峡江水利枢纽电站取水防沙试验研究
黄志文
江西省水利科学研究院
邬年华
江西省水利科学研究院
河海大学水利水电学院
苏立群
江西省水利科学研究院
武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室
明宗富
武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室
为解决峡江水利枢纽泥沙淤塞库区，避免泥沙进入电站，对取水防沙原设计方案试验中存在的问题进行了分析。改进了拦沙坎的布置方案，提出拦沙坎头部上延与上游自然河湾平顺衔接，以使形成的人工弯道环流导流排沙方案为最优取水防沙方案。探讨了优化方案的取水防沙效果，提出了运行时应注意的事项。
峡江水利枢纽工程位于江西省吉安市峡江县境内，坝址地处赣江中游，距省会南昌市约170km，是一座以防洪为主兼有发电、航运、灌溉、水库养殖等综合效益的大（1）型水利枢纽工程。枢纽总体布置从左到右为船闸、门库段、泄水闸、电站厂房，左右坝头采用混凝土重力坝连接，坝轴线总长864m。枢纽泄水建筑物由18孔开敞式泄水闸组成，单孔净宽16.0m，泄流前沿总宽度352.5m，泄水闸为无坎宽顶堰，堰顶高程30.00m，采用底流消能，消力池长60.0m、底高程26.50m。拦沙坎布置于电站进水口前，坎顶高程33.5m［1］。由于地处平原河流，上游建成有万安水库，水库下泄的泥沙大多为悬移质，峡江水利枢纽兴建后，改变了枢纽所在河段的来水来沙条件及河床边界条件。库区河床必将做出一系列调整，以适应变化后的水沙条件。所以必须研究水电站的取水防沙问题，以便使泥沙顺利通过泄水闸而不淤塞库区，且要避免推移质泥沙进入水电站［2］。
1 取水防沙原设计试验方案
试验的水流条件和边界条件：坝前水位45m（汛限水位）。模拟河段库床地形则根据计算的淤积平衡比降塑造而成，坝前淤积高程控制在30m。在此基础上，经水流（9700m3/s流量相当于造床流量）自行塑造后，近似作为库区淤积极限平衡形态。为研究导沙坎排沙效果，提出了进一步的改进方案，并进行极限平衡状态下的冲淤试验研究。本模型设计入库泥沙总量为117万t/a，换算成模型沙约为406kg/a。考虑到峡江河段泥沙年内分配极不均匀，汛期4—6月输沙量可达全年的80%左右；因而在上游5.5h内将一个水文年的沙量加入模型之中，以观测库区河床泥沙输移状态及导沙坎导沙排沙效果。试验研究表明，上游引航道及口门区远离推移质主输沙带，在水流扩散作用下虽然有少量极细泥沙淤积，但不影响正常航行。库区泥沙以沙波运动形式向下游推移，大部分泥沙可经中间12孔（7～18号孔）泄水闸输送到下游，出库含沙量明显增大，但仍有一部分泥沙翻越导沙坎进入电站进水口。导沙坎中下部坎边淤沙高程已接近33.50m，在1～5号机组进水口前泥沙淤积比较严重。另外，在进水口上游混凝土护坦斜坡的上半部也有不少泥沙滞留，时有较粗泥沙滑落到进水口，形势比较严峻。可见，该设计方案不能达到电站取水“门前清”的目的，必须改进拦沙坎的布置。
[1]
2 取水防沙方案优化
峡江水利枢纽的泥沙问题是其所在河段的河势决定的，要完全阻止泥沙进入电站取水口难度相当大。试验对导沙坎形式及布置进行了修改优化，修改后的导沙坎布置见图1。导沙坎根部延长至坝轴线上游350m处右侧河岸处，与其上游自然河湾平顺衔接，以期形成人工弯道环流导流排沙。两导沙坎之间三角形拦沙容量约为5.0万m3，可视泥沙淤积情况实施人工或机械清淤。
3 改进方案的取水防沙效果分析
3.1 不同工况下取水防沙情况
为讨论修改方案对不同洪水频率的适应性，选择9700m3/s、12700m3/s、14800m3/s（最大通航流量）3级流量按从小到大顺序施放，观测坝前库区流态和推移质运动情况、电站取水口内流态和进沙情况及坝前冲刷漏斗形态。其他试验条件为电站满发、泄水闸开左6孔或右12孔和泄水闸全开（Q=14800m3/s），电站关闭，各级流量下的坝前水位均控制在汛限水位45.00m。
3.2 效果分析
