蓝晓君

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

[关键字] 泥沙；冲沙底孔；排沙设计；水电站

1 工程概况

某水电站是尼泊尔Bheri 河上一梯级电站，为闸坝引水式开发，该河段干流比降约1%～3%。根据初步研究成果，该水电站正常蓄水位为1395 m，死水位为1385 m，总库容为1036万m3，其中死库容为377 万m3，调节库容为659 万m3。该水库具有季调节性能。该水电站为河床径流式电站，具有日调节性能，利用下游河道弯曲和大落差的特点，从右岸引水到Taksu Khola 支流上游2 km 处Bheri 河右岸地面厂房发电。电站总水头约为384 m，发电引用流量为116 m3/s，装机容量270 MW。年发电量1 360.04 GW·h（其中旱季443.84 GW·h，雨季916.20 GW·h）枢纽总布置方案为：拦河闸坝、右岸输水系统、地下沉沙池、右岸地面厂房。

该水电站属Ⅲ等工程、工程规模为中型。根据工程所属等别，枢纽建筑物中拦河坝建筑物、发电厂房、引水系统等永久性主要水工建筑物级别为3级，其他次要建筑物级别为4级。

2 泥沙研究

尼泊尔喜马拉雅山区的泥沙产量变化很大，特别是从东到西。尼泊尔西部高山地区的降雨量相当低，与尼泊尔东部相比，气候相对干旱，泥沙侵蚀模数1000～4000 t/（km2·a）；在高山往低山过渡地带，山体滑坡频发，导致泥沙侵蚀模数较高，侵蚀模数3000～8000 t/（km2·a）；在海拔较低的地区，降雨量大，泥沙侵蚀模数5000～15 000 t/（km2·a）。

Bheri流域泥沙来源主要是流域内水土流失，流域植被覆盖差，当暴雨降到流域地表，或积雪融水在产流和汇流过程中，侵蚀坡地及沟壑的岩土，经水流输移到河流，形成河流泥沙。河流在输送泥沙过程中，还会冲刷河床或河岸，进一步增加泥沙量，如遇到暴雨引发泥沙流或滑坡，将更大程度的增加泥沙量。

Bheri 流域无实测泥沙资料，根据《Himalayan sediments issues and guidelines》（喜马拉雅地区泥沙问题及指南），Bheri汇入的干流Karnali 河有水文站Beni/Seti，泥沙侵蚀模数为2503 t/（km2·a），其控制集雨面积与该电站接近，采用其模数计算的泥沙成果基本可行，故推荐坝址以上流域泥沙侵蚀模数采用2503 t/（km2·a），以此计算坝址多年平均悬移质来沙量1394万t，推移质泥沙采用悬移质泥沙的30%，以此计算坝址多年平均来沙量1813万t。

3 主要建筑物布置

由于发电引水系统进水口布置在右岸，并且原主河道靠河床右侧，为便于冲沙，首部枢纽布置采用冲沙和泄洪功能分开的方案，把冲沙闸布置于右侧占据主河道，泄洪闸紧靠冲沙闸左侧布置。主要建筑物由右岸接头坝、冲沙闸坝段、泄洪闸坝段、储门槽坝段及左岸接头坝组成。

右岸接头坝2 个坝段，总长42.25 m，为胶凝砂砾石坝。冲沙闸分成2个坝段，冲沙闸坝段总长50 m，沿水流方向长度60 m。冲沙闸共设3孔冲沙孔，采用1 孔+2 孔的布置型式，为胸墙式平底闸，冲沙孔孔宽6 m，出口处孔口高度8 m，孔底高程1366 m，每孔均设工作弧门和事故平板闸门各一道。3孔冲沙闸由上游束水墙和下游导墙隔开为右1孔和左2孔。最右1 孔冲沙孔紧靠发电引水系统进水口布置，束水墙最上游端布置有拦沙坎，拦沙坎顶部高程1378 m，束水墙与进水口前端平台构成冲沙廊道。在发电引水时，在此处形成水流平稳的区域，使水流中的推移质沉落在廊道内，开启闸门冲沙时，可冲出廊道内沉积的泥沙，达到进水口“门前清”的作用。另外，在汛期维持水库水位在死水位1385 m，根据来流量增大依次开启左2 孔冲沙孔一起参与冲沙泄洪，维护原主河床不致淤塞，使河道主流稳定在进水口一侧形成深槽，并达到保持一定调节库容的作用。

紧靠冲沙闸左侧为泄洪闸坝段，冲沙闸与泄洪闸通过上游束水墙和下游导墙隔开，泄洪闸坝段总长72 m，沿水流方向长度60 m，分成3 个坝段。泄洪闸溢流堰采用WES型实用堰，为开敞式。每孔均设工作弧门和检修平板闸门各一道。堰体与下游护坦采用反弧段相接，护坦顶部高程1365 m，护坦沿水流方向长度60 m，护坦末端设消力坎。护坦下游接80 m 长的抛石海漫，块石粒径0.8～1.0 m。泄洪闸和冲沙闸上游设钢筋混凝土铺盖，各闸室、溢流堰、护坦板表层等过流面均采用1 m 厚的抗冲耐磨混凝土保护。为了顺畅排沙并尽可能达到冲淤平衡，保证水库具有一定的调节库容满足长期运行要求。在汛期来流量大于1830 m3/s时，泄洪闸在泄洪的同时也参与冲沙。由于冲沙效果对本工程长期运行至关重要，因此，建议下阶段对水库泥沙淤积形态，泄洪冲沙闸及冲沙底孔冲排沙效果，堰顶高程取值等结合水工模型试验作详细的研究。

