罗明清,李 荣,王党伟

(1.中国电建集团海外投资有限公司，北京 100048;2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051;3.中国水利水电科学研究院，北京 100048)

0 引言

施工期泥沙淤积可能导致闸门门槽和梁格淤满，甚至无法正常起升，须进行水下作业清除淤堵泥沙，处理难度大，费用高，影响电站直线工期甚至发电效益，情况严重时可导致闸门卡死，被迫采用爆破等非常规手段，对工程安全造成影响。目前国内有电站采用翻板闸门、闸门加排沙管及高压水泵等减少淤积的方式，但未能从根本上解决问题。以泥沙输移规律为基础，开展数值模拟、工程措施和调度方式研究，着眼于闸门结构改进，研发一种水电站施工期闸门专用的防泥沙装置，通过对闸门门顶、节间和梁格进行封闭式挡沙，并在门叶内适当填充塑料泡沫保持原设计的闸门启闭力不变，提出了梯级电站建设期泥沙综合解决方案，目前国内类似研究成果很少。

1 项目简介

南欧江流域是湄公河左岸老挝境内较大支流，南欧江梯级水电站是中资公司首次在老挝境内获得整条流域开发权的项目，采用BOT 模式按“一库七级”分两期开发，总装机容量为1272 MW。一期工程包括二级、五级和六级水电站，总装机540 MW，已于2017 年1 月投入运营。二期工程包括一级、三级、四级和七级水电站，总装机容量为732 MW，已于2021 年9 月全部投产发电。南欧江一期工程施工期间，由于工程开挖、围堰清除和河流自身的泥沙含量等因素导致泥沙淤积严重，尤其是闸门泥沙淤积问题突出。鉴于南欧江二期工程在施工期间需挡水的闸门包括进水口和尾水闸门共有22扇之多，为避免出现一期工程淤堵问题，开展了梯级电站泥沙综合治理研究。

2 泥沙淤积形态和淤积规律分析

2.1 泥沙

南欧江流域径流年内分配不均，5 月～10 月约占全年降水的85%，11 月～4 月约占年降水的15%。流域植被良好，水土流失不严重，泥沙主要发生在汛期。河流具有山区河流特性，河谷深切，河道及两岸坡度较陡，平均坡度约为2.5‰。水文资料缺乏，干流只有孟威一个水文站，根据孟威站泥沙测验成果，通过水沙相关分析插补延长得到水文站多年平均输沙模数为250 t/(km2·a)，坝址多年平均悬移质沙量为554 万t，含沙量为0.342 kg/m3。

按照防洪设计标准，闸门安装期间南欧江一级电站采用50 年一遇洪水，相应流量Q=11600 m3/s;三级电站采用50 年一遇洪水，相应流量Q=9480 m3/s;南欧江四级电站采用度汛最大流量Q=7720 m3/s;七级电站度汛洪水标准为P=1%，相应设计流量Q=3290 m3/s。

2.2 淤积形态分布研究

依据流体力学分析和数模计算，研究坝区及上下游段泥沙淤积形态及分布规律，确定需要重点防范泥沙淤积的部位见图1。南欧江水体含沙相对较低，但汛期流量大，来沙量依然较大，尤其是受到围堰拆除等施工影响，水体中含沙量会有显著增加。施工期取水口闸门和尾水闸门都需要关闭1 年左右的时间，综合考虑可能出现不利的情形，提出了主要研究长时段水沙过程和典型洪水过程两种入口水沙条件。长时段模拟时长为1 年，水沙值采用多年平均值;典型洪水取施工过程中设计最大洪水，模拟时长为1 天。建立泥沙淤积数学模型，研究不同水沙条件下水流流态、泥沙淤积形态和淤积量，分析泥沙淤积对闸门正常运行的影响。计算表明，在施工期设计洪水和典型年水沙条件下，七级电站的进水口不会过水，尾水口平台处于水下，进水口和尾水出口附近流速不大，但流态较为复杂，围堰拆除后闸门附近都有较大的回流区域。南欧江一级、三级和四级电站的进水口平台和尾水口平台均能过水，泥沙淤积厚度较大，尤其是三级和四级电站尾水平台淤积厚度可达2 m 以上，因此有必要采取综合泥沙防治措施。

