达克曲克水电站水沙调度方式探索与实践

陈 波，陈 涛

（1.新疆华电和田水电有限责任公司，新疆和田848000；2.新疆康普投资（集团）有限公司，新疆乌鲁木齐，830002）

1 概 况

1.1 水电站基本情况

和田河是塔里木河三大源流之一，由上游玉龙喀什河、喀拉喀什河两大支流组成。玉龙喀什河水能资源较丰富，河道长约124.43 km。玉龙喀什河下游的达克曲克水电站是该河“两库五级”开发方案中的第四个梯级工程，坝址位于玉龙喀什河与布亚河汇合口下游29 km、S216公路里程桩为63 km处，电站装机75 MW，承担发电和上游玉龙喀什水利枢纽调峰发电后的反调节任务。达克曲克主电站位于坝址下游10 km处，2＃机组（35 MW）于 2015年投产，1＃机组（35 MW）于 2016年投产，生态电站 3＃、4＃机组（2×2.5 MW）位于坝后，目前在建，计划2019年底投产。

达克曲克水电站区域多年平均气温为11.0℃，多年平均降水量为55.1 mm，多年平均蒸发能力为3 485.8 mm。坝址断面计算多年平均径流量为21.67亿m3，多年平均流量为68.67 m3/s，水库设计库容为1 024万m3，有效库容为260万m3。设计洪水标准为50 a一遇，设计洪峰流量为1 640 m3/s，校核洪水标准 1 000 a一遇洪峰流量为2 501.36 m3/s。

受每年汛期气温升高、冰雪融水和大气降水强烈冲刷侵蚀以及流域上游基本无植被等因素的影响，和田河流域表层风化的岩石和疏松土壤被挟带入河流，形成河流泥沙。和田河低山及山前丘陵区降水少，岩石风化强烈，第四纪松散堆积物深厚，是主要沙源。随着汛期到来，河流含沙量增大，6—8月输沙量约占全年的85%。

1.2 冲刷漏斗排沙效果

冲刷漏斗参数的确定：卡拉贝利模型试验中2＃泄洪排沙洞高程1 750 m方案与达克曲克水电站排沙运行方式相似，见表1。达克曲克水电站冲刷漏斗参数直接采用卡拉贝利模型试验结果，即冲刷漏斗的纵比降为1∶3，横向坡比约为1∶3。卡拉贝利模型试验与达克曲克水电站排沙工况比较见表1。

表1 卡拉贝利模型试验与达克曲克水电站排沙工况比较

达克曲克水电站冲刷漏斗容积计算：开始冲刷时，泥沙淤积高程按与导流兼泄洪排沙洞进口上沿基本持平的条件计算，即冲刷漏斗顶高程为1 739.0 m，导流兼泄洪排沙洞前冲刷漏斗底高程为工作门底板高程1 733 m，底宽为工作门孔口宽6 m，考虑到右岸地形限制，顶宽为32 m，冲刷漏斗纵向长度为18 m，可计算出冲刷漏斗容积为1 152 m3。

2 水沙调度方式的探索与实践

达克曲克水电站采用沥青混凝土心墙坝挡水，水库正常蓄水位为1 776 m，坝顶高程为1 778.6 m，最大坝高为62.6 m，防浪墙顶高程为1 779.8 m，坝顶长214 m。装机容量为75 MW，联合运行保证出力为10.63 MW。根据自身特点（径流式电站），达克曲克水电站在电力系统中主要是基荷运行。枯水期为当年的1—5月和9—12月。

