亚洲最长尾水渠电站设计与运营中的突出问题分析

顾 轩， 李 伟

(四川圣达水电开发有限公司，四川乐山 614900)

1 概述

大渡河干流在铜街子水电站以上河水行进在高山峡谷之间，水力开发适合采用传统的高坝大库方式。铜街子水电站以下河宽逐渐增大，铜街子镇至乐山市河段长约45km，河谷开阔，动能经济指标十分优越，但始终受制于平缓河段蓄水难、土地淹没大、移民数量多等问题，致使该河段开发难度较大。为避免上述问题，大渡河沙湾河段开发方案突破性地采用了“向下挖水头”的设计，开挖了现亚洲最长的尾水渠用以集中平缓河道的水头，从而既充分利用了平缓河段的水能资源，又避免了高坝蓄水造成的淹没问题，使得原本不具备开发条件的大渡河下游河段有了可行的开发方案。

河床式厂房加长尾水渠的混合式开发虽然能够充分利用大江大河的下游河段，但在亚洲及国内尚缺少采用该模式开发的电站运营与管理经验，超长尾水渠在运营中的行洪、淤积及日常养护中存在着各种问题均值得我们进行探讨。

2 沙湾水电站长尾水渠设计的可行性与其具有的特点

2．1 沙湾水电站长尾水渠设计的可行性

大渡河沙湾河段沿河城镇较多，人口密集。在充分利用水能资源的前提下，若采用传统的高坝大库方式进行开发，由于其淹没工矿、场镇和省道103公路及大片耕地、民房而使得工程投资、移民难度巨大而不可行;若采用坝式+引水式方式开发，该河段流量虽大但比降小，经济效益不高。若采用纯河床式开发，需建设两级电站才能完成该河段水能资源的开发利用，其投入产出比效果也极佳。

经过反复进行论证比较，最终决定在该河段采用河床式厂房加长尾水渠的混合式开发，该方式一级即可完成该河段水能资源的开发利用。在河床式厂房后开挖长9．15km的尾水渠，在利用长尾水渠集中的14．5m水头落差的基础上，只需要再筑坝壅水15．5m高，既可使得电站总利用落差达到30m。采用长尾水渠获得装机容量220 MW，与单纯的依靠筑坝蓄水获取水头的方式及两级式的开发方式相比极大地减少了淹没面积及投资与移民成本。

2．2 尾水流态分析

根据沙湾水电站的运行方式，在尾水渠中有三种流态。第一种为:当上游来水量小于满发流量2203m3/s时，所有来水均用来发电，泄洪冲沙闸关闭，原河道无弃水;第二种为:当上游来水流量为2203～5000m3/s时，机组满发引走2203 m3/s的流量，其中大于2203m3/s、小于5000 m3/s的部分流量由泄洪闸下泄至原河道，两股水流在尾水渠出口处汇合;第三种为:当上游来水流量大于5000m3/s时，由于水流中含沙量大，上下游水头差小，机组停机避峰，所有流量均由泄洪冲沙闸下泄至原河道，仅有部分水流从尾水渠左堤桩号为i+000至I+700处预留的溢流侧堰翻入尾水渠，使尾水渠中的水流在停机状态时仍处于流动中，从而有利于减少渠道左边墙两侧的水位差和渠内泥沙淤积，两股水流在尾水渠出口处汇合。

2．3 尾水渠对河段行洪能力的影响

尾水渠局部穿过主河床。由于工程的建设造成本河段河道水流流态和河床关系的改变，从而造成河床再造的过程。经计算，在流量Q=5500 m3/s(相当于两年一遇)下，工程建成后，尾水渠河段的平均河宽为338m，河床是稳定的。根据实际运营经验看河床未曾发生较大的河床演变。