图1 典型洪水条件下冲淤分布

3 拦排沙工程措施研究

对上游横向围堰进行改造挡沙或新建拦沙坝，与泄洪冲沙闸和冲沙底孔等共同形成系统的拦排沙工程。七级电站位于梯级电站最上游，且库沙比大，施工期泥沙问题不突出，将重点研究一级、三级和四级电站拦排沙工程措施。

3.1 拦沙坝方案研究

综合考虑30 年天然淤沙高程和截流难度，通过水工模型试验进行拦沙坝顶高程的敏感性试验，将顶部最大流速控制一定范围内，确定合理的围堰拆除高程，解决抗冲刷问题。按照拦沙坝流速分布的不同，将改造工程措施分成三个部位，即上游面、顶部和下游面，上游面采用大块石护坡;坝顶流速最大，采用钢筋砼面板防护;过了坝顶过水断面变大后流速变小，采用挂网喷砼防护;为了解决砼与堰体交界层面结合问题，采取特殊施工工艺和注浆工艺的锚筋桩，利用钢管代替锚筋以保证成孔，避免浆液大量流失且保证浆液完全包裹锚筋桩。

四级电站30 年天然淤沙高程为367.3 m，经水工模型试验论证，将二期上游横向围堰与坝上游纵向围堰仅拆除顶部至368.00 m 高程[1]，加以改造形成一个大的拦沙坝，封闭围护厂房进水口及两孔泄洪闸坝段进行挡沙，同时配套左岸的5孔12 m×18 m 泄洪闸泄水冲沙，形成可靠的拦沙冲沙系统。

三级电站30 年天然淤沙高程为339.9 m，经水工模型试验论证，将二期上游横向围堰和上游纵向围堰拆除至EL.340.00 m 高程[2]，加以改造形成拦沙坝，见图2，与3 m×5 m冲沙底孔和右岸3 孔13 m×20 m 泄洪闸泄水冲沙共同形成拦沙冲沙系统。

图2 拦沙坝典型剖面(三级电站)

一级电站30 年天然淤沙高程为294 m，采用新建挡沙建筑物的方式，坝顶高程294 m[3]，与厂房进口段边墩和 11#闸孔右边墩椭圆弧平顺连接，封闭围护厂房进水口进行挡沙，与泄洪冲砂共同形成可靠的拦沙冲沙系统。

鉴于二期围堰在挡水工况下已通过稳定计算，改造为拦沙建筑物后，上下游水压力平衡，仅受淤沙压力，比起挡水工况其水平总荷载大幅减小，且随着高度减小，其顶部宽度也随之增加，受力条件进一步优化，故未对拦沙坝进行专门的稳定分析。

3.2 拦沙坝在防泥沙淤堵方面的作用

修建拦沙坝后会改变局部水流和泥沙运动，降低大洪水条件下进水口流速，减少进水口处的回流范围和强度，但是对尾水口处的流态基本没有影响。相对于修建拦沙坝之前，在施工期设计洪水和典型年水沙条件下，一级电站进水口平台淤积厚度大幅减小，三级和四级电站进水口平台淤积有所增加，见表1。其原因在于拦沙坝有拦截推移质和部分悬移质的减淤作用，但施工期坝前水位较低，拦沙坝大幅减小了过水面积，加大了坝前局部流速，使得悬移质泥沙更容易达到坝前，施工期设计洪水时泥沙越过拦沙坝，导致进水口平台增淤。拦沙坝对泥沙冲淤的两种作用迭加，导致不同电站进水口的冲淤表现出不同的变化。当电站蓄水运营后，坝前水深大幅增加，过水面积大幅增加，拦沙坝对坝前流速影响基本可以忽略，对水流悬沙浓度影响较小，此时拦沙坝对进水口的拦沙和减沙作用将正常发挥。