2.1 设计阶段水沙调度方式

一般情况下，当来水流量扣除生态基流后满足主电站发电流量要求时，发电洞引水发电；当来水流量扣除生态基流后不满足主电站的发电流量要求时，发电洞闸门关闭。由于该工程生态基流通过导流兼泄洪排沙洞发电后下泄河道，因此导流兼泄洪排沙洞需全年开启，但为控制水库水位，需控制闸门开度。非汛期导流兼泄洪排沙洞闸门开启，按来流量扣除发电洞过流量控制开度；汛期需按泄洪要求控制闸门开度，当遇洪水时，泄洪冲沙闸按其泄流能力泄洪、冲沙。在一般情况下，当河道天然来水大于设计发电引水流量时，多余水量通过导流兼泄洪排沙洞下泄，表孔溢洪道全部关闭；当遇洪水时，首先开启导流兼泄洪排沙洞闸门，当洪峰流量超出导流兼泄洪排沙洞泄流能力时，开启表孔溢洪道，多余洪量通过表孔溢洪道下泄。达克曲克水电站所在的玉龙喀什河为多沙河流，河流含沙量在年内变化明显，枯水期小，洪水期大，泥沙多集中在6—8月。单独运行期间，为保证一定反调节库容，根据河流水沙特性，6—8月维持死水位（1 771.0 m）冲沙运行，非汛期（9月—次年5月）抬高水位至正常蓄水位运行。

2015—2016年工程运行实践中出现的主要问题：①2016年汛后检查发现，导流洞兼防洪通道底板、边墙和弧形工作门等严重冲蚀，特别是弧形工作门后防磨底钢板基本破坏，初步分析主要原因为泥沙冲磨和钢板防磨不足，特别是弧形工作门处于小流量开度下泥沙冲磨加剧。②导流兼泄洪排沙洞洞前大量淤沙。③2016年，下游灌溉引水渠大量淤沙，影响了农业灌溉。

2.2 水沙调度方式调整

通过调研、考察和分析研究，认为在2015—2016年死水位的情况下，导流兼泄洪排沙洞有38 m的压力水头，导流兼泄洪排沙洞开度小于2.3 m时，泥沙会加剧对闸门及建筑物的磨蚀，需要对导流兼泄洪排沙洞现状排沙运行方式进行如下调整。

（1）非汛期时，导流兼泄洪排沙洞闸门常规处于关闭状态，生态基流由溢洪道下泄。结合泥沙颗粒分析资料及洞内流速分析成果，根据洞口泥沙情况，需导流兼泄洪排沙洞闸门开启间歇性冲沙时，导流兼泄洪排沙洞闸门控制开度不得小于2.3 m，此时导流兼泄洪排沙洞下泄流量约为348 m3/s，相应洞内流速约为7.88 m/s，不排沙时闸门完全关闭。

（2）汛期时，导流兼泄洪排沙洞仍需满足闸门最小开度为2.3 m。根据水情测报资料，当来流量小于导流兼泄洪排沙洞闸门开度2.3 m时的泄流能力时，导流兼泄洪排沙洞闸门关闭，由表孔溢洪道闸门开度控制坝前水位；当来流量大于导流兼泄洪排沙洞闸门开度2.3 m时的泄流能力时，导流兼泄洪排沙洞闸门按开度2.3 m泄流，直至全部开启泄洪。

2017—2018年工程运行实践中出现的主要问题及分析：①考虑到弧形工作门小流量开度磨蚀加剧导致导流洞泄水设施损坏以及非汛期排水沙造成灌渠泥沙淤积无法引水等实际情况，经分析研讨，确定了水沙调度方案：汛期流量大于300 m3/s且满足导流泄洪排沙洞弧形工作门开度2.3 m，才允许开启导流洞泄洪弧形工作门排沙，溢洪道弧形工作门开启在前；非汛期导流泄洪设施关闭。但在实际汛期运行中，出现连续多日达不到开启导流泄洪排沙运行条件的情况，导流兼泄洪排沙洞泄洪排沙通道出现淤堵，且汛期定期工作试验中，导流兼泄洪排沙洞进水口会随机发生淤沙堵塞。2018年7月7日，开启过导流兼泄洪排沙洞，间隔一周未开启，于7月14日开启时，发现导流兼泄洪排沙洞被淤堵，洞前淤积高度在导流兼泄洪排沙洞进口顶以上14～20 m（检修门前），无水流从洞口泄出，经抢险后于7月16日通水。②实际运行中经常出现发电洞处的拦污栅泥沙淤积前后压差超过5 m的情况，需要及时扰动，造成大量泥沙进入发电过水部件和设施，加剧了过水部件磨蚀。随着发电洞淤积高度随机增大，加上发电洞底坎平台的存积抬高作用，极易造成拦污栅超过设计承载力，增加重大安全隐患风险。

