少，建议作如下安排。

(1)入库流量开始超过设计流量时，打开取水口附近的闸门，排泄多余的水量，保持取水口区域无泥沙沉积。

(2)如果入库流量很大，则应同时开启5孔闸门，以便能够均匀地排泄多余水量。

(3)洪水季节，使库水位维持在正常水位附近，即1 495.5 m，以发挥水库的最大效益。

该运行方案已经过物理模型试验以及原型试验的验证。在此情况下，定期进行了回声测深，以监测取水口闸门前的水库泥沙淤积深度。

4.6 水库冲沙

原计划是，当入库流量很大以及含沙量太高导致电站关闭时，每年对纳斯帕大坝坝后的水库进行一次或者多次冲沙。冲沙时，坝内所有的低位闸门(洪水季节也用作溢洪道)完全开启，水库自由出流，允许库内水位下降。每年进行的冲沙作业可以减少进入取水口的泥沙，能够确保较好的沉沙效益，减轻维护工作量。

根据模型研究，在冲沙流量为1 500 m3/s的情况下，1 d可以冲排250万m3泥沙。2006年洪峰季节，根据库内沉积的泥沙数量，每周或者每两周进行一次冲沙，使得水库的泥沙沉积情况有所好转，并减少了进入电站取水口的泥沙数量。

2007年，巴哈巴(Bhaba)尾水引水工程竣工，库水位上升到1 494 m。在较高的水位下，水库长度增加了2 km以上，与前几年最高运行水位维持在1 484 m时相比，水库的沉沙效率大幅度增加。2007年水库冲沙的次数减少，粗颗粒泥沙均沉积在水库的起始段，电站取水口前沉积的泥沙量减少。

2007、2008年和2009年共冲沙3次，2006年冲沙10次。每次冲排的泥沙量介于55万t～60万t之间。

另外，当河流含沙量超过4 000 mg/L时(2007年出现过3次)，应停止发电，使水库保持自由出流状态进行冲沙并降低水位。

冲沙频率取决于以下条件:

(1)拦污栅上游沉积的泥沙深度大于±5 m;(2)河流流量大于700 m3/s;

(3)水库沉沙效率明显下降。

5 长效措施

5.1 兴建纳斯帕大坝新导流隧道

(1)SJVN公司正在研究在纳斯帕大坝轴线方向、位于大坝上游 750 m处兴建新导流隧洞的可能性，以向大坝下游排放高含沙量的水流。目标是，经该隧洞向大坝下游排放最大流量达1 000 m3/s的水流，这样可以为取水口区域创造一个相对平静的环境，提高水库的截沙效率，减少进入电站取水口的泥沙量。

(2)当高含沙量的来水超过电站取水口的设计流量时，超出的部分水流经该导流隧洞绕过取水口区域，这样水库地势较低部位的泥沙沉积率将因此大幅度降低，从而减少冲沙的次数。在普纳(Pune)市CW和PRS分别进行了水力模型研究，定性分析了进入取水口泥沙量的削减量，对该设施的效益进行了评估。模型研究的结果令人乐观，目前，正在进行双隧洞替代方案的水力模型研究。

5.2 流域治理

流域治理的长效措施包括纳斯帕大坝上游的植被覆盖以及水土保持措施，这些措施将降低河流的含沙量。流域内的堤岸冲刷是SJVNL公司最关心的问题，目前，关于边坡稳定以及防止脆弱地段的堤岸冲刷，已经提出了最终的相应处理建议。

流域治理规划由SJVNL公司、HD林业部门以及印度边境道路建设局共同起草。

6 结语

根据纳斯帕切克瑞水电站在最近6 a的运行状况，针对如何减少萨特莱杰河大量泥沙所造成的破坏方面开展了大量研究工作，SJVNL公司已经积累了相当丰富的经验。采取的发电优化措施可总结归纳如下:

(1)控制泥沙进入取水口，并定期实施冲沙;

(2)优化水库运行;

(3)在水轮机部件上喷涂硬质保护涂层;

(4)修建新的旁通隧洞，并实施流域治理规划。

朱庆云 译自英刊《水电与大坝》2010年第6期

山松校

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1006-0081(2011)12-0031-04

2011-06-06