新疆某水电站泥沙处理方案研究

2015-10-23李伟

水利规划与设计 2015年7期

李伟

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000)

某水电站工程于2008年初投入运行至2009年，电站压力前池夏季和冬季的排砂及排冰不畅，造成前池淤积和封冻、机组过流部件存在一定程度磨蚀，影响电站正常效益的发挥。为保证电站正常效益的发挥需新增工程措施解决泥沙及冰凌问题。

1 工程概况

新疆某水电站工程，是其河段规划开发七个梯级中的第三个梯级。电站装机容量49MW，电站工程等别为Ⅳ等小(1)型。电站设计引用流量75m3/s，电站额定水头73.5m，保证出力13.8MW，年发电量2.739亿KW·h，年利用小时数5590h，装有2台单机容量24.5MW混流式水轮发电机组。

该水电站工程由引水渠、压力前池、侧堰、泄水槽、排冰闸、压力钢管、电站厂房、尾水渠、渠系交叉建筑物等组成。引水渠长6.79km，压力前池布置于山前倾斜平原，压力前池承接引渠来水，后接压力钢管，在其左侧布置侧堰。为排除压力钢管进口处的淤积泥沙，在压力前池设置冲沙洞，定期排除前池内的泥沙。厂房与压力前池布置于一直线，压力钢管与厂房轴线垂直。电站尾水通过尾水渠退回到河道东岸总干渠，尾水渠长3.66km。

2 工程存在的问题

该水电站两台机组分别于2008年3、4月投入运行。2008年6月，在电站前池拦污栅完全淤堵停机停水期间，发现前池积沙较多问题。

2008年8月，2号机组因主轴密封漏水停机，对机组进行蜗壳内水下部分检查时发现水轮机转轮出现严重磨蚀，转轮上冠和顶盖间隙已达3.6mm、转轮下环和底环间隙最大达到21mm(设计值为1.1～1.4mm)，部分固定导叶中部出现深约5mm撞击痕迹。

该工程泥沙淤积状况见图1、图2。

图1 前池淤积现状

图2 事故检修门后淤积现状

3 泥沙处理措施必要性及方案比选

3.1 淤沙情况调查分析及修建沉沙设施必要性

在总干渠渠首退水闸以及4+000m处2个地点进行了淤积物取样，淤积物颗分成果见表1、图3。淤积物中值粒径为0.13mm，其中大于0.25mm的泥沙占16.85%，超过原设计值。因取样时渠道已经进行十余天冲沙，渠道淤积物主要为小于5mm的粉细砂，卵砾石已不多见，从前池淤积照片看，泥沙推移质较多，最大粒径达10cm。

表1 总干渠渠道淤积物颗粒级配成果表

图3 总干渠渠道淤积物颗粒级配曲线图

根据总干渠淤积物颗粒级配资料，平均d50=0.13mm;粒径大于0.075mm的泥沙约占83%。说明渠道淤积物主要由引入的推移质和悬移质中的较粗颗粒泥沙组成。

通过对渠道、前池及机组流道的检查表明:目前总干渠、引水渠以及电站前池泥沙淤积严重，淤积物主要来源于进入引水枢纽枢纽渠首的推移质和悬移质中的较粗颗粒组成。

该工程现状压力前池的排沙和排冰措施均不能有效处理入池泥沙和冰凌，造成前池的淤积及封冻，不能正常引水发电。为保证电站能按原设计发挥效益，应考虑在引水枢纽至电站压力前池间布置二级沉砂设施。所以在引水枢纽渠首段下游布置二级沉沙池是有必要的。

3.2 泥沙处理措施方案比选

针对该水电站工程特点，工程防沙排沙的原则是:充分利用引水枢纽的拦沙排沙功能，推移质基本不进入总干渠，根据进入渠道的泥沙含量及颗粒级配分析，在总干渠增设二次泥沙处理设施，把进入渠道的推移质及大颗粒悬移质泥沙拦截排除。

因总干渠渠首退水闸和总干渠4+000取样实测的颗分结果与引水枢纽水文站实测泥沙颗分存在差异，所以排沙方案的设计以水文站泥沙资料为基础设计，同时兼顾总干渠实测的颗分结果。结合工程现状，根据现场地形，在总干渠沿线选取距天然河道较近处布设沉沙排沙建筑物。

结合本工程现状、工程地形等条件，初步选择了条渠型沉沙池方案、涡环流排沙方案、圆中环沉砂池方案、厢式周期性冲洗池方案，进行研究分析比较。

3.2.1 条渠型沉沙池方案

条渠型沉沙池建筑物结构较为简单，不受河水影响，主要是防渗处理及运行过程中的人为清淤问题。

根据《水利水电工程沉沙池设计规范》(SL269-2001)要求，该电站过机设计最小沉降粒径为0.35mm，大于等于最小沉降粒径的泥沙沉降率为80～85%。由此拟定了三个沉沙规模进行比较，其计算成果见表2。通过上表分析，方案三即可满足规范要求。