由实测资料可知玉龙喀什河输沙量较大，多年平均悬移质输沙率为341 kg/s，多年平均悬移质输沙量为1 075万t，多年平均含沙量为4.9 kg/m3。实测最大年输沙量为3 922万t（1978年），月平均最大输沙率为9 818 kg/s。平均推悬比本次设计采用15%，推移质输沙量为161万t，则玉龙喀什河多年平均输沙量为1 236万t，达克曲克水电站坝址多年平均为1 075万t，高峰实测河流含沙量为200 kg/m3（2016年）。

根据水库泥沙淤积计算结果，水库运行5 a时，剩余死库容为140万m3，其中溢洪道堰顶高程1 763.5 m至导流兼泄洪排沙洞顶高程库容为49万m3，计算条件是建立在开启导流兼泄洪排沙洞前提下的，当较长时间关闭导流兼泄洪排沙洞的情况下，由于没有泄洪排沙通道，因此汛期泥沙很容易淤积在导流兼泄洪排沙洞顶高程以上。根据多年平均入库沙量分析，在仅溢洪道泄洪的情况下，6月平均10 d即可淤积至泄洪排沙洞顶高程，（7月平均仅需4 d、8月平均需5 d），造成导流排沙洞淤堵，影响导流泄洪排沙通道畅通，危及水库安全。前述冲刷漏斗容积很小，可忽略不计。达克曲克水电站坝址月输沙量见表2。

表2 坝址断面月输沙量 万t

根据达克曲克水电站多年平均流量分析，6月多年平均流量为100.01 m3/s，连续多日最大流量超过348 m3/s的概率非常小，达不到开启导流兼泄洪排沙洞的概率非常大，7—8月也存在连续多日达不到开启导流兼泄洪排沙洞的情况。达克曲克水电站坝址断面月均流量见表3。

表3 坝址断面月均流量 m3/s

2.3 汛期泄洪排沙调度运行方式的调整

2.3.1 调整方案拟定

（1）方案一。在现状泄洪排沙运行方式的基础上，针对汛期导流兼泄洪排沙洞发生淤堵的情况，增加了一个开启导流兼泄洪排沙洞的条件，即当洞前淤积高程达到1 739 m时开启导流兼泄洪排沙洞。该方案属于被动式泥沙调度方案，是在导流兼泄洪排沙洞将要淤堵的情况下采取的措施，导流兼泄洪排沙洞没有充分发挥应有的排沙功能。具体运行方式：首先关闭溢洪道，使库水位由死水位蓄至正常蓄水位，其间当流量大于348 m3/s时，及时开启导流兼泄洪排沙洞；其次按最小开度2.3 m开启导流兼泄洪排沙洞，使库水位由正常蓄水位降至死水位。

根据水库泥沙淤积计算结果，水库运行5 a时，剩余调节库容为97万m3，电站最大引水流量为92.7 m3/s，根据多年平均情况计算，6月大约需15 h可蓄至1 773 m水位，导流兼泄洪排沙洞下泄流量为348 m3/s，排沙约18 min可降至死水位。7—8月流量较大，以月均流量274 m3/s计算，大约需36 min可蓄至1 773 m水位，导流兼泄洪排沙洞以流量348 m3/s下泄，排沙约1.4 h可降至死水位。

（2）方案二。在初期蓄水排沙运行方式的基础上，针对汛期导流兼泄洪排沙洞开度小于2.3 m闸门运行不安全的情况，利用部分调蓄库容短期开启导流兼泄洪排沙洞排沙，以达到安全开启导流兼泄洪排沙洞泄洪排沙的目的。非汛期平均入库悬移质泥沙为60.9万t，推移质为9.1万 t，折合体积为51.9万 m3。根据泥沙由库尾向坝前淤积的特性，在非汛期正常蓄水位运行的情况下，泥沙淤积推移不到坝前，非汛期可不开启导流兼泄洪排沙洞进行排沙。

