万家寨水利枢纽排沙洞淤堵原因分析及疏通处理

吴凌丞

(黄河万家寨水利枢纽有限公司,太原 030002)

1 工程概况

万家寨水利枢纽位于黄河北干流上段托克托至龙口峡谷河段内，是黄河中游梯级开发的第1级。坝址左岸为山西省偏关县，右岸为内蒙古自治区准格尔旗。枢纽的主要任务是供水结合发电调峰，同时兼有防洪、防凌作用。

电站排沙洞布置在13～17号坝段、电站进水口左下侧，共5条，由现浇混凝土进口段及排沙钢管2部分组成。排沙钢管轴线长130 m，钢管段直径为2.7 m。排沙钢管出口设在尾水平台下部。在坝前水位952.00 m时，排沙钢管单管泄量57.00 m3/s，管内流速9.86 m/s。

排沙钢管进口段底高程为912.00 m，采用矩形孔口。为防淤堵，采用虹吸式接驼峰堰的进口型式，从进口912.00 m高程处经圆弧连接上升至917.00 m。在进口沿上游坝面设置1道进口检修门，底坎高程912.00 m。在坝内下0+009.40 m处设有1道事故门，底坎高程917.00 m。出口段布置在主厂房尾水管上方，出口挑坎底高程为890.56 m，低于正常尾水位9.89 m。出口设平板工作闸门，由500 kN液压启闭机操作，出口检修闸门与电站尾水检修门共用[1-2]。

万家寨水利枢纽入库泥沙分为2部分：其一是头道拐以上黄河干流来沙；其二是头道拐至坝址区间来沙[3]。头道拐站1955—1986年多年平均悬移质输沙量1.08亿t，头道拐至坝址区间多年平均悬移质输沙量0.41亿t，合计入库悬移质年输沙量为1.49亿t。头道拐站推移质年沙量33万t，支流红河推移质年沙量约60万t，合计入库推移质年沙量近100万t[4]。

2014年8月主汛排沙期间，上游水位在955.00 m左右，2号排沙洞出口工作门提至全开后，发现无过流现象。随后保持闸门全开状态，持续约3 d后将2号排沙工作门落至全关。判断确认2号排沙洞发生淤堵。

2 排沙洞淤堵情况及原因分析

2.1 淤堵情况

2014年8月发现2号排沙洞发生淤堵后，先后尝试利用水头压力挤压、通入低压气扰动洞内淤泥等方法进行疏通[5]，但均未取得满意效果。2015年9月组织潜水公司对2号排沙洞淤堵情况进行了水下检查。

检查发现排沙洞上游段2号排沙洞事故闸门底坎处泥沙淤积厚度约为1.2 m，事故闸门两侧淤积厚度约为1.5 m，事故闸门往下游方向平均淤泥厚度约为1.2 m，一直延伸到排沙管拐弯处；倾斜的排沙管内淤泥完全淤堵住的位置距水平段淤积距离约为6 m，淤堵处略有斜度。事故闸门上游侧淤泥达1.5 m厚度，一直倾斜向下，距事故闸门约为9 m左右，淤泥高度距排沙管顶部20 cm左右。上游段淤堵情况如图1所示。

图1 2号排沙洞上游段淤堵情况图 单位:m

检查发现2号排沙洞下游段工作闸门底坎处有一层较薄淤泥，往上游淤泥逐渐变高，潜水员由工作闸门槽向上游2.5 m左右，淤泥高度距排沙管顶部高度不足以使潜水员继续前进，潜水员用钢板尺向内测量发现，完全淤堵住的位置距离工作闸门槽4 m左右。下游段淤堵情况如图2所示。

图2 2号排沙洞下游段淤堵情况图

2号排沙洞整体淤积情况如图3所示，主要淤积物为淤泥，还有少量杂草，淤积方量大概为700 m3左右。

2.2 淤堵原因分析

经对万家寨水库及水电站机组、排沙洞等过流设施多年运行资料[6-8]比对分析，发现可能存在以下原因导致排沙洞发生淤堵：

(1) 2013年主汛期近坝区域排沙效果不佳，形成淤积

2013年8—9月上游实际来水比较均匀，平均库水位955.72 m，期间头道拐来沙2 609.4万t，万家寨水利枢纽出库沙量4 795.6万t。汛后最大库容比汛前增加0.143亿m3。

但坝前4 km范围内冲刷效果欠佳，发生泥沙淤积，汛后实测坝前淤积高程为920.00 m，比排沙洞进口检修门底坎高程912.00 m高出8 m，此时排沙洞进口处已经形成了泥沙淤积[9]。

图3 2号排沙洞整体淤积情况图

(2) 2014年凌汛期排沙洞未泄水排沙，导致坝前泥沙板结

2014年黄河封河槽蓄水增量释放早且均匀，致凌峰较小。同时，为保证山西引黄工程[11]用水，万家寨库水位仅降至960.00 m左右，未达到排沙运用正常运行最高水位957.00 m，故2014年度凌汛期万家寨水电站排沙洞没有进行泄水排沙。