沙湾水电站尾水渠修建后，长尾水渠占用天然河道，导致天然河道过流能力下降、过流时水位上升，设计洪水水位最大上升0．47m，已对本河段行洪产生了比较明显的影响，必须采取适当的措施减少对行洪能力的影响。其主要原因是部分尾水渠道占用了河道主槽，如CS4～CS8附近的尾水渠，对于这部分河道，须开挖疏浚河道，恢复河道的行洪宽度和行洪断面。

2．4 长尾水渠对河段泄洪效能的影响

由于有尾水渠的存在和影响，从而使沙湾水电站的泄洪和消能与纯河床式电站有着本质上的不同。因为尾水渠是在河床上开挖出来的，其底高程大大低于原河床，而且全断面都进行了衬砌，糙率远远小于原天然河道，从而增大了电站的行洪能力。

此外，若电站未从天然河道弃水时，闸下属于干枯状态。在闸门刚开启时，与其它纯河床式电站相比闸下总是少了一个机组的发电流量，而采用长尾水渠设计的电站闸下水位增长缓慢，致使消能问题异常严峻。为解决天然河床干枯带来的消能问题，沙湾水电站闸下消能方式必须采用三级消能池消力，从而造成了投资增加。

3 长尾水渠泥沙淤积问题分析

3．1 入库泥沙特性分析

天然情况下，沙湾水电站入库悬移质泥沙年输沙量为3910万t，推移质泥沙年输沙量为78．5万t。暂不考虑双江口水电站的拦沙作用，其上游瀑布沟水电站水库具有季调节能力，泥沙出库率为13．1%，出库含沙量为0．115kg/m3，水库运用100a时，泥沙出库率为13．7%，出库含 沙量 为0．121kg/m3。

瀑布沟水电站建成后较长时间内下泄的泥沙主要为颗粒较细的冲泄质，水流处于次饱和状态，没有推移质泥沙出库，沙湾与瀑布沟水电站区间内的推移质沙量大约为 60．4万 t(合30．2万m3)，经过龚嘴和铜街子水电站水库拦蓄后，进入本工程库区的泥沙主要以细颗粒悬移质泥沙为主，多年平均入库悬移质泥沙输沙量为1170万t(合836万m3)，没有推移质泥沙入库，水库悬移质泥沙颗粒的分界粒径dk=0．15～0．4mm，冲泄质约占90%以上。

3．2 尾水渠泥沙淤积程度计算

设计要求，当工程遭遇大流量时，尾水渠将参与行洪。由此而可能出现的问题包括:不同年份(丰、中、枯三个典型年)进入渠道的泥沙量有多少、泥沙沿程淤积形态、渠道淤沙级配组成情况及泥沙淤积对尾水渠运行影响分析。

由于沙湾水电站为日调节电站，无任何调蓄能力，当上游来水大于5000m3/s时，全闸开启，大排大泄，故以入库泥沙特性作为尾水渠淤积计算的依据。

根据四川大学高速水力学国家重点实验室提供的CRS—1和CRS—3河流泥沙数学模型对尾水河段、尾水渠道水流泥沙进行模拟计算，其计算结果如下:

(1)丰、中、枯三个典型年入渠沙量分别为:3490 万 t、1920 万 t、1505 万 t。

(2)泥沙淤积对尾水渠运行影响分析。

泥沙沿程淤积形态(20a)见图1。由图1可知，最大淤积厚度为0．75m，泥沙淤积平衡后的渠道底坡坡比为1∶30300。沙湾水电站尾水渠泥沙淤积20a(中+丰+中+枯+中循环4次)泥沙淤积基本平衡，在引用发电流量下，电站尾水位升高0．09m，即发电水头减少0．09m，因此，尾水渠泥沙淤积对电站发电水头存在一定影响。

3．3 沙湾水电站尾水渠淤积量的测量及分析

为掌握沙湾水电站自运行以来尾水渠内的泥沙淤积情况，公司于2010年11月24日组织人员沿尾水渠下游至上游逐段对尾水渠断面淤积情况进行了勘察，采用水下测量法进行了测量(表1)。

根据沙湾水电站发电部《关于尾水渠淤积量测量情况报告结果》与尾水渠施工设计实际情况，笔者做了以下分析:

