南美洲水电站泥沙清淤技术

[挪威] T.雅克布森 等

南美洲水电站泥沙清淤技术

[挪威] T.雅克布森 等

挪威SediCon公司采用SediCon除沙器，将为厄瓜多尔科卡科多辛克雷水电站提供泥沙清淤服务。SediCon除沙器主要由开槽水管、连接“黑盒”、外管、泥沙监测系统、外管控制闸等5个部件组成。模型测试表明，在有效水头40 cm和外管长度15 m条件下，SediCon除沙器清除泥沙达0.5 t，效果十分理想。详细介绍了南美洲地区水电站的泥沙清淤技术。

径流式水电站；泥沙淤积；清淤技术；南美洲

1 概 述

2013年秋季，中方承包商中国水利水电建设集团公司(Sinohydro)与挪威SediCon公司签订合同，同意该公司为厄瓜多尔科卡科多辛克雷(Coca Codo Sinclair)水电站的沉沙池提供泥沙清淤技术服务。SediCon公司积极应对、全力以赴。40台全重力驱动式SediCon除沙器，每年可为该水电站清除泥沙600万t；如果40台除沙器同时运行，每小时清淤量可达2.5万t。

科卡科多辛克雷水电站别具一格，是世界上最大水头的径流式水电站之一。电站装机容量1 500 MW，年发电量为8.631 GW·h，库容为零，总水头为660 m。水电站取水口设置有8座沉沙池(长150 m、宽13 m)，清淤后水流首先进入引水隧洞(长24.79 km、设计流量222 m3/s)，再经地下厂房上游的补偿水库(库容为88.6万m3)调节，最后进入8台水轮机(最大流量278.5 m3/s)。

2 科卡科多辛克雷水电站泥沙清淤技术

科卡河是纳波(Napo)河的支流，最终汇入亚马孙河。工程集水区面积3 600 m2，高程1 262～5 790 m，流域内植物、动物、土壤类型多样，气候和降雨变化大，流域产沙量较大。该水电站发电机组取水的最大允许含沙浓度为5 000 mg/L，而进入沉沙池的泥沙输移率为101 t/s，由此估算每年进入沉沙池的悬移质泥沙量为700万t。一方面，高含沙水流的清淤必须耗水最少且不影响发电效益；另一方面，受取水口复杂条件、空间限制和其他设施布置等因素的影响，沉沙池的清淤设施不得改变取水口及闸底板高程。此外，由于水电站的有效坝高小于沉沙池的水深，因此也无法采用传统的自由面流冲沙方式清淤。SediCon除沙器具有非面流冲沙、运行水头低、冲沙需水量小、间断或连续冲沙皆宜等优点，是科卡科多辛克雷水电站泥沙清淤的最佳选择。

科卡科多辛克雷水电站8座沉沙池的设计尺寸为长150 m、宽13 m，沉沙池的设计泥沙粒径大于0.25 mm。SediCon除沙器主要由永久性固定式开槽水管构成，水管从沉沙池的底部吸取泥沙、输移至外管，除沙仅由重力驱动。除外管的控制闸之外，其余部件均固定不动。整个除沙系统灵活方便、易于操作。每座沉沙池安装有5台独立运行的除沙器，每台除沙器主要由如下5个部件组成：

(1) 2根开槽水管。开槽水管安装在沉沙池底槽的表层上。

(2) 连接“黑盒”。连接2根开槽水管与外管，平衡水流与泥沙，同时维持外管高含沙水流，避免外管堵塞。

(3) 外管。外管管径为500 mm、最大长度达150 m，布设于沉沙池下层的廊道内，将水沙混合流排泄至环境流渠道，以维持河流的生态基流。

(4) 标准泥沙监测系统。该系统安置在沉沙池内。

(5) 外管控制闸。控制闸负责维持泥沙清淤系统的运行。

为了解决泥沙磨损问题，SediCon公司明确了每座沉沙池每台除沙器的管道材料与管壁厚度，保证绝大部分的粗颗粒泥沙淤积在进水口，少量的细颗粒泥沙淤积在下游。

2012年中期，水电站业主科卡辛克雷公司(Coca Sinclair EP)及主管部门墨西哥联邦电网委员会(CFE)与SediCon公司签约，要求SediCon公司尽快对40台除沙器进行模型测试。经过2周高效准备，SediCon公司与CFE委员会在CFE水力学实验室(位于库埃纳瓦卡市)共同开展了系列模型测试，模型比尺为1∶20。结果表明，在有效水头40 cm和外管长度15 m条件下，除沙器清除泥沙达0.5 t，测试十分成功。

