高泥沙河流径流式水电站汛期避沙运行技术及措施

张应超，周伟鹏

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450000）

1 概述

库区放水冲砂、水轮机磨蚀、年度发电目标，对于多泥沙河流径流式水电站是相互关联的矛盾。汛期洪水推送大量推移质涌入库区，通过引水渠进入引水发电系统，当水轮机的水流泥沙含量较高，对机组的水轮机过流部位，尤其是转轮将会造成严重磨蚀；对技术供水系统也会产生安全隐患，其中阀门、减压阀等均在高泥沙水环境下运行，可能导致阀门穿孔外泄甚至管路弯头处磨穿。随着库区泥沙的不断淤积引水含沙量不断增加，不仅影响发电效益、加速机组过流部件磨损，甚至会造成泄洪闸门无法正常开启，影响水轮机的稳定运行的同时，也会对大坝安全渡汛带来安全隐患。因此，需要找上述关联矛盾的平衡点和最佳合理点。

本文依托尼泊尔上马相迪A 水电站多年运行经验进行探索，采用现场定期与不定期监测，运用统计分析方法，比对机组的过流泥沙情况，提出一整套冲沙闸合理排泄、沉砂池引水渠清理、避开特定时段发电等运行技术及实施措施，有效减少泥沙淤积、机组过流泥沙含量，保障汛期电站的安全运行及发电指标。

上马相迪A 水电站位于尼泊尔西部甘达基地区马相迪河的上游河段，是一座以发电为主的径流引水式水电枢纽工程。电站单机25 MW，总装机容量50 MW。水库总的库容60.8 万m3，库沙比0.06，水库泥沙问题较严重，死库容44.6 万m3，有效库容7.6 万m3，基本没有调节的能力。站址距首都加德满都约180 km，坝、厂址距Besishahar 镇分别为13 km 和8 km。上马相迪A 水电站设计汛期平均含沙量为2.49 kg/m3，设计过机水含沙量1.494 kg/m3，枢纽建筑物包括拦河闸坝、引水渠、沉沙池、引水隧洞、调压井、压力管道、地面发电厂房、开关站及送出工程等。泄水闸坝坝址位于马相迪河和纳雅迪河汇合处下游约100 m 处。泄水闸布置在河道中央，泄水闸共3 孔，单孔宽12 m。冲沙闸设在泄水闸左侧，冲沙闸孔口宽度为4 m。引水系统布置在左岸，由引水渠、沉砂池、暗涵快速闸、隧洞、调压井、竖井及压力管道等建筑物组成，见图1。发电厂房位于库区下游约5 km 处。2017 年1 月1 日2 台机全面正式投入商业运行，进入运营期以来，针对推移质泥沙对闸坝泄水建筑物的冲蚀破坏问题，根据不同部位冲蚀特点采用钢轨、环氧细石砼、C60 钢纤维砼、NE抗冲击型复合环氧沙浆作为抗冲耐磨层，并持续探索更加合适的抗冲耐磨修复工艺，尽量延长闸坝泄水建筑物过流面修复周期。

图1 库区水工建筑物分布图

尼泊尔上马相迪A 水电站机组在2018 年汛后机组过流部件检查，发现转轮叶片磨损严重，存在贯穿延展性裂纹，于2019 年年初对机组转轮、导水机构、止漏环等部件进行更换，并采取了碳化邬表面喷涂工艺，提升过流部件耐磨性能，2021 年遭受马相迪河流域5 年一遇洪水，检测到来水最大含沙量达27.35 kg/m3，河道高含沙量洪水倒灌入尾水渠内，经尾水管与375 r/min 额定转速下运行的转动部位共同作用，导致过流部件及座环、尾水管等埋件磨损严重，现已进行修复，运行状态良好，机组出力正常。

2 泥沙参数分析

尼泊尔上马相迪河流域含沙量达到2 kg/m3。通过岩性分析，河流来沙中矿物组成主要包括石英、钾长石、斜长石、白云石、角闪石、方解石和云母，以及少量的黏土矿物。其中占比最大的是石英，平均占比达1/3，硬度大于5 的矿物平均占比约为70%，来沙硬度总体偏大。岩性分析结果见表1。

表1 淤积泥沙岩性分析

3 排淤与避沙措施原理

（1）将水库用作第一阶梯沉沙池使用，短时消力与沉淀作用，可减小水中的含沙量，采取降低库区的水位措施或对库区进行排水放空，小流量持续性冲刷带走沉淀的泥沙，将淤积于库底的沉淀物及时冲排，实现可持续降沙与排沙。

（2）收集库底沉淀物，主要是泥沙，采取休止角测定方法测定沉淀物休止角，结合大坝建筑物结构尺寸特点，测定计算闸前允许的最高沉淀高度，同时研究引水渠内流速及上游入库来水流量、库底沉淀高程共计3 个排沙指标，更准确掌控确定排沙频次与时机，实现高效沉沙与排沙。