图1 沙湾水电站尾水渠泥沙沿程淤积形态(20a)图

表1 沙湾水电站长尾水渠淤积厚度表

(1)从水面高程进行分析。水面高程不是按一定坡比向下顺降，而是在尾水渠出口高程存在升高现象，分析其原因是该处设置的拦沙坎和渠底淤积物对水流产生阻碍导致，局部抬高了水位。

(2)从各断面水深数据分析。深度基本一致，但在尾水渠出口有突降，应与该处挡沙坎和地方倾倒废料堵塞河道有关。尾8+155．00处的水深与渠底高程变化有差异，应与前期地方船只私自进入尾水渠内进行开采有关。

3．4 淤积量计算

尾水渠渠底宽度为91m，渠底淤积平缓段尾0+00至尾7+102．00平均预计厚度为18cm。

突变段尾7+102．00至尾9+015．00平均厚度为76．9cm。

则尾水渠总淤积量为:

式中 V为长尾水渠内淤积总量;W为长尾水渠底面宽度;H1为平缓段平均淤积厚度;H2为突变段平均淤积厚度;L为平缓段长度。

V=0．18×91×7102+0．769×91×(9015-7102)=250200(m3)，即25 万 m3。

实际情况与设计计算相比淤积问题突出，可能与测量之前上游瀑布沟水电站并未蓄水有关。

4 沙湾水电站长尾水渠河段的管理

从对9．15km长尾水渠观察的情况看，目前尾水渠水工建筑物总体运行正常、安全可靠，但右岸挡墙局部由于车辆碰撞而造成倒塌破损，需进行修复。

5 结论与建议

通过对沙湾水电站的开发方式及其长尾水渠水力特点进行分析，笔者得到以下几点认识:

老砍头走了，秀容月明再也撑不住，叫了声“越秀”，就倒了下去。 越秀顾不得虚弱，将丈夫抱入山洞，手忙脚乱地给他止血。

(1)因地制宜地采用符合沙湾河段所处的地理、环境特点的河床式厂房加长尾渠开发方案，在技术上是可行的，在经济上是合理的。

(2)对类似沙湾河段的河流下游浅丘、平原地区河段水能资源的开发问题，当采取常规开发方式开发河段水能资源因淹没等因素受到限制或不经济时，采用尾水渠集中该河段水头、增大装机容量是一个有效的模式。

(3)受尾水渠影响，闸门下游河段水位低、流量小，闸下底流消能应由一级增加至三级。

(4)应在主厂房前设置两道拦沙设施，避免推移质泥沙通过机组流道进入渠中，同时应疏浚下游河道的高边滩和心滩，以利于行洪，避免泥沙入渠。

(5)鉴于沙湾水电站尾水渠通过大量开挖河道而获得的水头，建议对施工弃渣和水保问题进行专题研究。

(6)尾水渠河段在不弃水的情况下脱水，极大地影响了河床景观及生态环境。建议今后采用长尾水渠模式开发的工程，在脱水河段应增加生态机组或阀门，以保护原河道的生态环境。

(7)建议每年汛后对尾水渠淤积量进行定期测量，着重安排对尾水渠末端2km范围内进行定期清淤。

6 沙湾水电站长尾水渠推广应用的前景

(1)大型河流下游段一般都具有流量大、河谷开阔、水流散乱的特点。沿河耕地、人口和城镇密集，工矿业发达，交通道路纵横，若采用传统水能开发方式单纯依靠筑坝蓄水来获得水头，将受到淹没条件的限制而变得不可行。只有采取尾水渠集中这些河段水头的方式，才能使这些河段的水能开发由不可能变为可能，由不经济变为经济。

(2)随着国内各主要河流中、上游高山河谷段的开发殆尽，沙湾水电站这种利用尾水渠集中河段水头的开发方式很适合对下游平缓地区的水能资源开发，在具有适合的条件时有很好的推广和应用价值。