委内瑞拉托科玛水电站水库沉沙池方案比选及设置研究

张洪军

(中科信德建设有限公司，成都，610081)

委内瑞拉托科玛水电站水库多年平均输沙量为46.63万t，合38万m3，库沙比约为31.4。如何使水库既保持电站日调节所需的有效库容，又要尽可能降低电站引水水流泥沙含量，减轻水轮机泥沙磨损是电站枢纽设计中需解决的关键问题[1]。本文通过工程措施，即按照不同的标准来进行沉沙池的设置，并进行经济比较。

1 进水口河水泥沙含量的选取

1.1 选取河水天然含沙量

依据可研报告坝址1960-2000年逐日流量资料，根据水沙关系推求逐日输沙量，进而得出逐日含沙量系列，共选取10年(1970-1979年)水沙系列为计算代表系列，进行沉沙池设置分析计算。

从沙样的颗粒级配成果看，悬移质泥沙粒径在0.01mm～5mm之间，非汛期(Q<460m3/s)D50为0.02mm左右；汛期(Q>460m3/s)D50为0.1mm左右；推移质泥沙粒径在0.1mm～100mm之间，D50为1mm左右。悬移质泥沙颗粒级配表见表1、表2。

表1 非汛期悬移质颗粒级配

表2 汛期悬移质颗粒级配

1.2 选取水库运行调度后进水口含沙量

托科玛水电站排沙底孔底高程2198m，电站进水口底高程2211m，电站进水口可引2211m以上表层较清水流。在6-7月份，入库日均流量基本大于电站引水流量时，将多余水流优先打开排沙底孔下泄，排沙底孔将含沙量较大的底层水流排出库外，电站进水口引含沙量较小的表层水流发电。

水库运行前20年，水库库区泥沙沉降效率较大，取水口含沙量与水库运行年限差别不大。水库运行20年左右时，取水口处年平均含沙量约为55g/m3。水库运行20年后进行大坝底孔冲沙，根据分析，水库运行20年后进行电站水沙运行调度后，基本达到冲淤平衡。因此，在采取冲沙措施后，后30年电站进水口河水含沙量与水库运行20年时相同[2，3]。

2 沉沙池沉沙计算

2.1 沉沙池布置

受地形条件限制，本工程采用地下沉沙池。沿水流方向，沉沙池包括7个部分：连接隧洞、沉沙池进口闸门室、渐变段、沉沙池及下部冲沙廊道、沉沙池出口闸门室、冲沙阀室和冲沙廊道[4，5]。

地下沉沙池布置在大坝右岸山体内，断面为城门洞型，下部设置冲沙廊道，采用钢筋混凝土衬砌。

(1)原方案

沉沙标准为0.3mm，布置2条沉沙池，池长185m，断面尺寸为W×H=14m×12m。

(2)比较方案一

根据《水利水电工程沉沙池设计规范》(SL/T 269-2019)，水电站额定水头890m，冲击式机组允许过机最大粒径为0.1mm，按照0.1mm沉沙标准，布置4条沉沙池，池长185m，断面尺寸为W×H=16m×18m。

(3)比较方案二

由于本工程属于超高水头，为了减少水轮机抗磨蚀，按照0.05mm沉沙标准进行沉沙池设计和验算，此方案需布置4条沉沙池，池长540m，断面尺寸为W×H=18m×21m。

2.2 计算工况

电站运行时，最低运行水位2223.00m，引用流量为114.6m3/s，无超出力；正常蓄水位2233.00m，引用流量为114.6m3/s，超出力引用流量为126.06m3/s；汛期限制水位2228.00m，引用流量为114.6m3/s，无超出力。计算工况按表3确定。

表3 计算工况

2.3 采用河水天然含沙量沉沙池复核结果

沉沙标准分别按0.3mm(原方案)、0.1mm(比较方案一)和0.05mm(比较方案二)进行验算。

验算结果表明，当沉沙标准为0.3mm时，需要2条沉沙池，池长185m，断面尺寸W×H=14m×12m=168m2时，满足沉沙率大于80%的沉沙要求。入池前含沙量为180g/m3，经过沉沙池后含沙量为158g/m3，其中大于0.3mm粒径含沙量约为4g/m3。

沉沙标准提高到0.1mm时，要满足沉沙率大于80%的要求，则需要4条沉沙池，池长185m，断面尺寸W×H=16m×18m=288m2。入池前含沙量为180g/m3，经过沉沙池后含沙量为146g/m3，其中大于0.1mm粒径含沙量约为8g/m3。

沉沙标准提高到0.05mm时，要满足沉沙率大于80%的要求，则需要4条沉沙池，池长540m，断面尺寸W×H=18m×21m=378m2。入池前含沙量为180g/m3，经过沉沙池后含沙量为134g/m3，其中大于0.05mm粒径含沙量约为11g/m3。

不同沉沙标准的沉沙池工程量对比情况见表4。

表4 不同沉沙标准的沉沙池工程量对比

根据表4分析，如果将沉沙标准从0.3mm提高到0.1mm或0.05mm，沉沙池的工程量将增加，相应投资也将大幅度增加，比较方案一是原方案的2.2倍，比较方案二是原方案的6.2倍。

2.4 水库运行调度后沉沙池复核结果

水库运行前20年，水库库区泥沙沉降效率较大，取水口含沙量与水库运行年限差别不大；水库运行20年左右时，取水口处年平均含沙量约为55g/m3。取水口颗粒级配采用水库运行20年的级配(见表5)。

表5 考虑水库沉沙后取水口泥沙含量及颗粒级配

考虑水库沉沙后，根据取水口水的含沙量和颗粒级配，分别用比较方案一和比较方案二的沉沙池长度和断面尺寸进行沉沙效率验算。

(1)当电站引水经过沉沙池比较方案一(即沉沙粒径0.1mm的沉沙池，沉沙池长度185m，断面尺寸W×H=16m×18m)后，入沉沙池和出沉沙池的各级配含沙量见表6。

表6 出入沉沙池泥沙含量及颗粒级配对比

从表6可以看出，当考虑水库沉沙，电站引水经过沉沙池比较方案一出池后总的含沙量变化较大，每方水多沉了11g左右，即出沉沙池含沙量相比进水口少了11%的沙，且粒径小于0.05mm的沙占比较大。沉沙池沉沙效果较明显。

(2)当电站引水经过沉沙池比较方案二(即沉沙粒径0.05mm的沉沙池，沉沙池长度540m，断面尺寸W×H=18m×21m)后，入沉沙池和出沉沙池的各级配含沙量见表7。

表7 出入沉沙池泥沙含量及颗粒级配对比

从表7可以看出，当考虑水库沉沙，电站引水经过沉沙池比较方案二出池后总的含沙量变化不大，每方水只多沉了约13.5g左右，即出沉沙池含沙量相比进水口少了13.5%的沙。

3 结论

(1)拉托科玛水电站为冲击式水轮机组，额定水头890m，已超出相关规范范围，原方案中沉沙池规模按沉沙粒径0.3mm设置，这个标准显然太低，不能够满足拉托科玛水电站水轮机过机含沙量的要求。

(2)如果将沉沙粒径提高到0.1mm或0.05mm，则沉沙池长度、断面尺寸将增加。比较方案一在经济投资上增大较少的情况下沉沙池效果与比较方案二相差不大，故采取比较方案一从经济和沉沙效果上是较合理的。