4 库区排淤技术措施

4.1 排淤指标

库区排沙运行参照定期冲洗式沉沙池运行方式，为最大程度利用库区作为一级沉沙运行设施，摸索出以下排沙时机指标。

（1）机组50 MW 满负荷运行条件下，水库至沉砂池引水渠道设计过流量为50 m3/s，为矩形规则断面，宽8 m，发电时水深6 m，由此可计算得到正常发电时引水渠内流速1.04 m/s，通过流速测量仪测量库区引水渠进水口前断面流速，计算平均流水接近1.0 m/s 时，表明库区泥沙淤积至最高位，库区泥沙淤积饱和，库区来水泥沙含量接近引水渠内水泥沙含量，此时作为库区定期敞泄排沙的重要节点，对保障坝区安全和泥沙沉积效率均具有重要意义。在以250 m3/s 作为计算入库流量，经过对坝前断面淤积高程与断面平均流速进行计算确定，当库上游断面沉淀物顶面高程接近898 m 高程时，库区上游断面的流速与引水渠的流速接近。由此可以将坝前沉淀物顶面高程接近898 m 时作为库区排瘀的决策条件。

（2）从河道内取沉淀物中含量最多的泥沙样品，休止角测定方法测得水下休止角34.2°，综合库内水流影响，选择库区内动水下沉淀物水下休止角30°，计算得到闸前允许沉淀物最高为897.75 m。坝前断面最大沉淀物顶面高处达897 m 时作为库区排瘀的决策条件，此条件覆盖上述898 m 决策指标，定期通过水上测量船进行库区水下泥沙淤积形状、高程指标动态测量监控，必要时可进行提前排瘀。

（3）结合电站4 年多以来的水文泥沙实测数值，统计得到了水中含沙量与库区淤积沉淀量间的关系趋势，库内沉淀量急剧增加发生在洪水量大、含沙量高的时段，与上游的河道勘察数据分析一致，沉淀物中主要是泥沙，来自上游河道周边的大量推移质，洪水流量越大，推移质随之增加，由此，来水量较大，且水中含沙量高时应停机避峰，同步开展库内淤积监测。实测数据表明，来水量大于250 m3/s、水中沙含量大于3.74 kg/m3时可考虑避峰泄水排沙。

4.2 库区排淤方法步骤

小库容径流式水电站，库水排、蓄时间短，按照此类特点，选择在低水位上利用来水进行冲刷排瘀成本低，效率高，效果好。为了探索更好的排瘀水位，在试验过程设置3 种降水位指标进行对照，以便选用最佳水位，按照坝区高程结构，坝前蓄水高处选择901.25 m、900.25 m、坝区放空状态。对照组每次以库区沉淀物高程达到897 m，来水量接近250 m3/s 时进行下排，不同水位情况下测得平均引水渠中水含沙量如表2。显然，水位越低，引水渠中水含沙量越小，放空状态与正常发电水位时引水渠中水含沙量减少0.529 kg/m3。采取降低水位排除淤积，能够有效减小发电用水的含沙量。总之达到一定指标后，库区来水情况正常情况下，若发电用水含沙量过高，对库区进行放空排沙方式最高效。按照大坝设计，大坝左岸设置了专门的冲沙泄水弧门，汛期处于全天24 h 开启状态，布置的另外三孔泄水弧门，根据具体来水量进行动态调度，以维持库区水位稳定。

表2 不同水位调度引水渠中水含沙量

汛期坝区进行定期安全监测，库内沉淀淤积情况采取每周1 次近坝库内水下地形测量，坝前断面最大沉淀物顶面高处达897 m 时作为库区排瘀的决策条件；或库上游来水量共计达5 年一遇洪水时；或2 台机组满负荷出力运行下，测得引水渠初始断面平均流速达1.0 m/s 时，均应决策进行库区放空排瘀，每次放空约6 h。

（1）日常库区清淤闸门调度操作步骤如下：

来水量较大的雨季，按照至少1 次/d（全关的闸门）闸前淤积泥沙深度（测点高程887.75 m）。泄水闸及冲沙闸排沙运行方式与泄洪及下游消能防冲统筹考虑，排沙时应根据上游来水量及泥沙淤积深度开启泄水闸或冲沙闸，开度控制应使上游保持在正常蓄水位。

1）为了确保闸门安全启闭，弧门前沉淀物总深按不大于4 m 管控，以防沉淀物过多导致泥沙推移至弧门高处，形成挤压导致弧门所需启闭力过大，闸门启闭受阻将危害大坝运行安全。

2）库区上游总来水量过小时，保持冲沙闸一定开度的前提下，按照定期轮换的机制，3 孔泄水弧门1 次/周轮替切换开启,时长视具体来水情况而定，保证弧门前泥沙轮替冲刷下排。

3）弧门前沉淀物深度不足2 m 时，按照闸门轮替开启泄水的方式进行泥沙下排即可。

4）弧门前沉淀物深度大于2 m，但小于4 m 时，来水量充足情况下可全部小开度进行冲刷排瘀；若来水量不满足的情况，可按照先冲刷泥沙淤积多的弧门进行泄水排沙，依次完成冲刷。