汛期导流兼泄洪排沙洞第一次开启选择在6月1日，此时水库进入排沙运行方式，排沙水位为死水位，可利用调节库容的97万m3水量进行排沙，导流兼泄洪排沙洞下泄流量约为348 m3/s，开启约47 min时水位可降至死水位。降至死水位后开始蓄水，生态基流为6.87 m3/s，由溢洪道下泄，蓄至1 773 m水位后开启导流兼泄洪排沙洞；按最小开度2.3 m开启导流兼泄洪排沙洞，使库水位由正常水位降至死水位。7—8月流量较大，以月均流量274 m3/s计算，生态基流由溢洪道下泄，大约需45 min可蓄至1 773 m水位，导流泄洪排沙洞以348 m3/s流量下泄，历时约1.4 h可降至死水位，一次蓄泄循环约需2 h，一天内泄洪排沙洞开启约12次。

两个方案都是利用调节库容作为调沙库容进行中小洪水泥沙调度，调节库容属于动态库容，即先允许部分泥沙暂时淤积，通过降低水位排沙将先期淤积泥沙排出库外。通过两种方案的比较，推荐采用方案二进行汛期泄洪排沙。

2.3.2 调整后水沙调度运行方式

目前生态基流电站尚未建成，导流兼泄洪排沙洞下泄生态基流存在着不安全因素，为保证生态基流下泄，现状采用通过溢洪道下泄生态基流及汛期小洪水的方式，但存在导流兼泄洪排沙洞淤堵的可能性。为了水库安全运行，利用暂时不用的反调节库容作为调沙库容，对水库洪水泥沙调度进行调整：①非汛期及汛期导流兼泄洪排沙洞闸门关闭期间，由溢洪道下泄生态基流；②6月库水位为死水位时，满足机组发电条件后，多余流量用于蓄水，水位蓄至1 773 m时，按最小开度开启导流兼泄洪排沙洞泄洪排沙；③7—8月水位为死水位时，满足发电条件后，多余流量用于蓄水，当水位蓄至1 773 m时，按最小开度开启导流兼泄洪排沙洞泄洪排沙，发生较大洪水时首先由导流兼泄洪排沙洞泄洪排沙，其次由溢洪道泄洪。主要问题：汛期水沙调度操作频繁，随着有效库容减小，调度工作量还会增大。

3 结 语

（1）我国许多河流特别是北方河流多为含沙量很大的河流，为了减少水库淤积，保持水库有效库容，充分发挥水库的综合效益，水利工作者进行了长期的探索和实践。针对三门峡水库泥沙严重淤积的问题，通过水库改建和运行方式调整，提出了“蓄清排浑”的运行方式，为小浪底水库和三峡水库的规划设计和施工运行提供了宝贵经验［1-3］。结合达克曲克水电站泥沙严重淤积的特性，如何借鉴“蓄清排浑”运行方式的成功经验，彻底解决水库泥沙严重淤积问题并形成高效的操作运行方式，是下阶段水沙调度方式探索和努力的方向。

（2）应尽快开展泥沙观测，随时掌握泥沙动态和有效库容实际状态，为下一步水沙调度方式的优化、细化提供依据。同时，深入开展排沙比与坝前水位、入/出库流量、沙量等关系的研究。

（3）关注上游水库开发情况，积极开展多库联合调度方式的研究。

（4）汛期水沙调度操作频繁，随着有效库容缩小，水沙调度的可行性将出现问题，加上生态机组将要投产等因素，汛期将难以满足导流兼泄洪排沙洞闸门排沙的条件，不仅将面临水沙调度方式重新调整的问题，而且要重新评估导流兼泄洪排沙洞的抗磨性能。