由于此次凌汛期排沙洞没有运行，自2013年主汛排沙至下个排沙运行周期时间将达到12个月，期间只有发电机组运行取水，对坝前区域淤积的泥沙产生扰动有限，导致该区域泥沙板结，流动性变差[12]。

(3) 排沙洞运行方式有待优化

排沙洞原运行方式闸门操作均按设计运行方式进行，即启门操作过程为：先静水提进口事故门至全开后，再动水提出口工作门。闭门操作过程为：先动水将出口工作门落至全关后，再静水将进口事故门落至全关，然后再将出口工作门提到全开，以期排除钢管内部分泥水，最后将出口工作门落至全关。执行落门程序时，出口工作门动水关闭后，排沙钢管内高含沙水流会突然停滞，所挟泥沙在静水中迅速沉淀，进口事故门关闭后，再打开出口工作门以期排出管内泥沙时，由于排沙钢管内为静水，不具备初始动能，裹挟泥沙能力[13]以及对沉淀的泥沙冲刷效果十分有限，导致有部分泥沙沉淀或堆积在管内，不能全部排出至尾水。

(4) 进口闸门密封不严存在漏水

在低水位运行过程中，水流含沙量很大，进口事故闸门底坎会存留淤泥，导致闸门落至全关时闸门底角附近存在漏水缝隙，加上闸门水封在启闭过程中也会发生挤压变形和破损，存在封水不严的情况。夹沙水流漏进排沙钢管，水流在管内积存淤泥的阻滞作用下流速缓慢，裹挟的泥沙逐渐沉淀淤积，导致排沙钢管内过水通道日渐窄小，最终整条排沙钢管发生淤堵。

3 排沙钢管淤堵水下疏通

通过水下检查明确了排沙钢管内泥沙淤堵情况后，决定对其分段进行水下清理。

将2号排沙洞进口事故门门槽底坎及该区域上下游0.5 m区域清理干净，保证事故门能落至全关。现场配置潜水泵进行事故门门槽内抽水减压。使水位下降并保持在918.00 m附近，以减小作用在钢管中部淤泥上的静水压力，保证排沙洞下游作业安全。

在下游尾水作业平台布设施工作业场地，开始排沙洞出口段清理。排沙洞内出口段的淤积物采用高压水冲泥结合吸排泥系统的方式清理，使用吸排泥系统从冲散的淤积物坡脚开始吸泥，在坡脚区域吸泥完成后拉动吸泥管及管头不断向排沙洞上游前进，通过硬质的吸泥管道排出至下游尾水，直至清理至排沙洞中部斜坡段底部886.00 m高程处。

完成出口段的清理后转场至坝顶，对排沙洞进口水平段和中部斜坡段进行清理，配置潜水泵先将顶部积水排出，待水位下降至出现淤积物面位置。开始进行斜坡段淤积物清理，配置多台潜水泵，采用清水置换淤泥的方式清理至斜坡段894.00 m高程附近。在斜坡段底部区域894.00～886.00 m之间存在一段板结严重的淤积层，现场潜水泵也因为扬程不够，泥浆抽出效率下降而无法继续清理，故决定对斜坡段底部淤积层的清理采用对接钢管加压击穿板结淤泥层的方式。在板结淤泥层顶部使用多根2 m长的DN40钢管对接推入到淤积物中，高压潜水泵向钢管内注水加压，配合推进钢管直到穿透板结淤泥层，然后反复上下拉拽搅动，多次尝试后击穿894.00～886.00m之间的板结淤泥层，形成过水通道并将其逐步扩大。

过水通道形成后，先后3次在排沙洞进口事故门槽充灌清水至排沙运用最高水位957.00 m，再开启排沙洞出口工作门模拟过流并对钢管内残留淤泥进行冲刷，结果均显示2号排沙洞正常过水。为确保洞内清淤效果，打开排沙钢管放空阀排空管内积水后，进入排沙洞内检查，发现钢管内仅管底存在薄层稀泥，排沙钢管内整体清淤效果良好，2号排沙洞进口事故门以下淤堵物已全部疏通完毕。

4 结 语

万家寨水利枢纽2号排沙洞淤堵水下疏通施工历时3个多月，从发现不能过流、检查判断淤堵情况、尝试自然疏通、最终确定水下清理方案并实施完成，经历了漫长的2 a时间，耗费了大量的人力物力。因此，水库泥沙问题[14-15]应引起我们的高度重视，结合水工建筑物运行进行系统性研究。完善水情泥沙监测系统、严格执行汛期调度计划方案、研究运用浑水异重流特性排沙[16]、敞泄排沙等方式方法，提高水库排沙效率，减少水库泥沙淤积[17]。

合理优化排沙洞闸门运行方式，调整进出口闸门关闭顺序，避免出口工作门先关闭后排沙钢管内存水中的泥沙淤积沉淀。加强对闸门封水装置的维护管理，有效阻挡渗漏水裹挟的泥沙进入排沙钢管。

造成排沙洞淤堵的原因是多方面的，只有充分吸取教训，加强对泥沙问题的研究，统筹规划、综合治理、运维兼顾才能够将泥沙淤积对泄水建筑物的不利影响[18]降到最低。

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