表2 条形沉沙池方案计算成果

3.2.2 涡环流排沙方案

“涡环流排沙”建筑物是一种新型的高效节水泥沙处理设施(以下简称为“旋池”)，“旋池”进水渠与总干渠轴线夹角为0°，从总干渠引水至“旋池”后，洪水期发电用水经“旋池”侧堰及汇流渠道将发电用水引入下游渠道，泥沙经“旋池”底部排沙廊道排入天然河道;非洪水期发电用水通过进水闸及汇水渠接入下游渠道。

“旋池”主要由进水渠及进水闸、进水涵洞、斜悬板、稳流桶、“旋池”室、排沙廊道、汇水渠等组成。需经物理模型确定有关尺度，涡环流排沙建筑物布置如图4所示。

图4 涡环流排沙建筑物布置图

圆中环沉砂池在其直径不同时排沙粒径范围有所不同，由此拟定了三个沉砂规模进行比较，其计算成果如表3。

表3 园中环沉沙池方案计算成果

3.2.3 圆中环沉砂池方案

“圆中环”沉沙池轴线与总干渠轴线夹角为0°，从总干渠引水至“圆中环”沉沙池，洪水期发电用水经“圆中环”溢流侧堰及周边汇流渠道将发电用水引入下游渠道，泥沙由排沙廊道排入天然河道，沉砂池冲洗时部分发电用水通过“圆中环”溢流堰及汇水渠接入下游渠道。

“圆中环沉沙池”主要由进水渠、进水闸及进水涵洞、“圆中环”室、排沙廊道、汇水渠等组成。涡环流排沙建筑物布置如图5所示。

图5 涡环流排沙建筑物布置图

3.2.4 箱式周期性冲洗池

厢式周期性冲洗池，沉沙段净宽30m，长200m，沉沙池冲洗系统复杂，必须经物理模型确定有关尺度。

3.2.5 四种沉沙处理措施方案比较分析

针对条渠型沉沙池方案、涡环流排沙方案、圆中环沉砂池方案、厢式周期性冲洗池方案各建筑物特性，从其排沙耗水量、处理排沙粒径的范围、排漂功能、电能效益、工程投资等方面做出比较分析，详见表4。

表4 四种沉沙处理方案比较分析成果表

根据表4比较项目分析，主要得出以下几点结论。

(1)排沙耗水量分析。圆中环沉沙池排沙耗水量最小，可从排沙耗水中争取更多的电能，且排沙时可不久间断供水发电。条渠型沉砂池及厢式周期性冲洗池需停机排沙砂，排沙耗水量相对较大。

(2)处理泥沙的粒径范围分析。圆中环沉砂池、条渠型沉砂池及厢式周期性 )冲洗池的的工作原理均为控制沉砂池中流速，使泥沙在沉砂池中沉积，采用水力及人工方式清除泥沙。条渠型沉砂池需采用人工清淤，可处理泥沙粒径范围相对较广，但年清淤费较高。厢式周期性冲洗池采用了水力冲砂，但其耗水量大且运行管理繁琐。圆中环沉砂池采用人工环流冲砂，处理泥沙粒径范围广、耗水量小，同时运行管理方便。涡环流排沙池仅能处理特定范围粒径的泥沙。

(3)电能效益分析。圆中环沉砂池排沙过程中耗水量最少，在洪水期运行时从排沙耗水中争取电能较多，涡环流排沙池次之，条渠型沉砂池及厢式周期性冲洗池冲排沙时均需停机，会导致电站在网上的供电质量相对较差，且年度电能损耗最大。

(4)工程投资、运行功能分析。涡环流排沙池工程投资最小，使用过程中需引水枢纽渠首及电站压力前池排沙设施协调调度运行。条渠型沉砂池及厢式周期性冲洗池工程投资相对较大，均需停机冲排砂，且需增加相应运行管理费。圆中环沉沙池工程投资比涡环流排沙池略高，但其较好的解决了排沙、排漂、排冰与引水发电的矛盾，圆中环沉砂池耗水量最小，同时可满足夏季及冬季的部分排漂问题，可有效缓解现状压力前池运行压力。

综合分析四种沉砂池措施方案，从处理泥沙的功能上均能满足泥沙过机要求，但圆中环沉砂池具有耗水量小、处理泥沙粒径范围广、从排沙耗水中争取的电能最多、同时可兼顾部分排漂功能，具有一专多能的特点，因而本工程二次排沙处理措施采用圆中环沉砂池方案。

4 结语

通过对常规沉砂池、特殊体型沉砂池的研究和大量计算成果分析与对比工作，最终确定了本工程二次排沙处理方案，及“圆中环”沉砂池方案。本文对四种沉砂池从排沙耗水量、排沙粒径范围、排漂功能、工程投资等方面进行了综合分析和总结，积累了一些经验，对于此类需采取沉沙处理的引水渠道、明渠引水式电站工程起到了一定借鉴和参考作用。

本工程“园中环”沉砂池自2010年4月修建完工投入运行至今，目前运行良好，有效解决了水电站泥沙淤积及封冻问题，起到了排沙、排冰作用，为电站的正常运行发挥了作用。工程运行状况见图6。