表1 拦沙坝对泥沙冲淤的影响

4 研发闸门防泥沙装置

研发了水工结构专用防泥沙装置，通过对闸门门顶、节间和梁格进行封闭式挡沙，并通过浮力计算，在适当梁格填充泡沫塑料，使启闭设备容量不变，实现防沙装置的安全、合理及经济可行。

4.1 闸门门叶顶部防沙罩装置研发

根据闸门结构尺寸和门槽支承结构，防沙罩为钢板焊接的单面开口的箱型结构，能将门叶顶部全部罩住;防沙罩内外侧设定位装置、主支承、反向支承和侧导向，满足防沙罩在门槽内运行时的整体导向及与罩体接近闸门时的基准对中要求;防沙罩的整个顶面设计为斜面，斜面倾向泥沙淤积侧，且罩体倾角与泥沙内摩擦角相近，使防沙罩顶面避免泥沙的垂直压力，降低结构件钢板厚度，同时使泥沙淤积在闸门门叶顶部不易堆积板结，并在提升防沙罩时淤积泥沙按倾角向外侧倾卸排沙，减少启闭力。见图3。

图3 闸门顶部防沙罩示意图

4.2 闸门节间防沙装置研发

叠梁闸门在上节门叶提升后应能有效防止泥沙对下节闸门吊耳、对中装置的影响，在解决闸门节间泥沙淤积问题的同时，不影响闸门正常挡水和操作启闭。采用上节主梁的后翼板和上节门叶的左右边梁后翼板上开螺孔，用螺栓连接内侧设计有加强梁的节间防沙挡板封闭;节间防沙挡板下端采用开放式设计，挡板下端的钢板向下延伸超过下节主梁后翼板并向外折弯形成开口缝，同时满足泥沙内摩擦角。节间防沙挡板内侧设加强梁和筋板，加强梁通过撑杆焊接在上节闸门的主梁隔板上，满足大尺寸的节间防沙挡板强度。见图4。

图4 闸门节间防泥沙示意图

4.3 闸门梁格防沙装置研发

因闸门孔口尺寸较大，梁格淤堵最易板结，也最难于排除，因此梁格防泥沙是防淤堵最关键的环节。防沙挡板上侧和左右侧三面固定，满足结构强度要求，同时进行封闭。下端通过钢板延伸和折弯，形成防沙挡板与下主梁后翼板间的开口缝，并在水平面遮挡延伸下主梁后翼板上缘，在闸门挡水时延伸部分钢结构能有效阻止泥沙和杂物进入闸门梁格，而水体则通过防沙挡板与下主梁后翼板间的开口缝进入梁格，达到闸门梁格防泥沙和闸门结构水力平衡效果。在闸门向上提升时，与泥沙内摩擦角接近的折弯段的水平尺寸对板结泥沙进行顺泥沙内摩擦角进行切割和倾斜下卸，同时，闸门梁格内的水体通过开口缝向下排水，并冲击闸门泥沙淤积。见图5。

图5 闸门梁格防泥沙示意图

研发提出上层梁格填塞泡沫塑料，下层梁格按照防沙挡板的组合方案，既能提高启闭力[4-5]富裕，有利于提门时克服泥沙粘结力，又有利于挡水稳定，保证了止水防沙效果。为防止泡沫塑料飘走，填塞后用钢板网加以固定。