5）弧门前沉淀物深度大于4 m 时，可采取短时间开启弧门，可不惜降低机组出力或降低蓄水水位进行排水冲刷弧门前淤积泥；若效果不佳，可对进行进行停机，按照库区放空排沙方式进行进一步冲刷弧门前淤积泥沙，以此保证闸门启闭安全。

（2）库区放空排沙闸门调度操作步骤如下：

1）因电站左岸库区翼墙缺陷问题，所以按照冲沙泄水闸5 m 开度→3 号泄水弧门1.5 m 开度→1号泄水弧门1.5 m 开度→2 号泄水弧门1.5 m 开度。

2）当来水量逐渐升高，按照逐个增加泄水弧门开度对应增加下泻流量，按照3 号→2 号→1 号泄水闸顺序逐级开闸，每孔弧门开启每级开度不得大于1.0 m。

3）因电站左岸库区翼墙缺陷问题，库区放空排水后，应根据具体来水量情况，调整1 号泄水弧门开度，减小1 号弧门侧开度，同时进行小开度小流量冲刷，防止淤积的泥沙堵住弧门，又降低库区上游左岸翼墙变形量。

4）放空后初期利用3 号弧门、2 号弧门泄水通道将库区内淤积泥沙排完，根据剩余泥沙的分布位置调度1 号泄水闸开度进行彻底清排，并将1 号弧门前的淤积泥沙冲刷赶紧后，重新调度弧门开度，库区逐步蓄水。

5）库区蓄水时弧门启闭调度顺序与上述放空过程弧门调度顺序相反。

6）为确保库区边坡稳定性，水库放空时，水位下降速度控制不大于5 m/h。并注意观察库岸边坡稳定情况。

7）水库蓄水时，库水位在895 m 以上时，水位上升速度控制不大于10 m/h。同样注意观察库岸边坡稳定情况。

5 引水渠排淤技术措施

5.1 排淤时机

按照条渠沉沙池排沙设计要求，以电站机组停机，库区敞泄排沙为排沙时机，同步利用暗涵内水锤反水及合理调度闸门开、关顺序，对引水渠内的淤积泥沙进行小流量冲洗，通过排沙廊道将淤积泥沙排至下游河道。

5.2 引水渠排淤方法步骤

（1）引水渠淤积泥沙反冲处理结合水库敞泄过程进行。首先关闭引水渠工作门，待水库水位低于引水渠进口底高程896 m 后，开启引水渠工作门至0.5 m,利用引水渠工作门之后的水量对引水渠内淤积泥沙进行反冲处理。

（2）水库开始蓄水后，关闭引水渠工作闸。当坝前水位接近引水渠进口底高程896.0 m 时，调整泄水闸门开度维持坝前水位896.3 m 左右，将引水渠工作闸门前泥沙通过排沙漏斗排除。

（3）水库蓄水过程中，当水位漫过排沙漏斗悬板高程900.9 m 后，控制库水位不超过901.3 m，通过悬板对引水隧洞充水。

（4）待引水隧洞达到充水平衡后，根据引水渠淤积泥沙反冲处理效果和调度批准的停机时间，现场确定是否需要对引水渠淤积泥沙进行二次反冲处理，如果需要则参照上述处理步骤进行，如果不需要则水库继续蓄水至正常蓄水位。

6 机组避沙运行措施

结合以上库区、引水渠排淤时机的监测控制方法，通过采取对多年汛期高频次泥沙含量检测数据进行统计分析，暗涵引水含沙量在3.5 kg/m3以上次数约为7 次/年；暗涵引水含沙量在6.0 kg/m3以上次数约为2 次/年，虽然频次不高，但对机组及厂房水系统过流部件磨损量大，在经过对快速水含沙量检测方法（布氏漏斗法）进行实践验证与精度对比，确认其有效性后，明确如下机组避沙运行措施：

（1）汛期每天进行1 次引水含沙量快速检测，当暗涵引水含沙量超过3.5 kg/m3时，考虑申请调度进行停机避沙，并加密监测引水含沙量。

（2）当暗涵引水含沙量超6.0 kg/m3果断申请调度停机避沙。

（3）结合库区水下地形检测（坝前20 m 断面泥沙淤积深度达到898 m）、引水渠水流速（平均流速达到1.0 m/s）及来水量大小指标（来水达到5 年一遇洪水1 180 m3/s）时，果断申请调度停机，对库区及引水渠进行排瘀，降低发电用水中泥沙含量。

7 结语

根据实测水文泥沙数据，汛期引水含沙量相对入库含沙量的减小率逐步提高后稳定，2017 年刚投运年为28%、2018 年30%、2019 年为33%后稳定。从以上减沙成效来看，此套方法减沙成效有限，接下来只能将关注点放在避沙措施。

对于多泥沙河流上的水电站，制定合理有效的减沙避沙措施对电站机组、水系统过流部件乃至整个大坝、电站安全稳定运行十分重要。必要情况下可持续开展勘察，改进引水布置等措施，进一步提高电站运行发电过程减沙避沙效能，并有效提升多泥沙河流中径流式水电站减沙避沙方面的原始设计冗余度。

参考文献：

[1] 国家质量技术监督局．大中型水电站水库调度规范：GB 17621-1998[S]．