3 拉丁美洲泥沙清淤工程实践

为科卡科多辛克雷水电站提供SediCon除沙器并不是SediCon公司首次为拉丁美洲提供此类服务。洪都拉斯库亚马尔(Cuyamel)径流式水电站，装机容量7 MW，水头约100 m。该水电站进水口就布设了一条长40 m并配备2台SediCon除沙器的有压沉沙管，其目的是阻止泥石流和超量泥沙的进入。除沙器的尺寸与科卡科多辛克雷水电站除沙器基本一致，但由于外管较短，除沙能力更强，每小时泥沙清淤量约1 000 t。自2007年投运以来，该SediCon除沙器运行状况良好。2009年9月，尼泊尔科姆堤(Khimti)水电站也安装了4台SediCon除沙器，实测的除沙量每小时达4 000 t。此外，该水电站厂房有压沉沙管内还安装有2台小型SediCon除沙器，自2000年开始运行拦沙，2008年进行了一次拦沙效果检测，结果表明，泥沙清淤系统运行十分理想。

除了水电站沉沙设施SediCon除沙器之外，SediCon公司还提供以重力式SediCon疏浚机为主的其他清淤产品。SediCon疏浚机的工作原理与除沙器相同，通过对主要构件吸头的巧妙设计，调节水流的含沙浓度，疏浚泥沙而又不堵塞外管。SediCon公司已为中美洲多个水电项目提供了SediCon疏浚机。例如，意大利国家电力公司(ENEL)曾租赁250 mm型SediCon疏浚机，为危地马拉埃尔加纳大(El Canada)水电站提供疏浚服务，自2011年，每年已为该水电站疏浚泥沙达10万m3。SediCon公司采用300 mm型疏浚机，为哥斯达黎加加兰古特(Dona Julia)类似水电项目疏浚泥沙6万m3。为了保证每年有足够库容进行数百次的日峰调节，对这类水电站进行泥沙疏浚非常有代表性而且也十分重要。拦沙效果曲线见图1。

由此可见，泥沙清淤技术在南美洲和中美洲国家具有使用潜力的水电项目并不是大库深水的大型水库，而是上述那些径流式水电站。哥伦比亚、厄瓜多尔、秘鲁和智利等国家由于坝址地带地形陡峻、地质脆弱、植被稀疏、季节性降雨影响等原因，容易产生瞬时和极端产沙量。而且，厄尔尼诺气候现象也极可能给一般干旱地区带来洪水灾害和极端产沙量。

4 挪威泥沙清淤技术

数万年前的冰河时代已经冲蚀了挪威境内的几乎所有泥沙。挪威之所以会成为泥沙清淤技术中心，其原因在于，20世纪80年代挪威水电开发末期，挪威工程师们被迫寻找海外工作机会，他们虽然水电工程经验丰富，但在泥沙工程技术方面却缺乏竞争力。

为此，挪威科技大学(特隆赫姆校区)将泥沙技术列入水电学科课程与研究的重要内容，包括SediCon公司技术创始人T.杰克森在内的博士们最终研发出了一系列泥沙技术及产品。随后，T.雅克布森于2001年成立了SediCon公司，主打研发SediCon疏浚机和SediCon除沙器等产品。目前，公司在哥斯达黎加和墨西哥开设了分公司，在厄瓜多尔和日本设立了代表处。

(董耀华 编译)

2014-11-19

1006-0081(2015)01-0029-02

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董耀华，男，长江水利委员会长江科学院，教授级高级工程师，主要从事水力学及河流动力学研究工作。)