4.4 连接闸门钢丝绳制作研发

在防沙顶罩下放至与闸门顶对接后，钢丝绳一端与防沙顶罩连接，另一端固定于闸门顶部平台上。临时防泥沙装置完成其功能，需要将防沙顶罩提出孔口时用闸门顶部平台上的门式启闭机连接钢丝绳启吊。钢丝绳两端制成连接吊环，钢丝绳中部按启闭机轨上扬高尺寸制成分段含有起吊环和锁定环的结构，其操作方式近似于拉杆装置。见图6。

图6 闸门钢丝绳制作示意图

5 泥沙淤积观测及泥沙调度运行方式研究

5.1 泥沙淤积观测

鉴于南欧江流域泥沙监测数据匮乏，对投入防泥沙装置的闸门，开展泥沙淤积监测，观测数据显示:一、三、四级闸门泥沙淤积情况不严重。一期工程一期投产运行后对在建的二期电站提供了较好的减淤条件;一期项目建设过程中恰逢大洪水，闸门淤积问题严重，但二期工程建设期恰遇较严重的枯水年份，模型预测的水沙条件包含了设计洪水标准这种极端水沙条件，因此实际淤积厚度小于预测的淤积厚度是合理的。虽然实测施工期泥沙淤积厚度较小，但闸门防泥沙装置依然为施工期闸门正常启闭提供了安全保障，确保了二期不再出现施工期泥沙淤堵问题。

5.2 泥沙调度运行方式研究

结合梯级电站的泥沙调度实际需要，以电站“门前清”为取水防沙调度目标，开展泥沙调度运行方式研究[6]，通过合理运用泄洪建筑物、调度闸门，确定合理的冲沙时机和时长，保障梯级电站泥沙调度安全。一、三、四级电站调节性能较差，防洪任务主要是枢纽自身防洪安全，汛期基本维持在正常蓄水位附近运行。当来流量达到设计洪水或者校核洪水时，应及时全部开启泄洪冲沙闸，确保上游水位不超过校核洪水位。汛期当入库流量较大，水头低于机组最小安全发电水头时，机组停机不发电，泄洪建筑物敞泄进行泄洪冲沙，以尽快宣泄洪水。根据坝前的淤积情况，汛期必要时电站要短时敞泄冲沙，有利于降低取水口前的泥沙淤积。随着流域电站群蓄水运行，以及水文气象、生态环境的变化，河道冲淤和泥沙问题继续演变，将继续加强泥沙监测，结合工程实际情况，进一步细化和完善泥沙调度运行方案。

6 经济和社会效益

通过综合研究施工期防沙和枢纽拦排沙问题，减少了围堰拆除和弃渣工程量，降低了拆除施工难度，减少了闸门泥沙淤积，降低了清淤费用损失，提高了防洪安全保障，改善了机组运行条件，降低了运行维修成本，共产生经济效益约716.12 万元。实现了闸门如期顺利开启，与修筑尾水围堰比较，减少因为淤积造成的停机和清淤时间损失，节约6 个月工期，对于保证工程进度效益作用显著，且大幅提高了发电保证率。施工期泥沙问题的解决，有利于河流生态环境治理，有利于提高下游居民的防洪安全保障，具有较好的经济和社会效益。

7 结语

南欧江梯级水电站是中资公司首次在老挝境内获得整条流域开发权的项目，项目建立了泥沙淤积数学模型，揭示泥沙淤积分布规律，确定泥沙防淤积重点部位;结合上游横向围堰进行改造挡沙或新建拦沙建筑物，与泄洪冲沙闸和冲沙底孔等，共同形成系统的拦排沙工程技术措施;开展闸门防淤堵技术体系研发，实现既能挡沙、排沙，又能正常进水、排水;鉴于流域泥沙监测数据匮乏，开展项目泥沙淤积观测，提出泥沙调度运行方式等。研究成果满足了工程实际运行要求，避免了闸门淤沙板结问题，为二期工程顺利投产发挥了作用。进一步完善了水电站建设和开发技术，也是推动中国标准、技术、设备走出去，落实全产业链一体化战略的生动实践，可为类似工程提供借鉴和参考。