鉴于河流含沙量较高的情况，根据尼泊尔同类工程泄流建筑物过流面抗冲耐磨的实例，泄洪闸和冲沙闸除在过流面采用抗冲耐磨混凝土外，同时采用在过流面铺设工字钢提高其抗冲耐磨能力。

4 冲沙孔孔口尺寸确定

4.1 计算原则

（1）结合水库运行方式，汛期在死水位1385 m时冲沙作为计算依据。

（2）上游设置束水墙和拦沙坎，使发电引水与坝前水体隔开，形成冲沙廊道，水流只能从束水墙上游端通过冲沙廊道进入进水口。

（3）只引水不冲沙时，冲沙廊道前缘流速应小于等于限制进入进水口最小粒径泥沙的止动流速，使进入冲沙廊道内的泥沙沉落，利用这个原则确定冲沙廊道前缘的最小尺寸。

（4）冲沙时，要求冲沙闸（冲沙廊道处为其中一孔）各断面流速，大于泥沙平均粒径和单个块石最大粒径起动流速的1.2～1.4倍，以此确定冲沙闸宽度B。

（5）泥沙粒径由于暂时没有实测数据，参考类似工程取值，建议下阶段进行现场实测获取相关参数，再对本计算进行修正。

（6）冲沙孔底板高程按与原河床高程接近或者略高取，通过计算确定冲沙孔尺寸和孔数。

4.2 冲沙廊道尺寸计算

发电引水时，冲沙廊道前缘宽度bi=Qi/（vz·hi），式中：Qi为通过冲沙廊道的发电流量，计算时采用机组总额定流量；hi为冲沙廊道内考虑泥沙淤积的水深；vz为限制进入进水口最小粒径dmin的泥沙的止动流速，vz=vk/1.2，vk=4.6dmin1/3·hi1/6。经计算冲沙廊道前缘宽度bi=6.8 m，取7.0 m。

4.3 冲沙廊道处冲沙孔宽度B1的计算

开启闸门冲沙时，要求冲沙廊道内各断面流速达到能够冲洗全部淤沙的冲沙流速vc，vc=(1.2～1.4)4.6dh，式中：dop为泥沙的平均粒径；hoi为冲沙廊道内底板以上水深。

式中：μ为孔流流量系数；he为孔高，可根据常用闸门尺寸调整；H为堰上水头。

经计算，取孔高he=8.0 m，得B1=5.6 m，取6.0 m。

4.4 冲沙闸宽度B的确定

由于本工程处多泥沙河流，水库库容小并且要保证有一定的调节性能，因此冲沙闸的功能不仅要保证进水口“门前清”，还要排沙范围大、效果好，使得闸前淤沙少，基本保持原河床的状态，以保证水库调节库容满足长期运行要求。根据类似工程经验，取5 a 一遇洪水流量Q作为造床流量，代入式（1），得B=18.7 m，取18.0 m。

最后选定1孔+2孔，共3孔，每孔孔宽6.0 m，孔高8.0 m的布置方案。

5 水库泥沙调度运行方式

为解决该水电站工程泥沙问题，除首部枢纽需设置必要的引水防沙设施外，还需要拟定经济、合理、可行的水库泥沙调度方式，以防止推移质进入取水口，减少粗颗粒泥沙过机含沙量，控制库区淹没等。

由于来沙量主要集中在汛期，若汛期水库水位控制在高水运行，入库泥沙沉降率较大，库内拦淤泥沙较多，库尾将大量落淤泥沙，排沙时难于冲走，库容不易恢复，而库区淤积体淤积侵蚀基准面较高，将造成回水水位明显抬高，对水库淹没不利。因此，从提高电站的发电效益、妥善解决电站引水防沙、水库排水冲沙、保持水库调节库容及减轻库区淹没等因素考虑，借鉴已建类似水库泥沙调度运行的经验，本工程水库泥沙调度方式采用汛期控制在水位1385 m和1390 m两个运行方案来进行水库调沙。

为保证水库排沙的效果，同时确保首部枢纽引水系统的正常运用，雨季（7～9 月）来水量和输沙量较大，考虑平均每个月安排3～6 d敞泄冲沙，以将坝前淤积的泥沙冲往坝下，保持进水口门前清，同时将库尾淤积的泥沙部分冲往坝前排出水库。敞泄冲沙期间，电站停止发电，冲沙结束后水库回蓄至死水位恢复发电。

考虑到该水电站库容小，水库泥沙淤积速率较快，其他时段当坝前泥沙淤积高程接近拦沙坎顶部高程时，需利用夜间用电低谷时段，开启冲沙闸进行夜间低谷停机敞泄冲沙，以保持电站取水口“门前清”和提高坝前沉降水深。

由于该水电站水库调节能力较差，汛期仍有大量细颗粒悬移质泥沙进入取水口。同时该电站水头较高，最高毛水头达300 m，在防止粗颗粒泥沙进入取水口的前提下，仍需要求采用抗磨性能好的机组。

6 结语

由于冲沙效果对本工程长期运行至关重要，因此，多泥沙水电站在完成冲沙设计和计算的前提下，仍须对水库泥沙淤积形态、泄洪冲沙闸及冲沙底孔冲排沙效果、堰顶高程取值等专题作详细的研究。对首部枢纽布置进行水工模型试验，在取水防沙、消能防冲方面进一步优化首部枢纽布置。