试验表明，第2个水文年（施放12700m3/s流量）开始，坝前库段新淤沙坡已有雏形，特别是在主输沙带内，泥沙淤积不断向坝前推进。坝前淤沙在向泄水闸方向推进的同时，部分泥沙已开始在修改的导沙坎左侧边缘堆积抬高，有的泥沙会翻越主导沙坎进入三角形沉沙区。沉沙区内泥沙淤积边界清晰、稳定，大致在主输沙带右侧边缘附近。越过副导沙坎的泥沙较粗颗粒会滞留在混凝土护坦斜坡的上部，更细的泥沙则以悬移质运动的形式经电站尾水渠排往下游，对电站安全运行无碍；再者，主导沙坎根部高程达40.10m，且为圆弧形，其导流作用明显，在主导沙坎左侧形成一条稳定的输沙主槽；但该主槽在坝轴线上游被不断淤积的泥沙所阻断，减小了泄水闸的排沙比。修改后的导沙坎有了更好的导流排沙功能。沉积在两导沙坎之间沉沙区内的泥沙，淤积到一定程度时则应采取工程调度或管理措施予以清除，以确保电站安全运行。当开启1～6号孔泄水闸，出库排沙比大大增大，坝前淤积已接近平衡状态，滞留在副导沙坎以下坎边的泥沙漂移至泄水闸区，使1～4号机组前的淤沙基本被冲光，越过副导沙坎的泥沙大都是粒径较细的悬移质，对机组安全运行没有影响。所以在下泄中小流量时，开启1～6号孔泄水闸较开启7～18号孔泄水闸更有利于排沙。随后施放流量12700m3/s，开启中间12孔（7～18号孔）泄水闸，沙波有规律地向坝前推进，泥沙经过泄水闸被水流冲往坝下游，主输沙带淤积形态稳定。两导沙坎之间的泥沙淤积形态范围不变，淤积数量也没有明显增加。在15～18号孔泄水闸前形成冲刷漏斗，排沙效果明显，出库含沙量很大，排沙漏斗与主导沙坎左侧的输沙主槽已基本贯通。
图1 拦沙坎修改方案（单位：高程，m；尺寸，m）
图2 Q=14800m3/s冲沙效果
施放14800m3/s流量，电站关闭，泄水闸1～18号孔泄流。该工况坝前淤积发生，开始溯源冲刷，泄水闸前泥沙已基本冲光，主导沙坎左侧的输沙主槽已经完全贯通（图2），输沙主槽位于原河床深泓线右侧，只要调度运用合理，这一槽库容可长期得以保留。利用超过最大发电流量这一流量级排沙，以减少坝前泥沙淤积并恢复部分槽库容。两导沙坎之间及副导沙坎以下所淤泥沙也被水流悬起，经15～18号孔泄水闸排往下游，残余泥沙极少，泥沙的回淤不会影响电站尾水位和流态。
3.3 运行时取水防沙的注意事项
由于枢纽所处河段的河势特点，欲完全做到电站门前清是不现实的。电站取水防沙问题，可通过工程措施、调度运用及管理手段统筹解决。导沙坎结构型式修改后，导沙效果较前有大的改善。必须说明：试验中进入电站进水口的泥沙是新淤积的，还未板结，较易被冲起。在实际运行中，若洪水期电站长时间关闭，淤积在进水口段的泥沙将随时间的增加而逐渐密实，且水生生物的滋生也将使泥沙进一步板结。因此，应尽量避免过坎泥沙堆积在进水口时间过长；为使进水口淤积的泥沙能被冲走，靠近电站厂房的泄水闸应定期开启，电站关闭时进行必要的冲沙。尤其是汛前电站关闭时，开启左6孔泄水闸以冲走汛期淤积在拦沙坎内的泥沙。其他时段应定期监测并视淤沙情况进行疏浚。
4 建筑物运行中应注意的问题
（1）为方便泄水闸运行调度和进水口前的疏浚管理，应在电站进水口河心侧壁边缘布置监测断面。拦沙坎内淤积的泥沙高度不应超过坎的高程33.50m。淤积高程达33.50m后，需密切关注电站进水口门前的泥沙淤积进程。在清理电站进水口前的淤积泥沙时，同时应对电站与坝体间的死角和泄水闸进行清理。
（2）当上游来流量大于水电站取水流量时，应优先开启靠近厂房的12孔泄水闸；当上游来流量小于电站取水流量时，应对拦沙坎内的淤积情况进行监测，视监测情况定期开启泄水闸冲沙，尽量避免推移质泥沙进入电站。汛前、汛末必须开启泄水闸，或采用疏浚等运行管理措施，以确保电站进水口门前清。
5 结语
（1）原设计方案未达到电站取水“门前清”，主要是峡江坝址处河势所致，枢纽上游深泓线偏靠右侧，在坝轴线处，深泓线经厂区中部跨越枢纽，电站靠近泄水闸的1～4号机组本处于主输沙带范围内，导沙坎中、下段的泥沙淤积将不可避免。为提高导沙坎的导沙能力，有必要对导沙坎的型式进行改进。
（2）推荐取水防沙措施采用改进的拦沙坎布置方案，使得拦沙坎头部上延与上游自然河湾平顺衔接，以便形成的人工弯道环绕导流排沙方案为最优取水防沙方案。
（3）合理调度是确保取水防沙工程功能得到充分发挥的关键。中小流量（5000～9700m3/s）泄洪时，开启1～6号孔泄水闸优于开启7～18号，不仅对泄流排沙有利，而且下游引航道口门区水流条件也比较好。当下泄流量大于最大发电允许流量时（如14800m3/s），电站停止运行，泄水闸具有较为理想的排沙效果。
参考文献
［1］江西省水利规划设计院.峡江水利枢纽可行性研究报告［R］.南昌：江西省水利规划设计院，2009.
［2］武汉水利电力学院河流泥沙工程学教研室.河流泥沙工程［M］.北京：水利出版社，1982.
［3］江西省水利科学研究院.峡江水力枢纽枢纽水工、泥沙及导流整体模型试验研究报告［R］.南昌：江西省水利规划设计院，2010.
［4］江凌，邹军贤.缅甸DAPEIN（Ⅰ）水电站取水防沙问题研究［J］.水电能源科学，2009（8）：91-94.
[1]：本文发表于2011年。