组合进水塔在塔日勒嘎水电站工程中的应用

申幸志

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 长沙市 410007）

1 工程概况

塔日勒嘎水电站位于新疆柯尔克孜自治州乌恰县吾合沙鲁乡的克孜勒苏河中游河段上，为克孜河规划2 库6 级方案中的第二个梯级。坝址距乌恰县58 km，距喀什150 km。由拦河大坝（粘土心墙砂砾石坝）、左岸导流兼泄洪冲沙隧洞、发电引水隧洞、电站厂房、右岸溢洪道等主要建筑物组成，为Ⅲ等中型工程，地震设防烈度为Ⅸ度。

坝轴线位于吾合沙鲁铁桥上游约640 m 处的峡谷河段，水库正常蓄水位2 250.0 m，死水位为2 245.0 m，总库容0.418 亿m3，最大坝高43.6 m。左岸利用导流洞改建成泄洪冲沙隧洞，进出口底板高程均为2 217.9 m，全长507.576 m，洞径D=8.0 m，圆形有压洞，出口设置6.5 m×6.5 m 弧形钢闸门控制水流，该隧洞承担泄洪冲沙任务，利用汛期洪水排泄库内淤沙，确保水库正常使用。发电引水洞布置在导流洞里侧，进口底板高程2 233.00 m，全长1 412.258 m，圆形有压洞，洞径6.8 m，为确保发电洞进口“门前清”，进水口采用上下垂直布置的组合式进水塔形式。厂房布置在大坝下游约1 220 m 的山谷出口，设计水头44 m，装机容量4×12.5 MW。右岸岸边开敞式溢洪道孔口选用2 孔10 m×7 m 的驼峰堰。

2 进水口冲沙防沙方式布置比较

2.1 水库水沙特征及主要泥沙问题

塔日勒嘎水电站坝址以上控制集雨面积10 381 km2，多年平均流量61.7 m3/s，调节库容为0.13 亿m3,具有旬调节能力。多年平均悬移质含沙量6.2 kg/m3，多年平均悬移质输沙量1 174 万t，多年平均推移质输沙量58.7 万t，多年平均输沙总量1 233 万t，库沙比约为4，泥沙问题相当突出。克孜河汛期为4～9月，泥沙也主要集中在该时段，据牙师和卡拉贝利水文站长系列观测资料统计，汛期泥沙占全年的97.65%，其基本情况见表1，推移质因缺乏观测资料按5%推悬比计算。

据卡拉贝利水文站已有资料和现场取样分析，汛期悬沙平均粒径为Dpj=0.067 6 mm，最大粒径Dmax=1.13 mm，小于0.05 mm 的颗粒含量为70.2%，泥沙硬度高，石英质含量约为66.9%，对水库防沙及机组磨蚀极为不利，见表2。

塔日勒嘎为近期工程的第一个梯级，也是近期开发方案中唯一具有径流调节能力的小龙头水库。其泥沙问题大致分为两个大的方面： 一是水库泥沙淤积问题；二是进水口防沙排沙问题。

表1 塔日勒嘎坝址多年平均月输沙率表

表2 塔日勒嘎坝址泥沙颗粒级配表 mm

在枢纽布置和主要建筑物设计时，左岸导流隧洞考虑临时永久结合，将其设计成导流、泄洪、冲沙相结合，利用汛期泄洪排除库内泥沙。

通过数模分析可知，70%以上水量要从电站过机，大量泥沙也会随之通过水轮机，进水口必须有针对性的采取相应的排沙防沙措施，确保电站进水口不被淤死，同时尽量排走高浓度含沙水流，防止粗沙过机。

2.2 进水口布置方案比较

根据本工程水沙特点和进水口地形地质情况，参照国内多沙河流进水口防沙布置形式及运行效果，共拟定3 个进水口布置方案：

方案1： 共用进水渠方案，两个进水口尽量靠近，利用泄洪洞冲沙漏斗覆盖发电洞进口，确保“门前清”。

方案2：冲沙廊道方案，两洞分开布置，发电洞进口远离泄洪冲沙洞，利用坝前冲沟地形避开主流，冲沟回水泥沙相对较轻，在发电洞进口下方采用“圆孔格栅廊道”拉沙，廊道后接新开的冲沙支洞，将水沙排入泄洪冲沙洞内，利用小洪水关闭泄洪洞检修门拉沙（该冲沙支洞主要负责发电洞进口排沙），以拉沙廊道形成的漏斗确保发电洞“门前清”。

方案3：组合进水塔方案，将两个进水塔合并布置在一个大的进水塔内，两进水口上下正对，底板高差15.1 m，利用泄洪洞形成的漏斗确保其上发电洞进口“门前清”。

前2 个防沙方案均为多泥沙河流经常采用的形式,采用正面进水，侧面排沙的原则。方案1 投资最省，但因本工程建筑物尺寸较大，岩石条件较差，泄洪冲沙洞形成的漏斗侧向边坡难以确定，其范围较难确保整个发电洞进水口，存在不确定性；方案2 投资居中，冲沙廊道形成的漏斗可较好地确保整个发电洞进水口，但运行操作麻烦，存在淤堵风险和检修难等缺点；方案3 采用正面进水，正面排沙形式，投资最大，应用相对较少，但对泥沙问题特别严重的水库，“门前清”防沙效果最佳，我国黄河小浪底水利枢纽即采用该种方式，布置形式基本相似，效果较好，可做原型参照。但因两洞进水口平面上重叠布置，汛期泄洪拉沙时进水口部位流态复杂，为三维紊流，泥沙扰动较强烈，可能带来更大的粗粒过机问题，本次考虑将导流泄洪洞进口向前伸出一定距离，减轻两洞同时工作的相互影响，伸出距离初定为5.0 m，位于冲沙漏斗范围内，具体布置应通过进水口模型试验确定。

综上所述，结合本工程实际情况，塔日勒嘎电站进水口实际上为3 个梯级电站的进水口，重要性相当突出，为确保梯级电站引水发电安全，最大限度减少泥沙影响，本次推荐采用方案3 的组合进水塔方案。

2.3 组合进水塔的布置

组合进水塔布置在大坝左岸上游冲沟出口，进口轴线与坝轴线夹角17.3°，距坝轴线距离232 m。进水口前沿总宽30.0 m，纵轴线方位角N86.2°E，顺水方向长47.7 m，塔体总高度38.6 m，高程2 233.0 m 以下为大体积混凝土，布置洞泄洪冲沙隧洞，其上为薄壁墙墩结构形式，布置发电引水设施，两洞高差15.1 m，进口立面形象地称为“鼻子正对嘴”。高程2 233.0 m 部位中间设置泄洪洞检修门，两边布置发电洞进口流道及拦污栅，流道在泄洪洞检修门框架井后渐变合并，其后布设发电洞检修门。所有隧洞拦污、检修设施均在组合进水塔布置完成，然后两洞分别进洞，下部泄洪洞直线进洞，上部发电洞平面上向山体侧旋转52°进洞。顶部2 254.0 m 高程检修平台通过交通桥连接上坝公路。该布置虽下部混凝土方量较大，但大多为大体积混凝土，由于组合进水塔体型较大，增加了高地震烈度下进水塔的稳定性及结构抗震性能，见图1、图2。

图1 进口组合式进水塔结构布置图

图2 进口组合式进水塔剖面图

3 泥沙计算及模型试验

鉴于该工程泥沙问题突出，2011年5月～2013年5月，特委托中国水科院泥沙所进行库区二维数模和坝区泥沙物模试验。

3.1 数模计算

利用其自主开发的平面二维水沙数学模型进行分析计算，主要为研究水库淤积形态及库容损失情况、分析过机泥沙含量及级配、冲刷漏斗范围和形态。选择1965年、1988年、1990年、1996年和2005年5 个典型年按时间顺序循环组成的长系列水沙资料进行多方案计算与分析。塔日勒嘎水库采用“蓄清排浑”运行调度方式，采用当入库流量大于225 m3/s时停机敞泄，其他流量维持正常蓄水位2 250.0 m 的运行调度方案。运行10年后基本达到冲淤平衡，水库呈三角洲淤积形态，淤积量维持在（3 051.6～3 803.2）万t 左右，坝前淤积高程2 240 m 左右，淤积平衡后10年平均保留调节库容为856.9 万m3，进水塔前沿不同方案形成不同冲刷漏斗，纵坡为1∶2～1∶3.1，纵向长度（45～60）m，能保持发电洞的“门前清”。平均过机含沙量为1.68 kg/m3，大于0.05 mm 的泥沙含量为0.27%，有效地减少粗沙过机。

3.2 物模试验

泥沙模型采用正态动床模型，模型比尺在1∶50左右，试验范围：坝上1.6 km，坝下0.65 km，主槽最宽500 m，试验主要结论如下：

（1）设计采用组合进水塔方案，在冲沙洞经常排沙运用条件下，能够保持发电洞前的“门前清”，并有利于减轻过机泥沙对机组的影响，工程布置方案是合理的。

（2）泄洪冲沙洞的漏斗形态近似半椭圆，不同方案水位下纵坡比降变化于1∶2.3～1∶3.1，冲刷漏斗的横向坡度约为1∶2.0，形成稳定的冲刷漏斗所需模型时间约为（30～35）h。冲沙洞前伸的布置要优于不前伸的布置形式。见图3。

（3）模型模拟了水库泄空8 h 条件下冲刷过程，溯源冲刷影响范围最远可达坝址上游约0.45 km处的河段，冲刷河槽宽度一般在（15～30）m 左右，水库拉沙效果较好。

3.3 泥沙计算及试验结论

图3 进水口冲刷漏斗平面形态照片

从数模计算和物模试验成果看，水库在合理调度下，能维持一定的调节库容，水库使用寿命可确保。组合进水塔所形成冲刷漏斗完全能保证发电洞进口门前清。经采用汛期入库流量大于225 m3/s 时停机拉沙，后10年平均保留库容为856.9 万m3，发电洞d≥0.05 mm 粗沙所占比例不到1.0%，含沙量为（0.713～2.415）kg/m3，对该水头机组而言，运行可达国内同等水平，泥沙问题得到了较好的解决。

4 结论及建议

泥沙问题严重的水库，发电引水进口需确保“门前清”，本工程经过综合比较，采用组合进水塔，导流泄洪冲沙隧洞与发电引水隧洞进口合并上下垂直布置，利用下部泄洪冲沙隧洞拉沙，形成冲刷漏斗，可确保发电洞进口不被淤死。同时根据泥沙垂线上的分布特点，水库合理调度，引取表层含沙小的水流，可有效减轻对机组的磨蚀。

设计中认识到，组合式进水塔上下两洞高差应尽可能大，对冲刷漏斗和过机泥沙均有利。运行中密切监测组合进水塔前泥沙淤积面的变化，及时开启泄洪排沙洞，保持尽可能大的冲刷漏斗范围。