筱溪水电站排沙廊道设计

杨志明

（湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市410007）

1 工程概况

筱溪水电站工程位于湖南资水干流中游，控制流域面积15 843 km2，Ⅵ级航道，电站装机容量135 MW，正常蓄水位198.0 m，总库容1.41亿m3，大（Ⅱ）型工程。湖南省经济建设投资公司于2003年正式启动该项目的建设程序，2004年底主体工程开工建设，2008年1月首台机组投入运行。

枢纽由挡水坝、溢流坝、电站厂房和垂直升船机等主要建筑物组成，坝顶高程204 m，最大坝高47 m，坝顶长340 m。

河床式电站厂房紧靠右岸岸边布置，主厂房安装3台40 MW轴流机组，安装场下安装1台15 MW的小轴流机组。

溢流坝段布置在主河槽，设计泄洪流量12 600 m3/s（P=1%），校核泄洪流量17 200 m3/s（P=0.1%），设8孔14 m×11.5 m（宽×高）的溢流表孔，堰顶高程186.5 m，溢流坝段总长142.5 m；在厂坝之间结合施工导流和排沙设7 m厚纵导墙，在3#、4#闸孔之间结合施工导流设6 m厚纵导墙；8孔溢流坝均设底流消力池，池长42.5 m，池深4.5 m，池底高程167.0 m，设梯形消力墩和差动尾坎，后接20 m长混凝土护坦和30 m长格宾海漫。

垂直升船机布置在左岸岸边，与紧邻溢流坝的重力挡水坝结合，100 t级，采用门机提升过坝。如图1所示。

图1 筱溪水电站工程枢纽布置

2 淤沙问题分析

资水干流中游多年平均悬移质输沙率为0.163 kg/m3，系少沙河流，坝址多年平均输沙量为258万t/a，且挟沙大部分集中在汛期，按15%推移质计算，库区20年淤积总量415.37万m3，对应淤沙高程为175 m，可见该水库并没有严重的淤沙问题。但该电站为河床式厂房，进水流道底板低于河床10 m，宽达85 m，抬高进口高程或设置高拦沙坎的工程量巨大，其标准也难以确定；而挡水坝为混凝土重力坝，表孔溢流，溢流堰顶高出河床14 m，开闸泄洪时无法排走河床淤沙；由此可见，电站长久运行后，淤沙难免高于拦沙坎而大量进入机组流道。在前期设计工作中，经初步的技术经济比较认为，探索合适的排沙设施是十分必要的。图2为水电站厂坝纵剖面图。

图2 筱溪水电站厂坝纵剖面图

3 排沙设计思路

筱溪水电站的水库淤积问题并不突出，根据规范，不需考虑水库内淤沙的排泄，排沙主要目的是防止长久运行后淤沙高出拦沙坎而进入机组流道，因此该排沙应针对电站进水口而进行设计。

若采用常规的坝基排沙孔设计，在筱溪电站库水深达25 m的情况下，排沙孔工作时，库底流速很小，无法大范围起动淤沙，只能排走冲沙口局部淤沙和水流本身的少量挟沙，加之电站进水口前缘长达85 m，单个排沙孔根本无法实现其目的，沿进水口前缘设置多个排沙孔又难以布置。因此，设计考虑在电站进水口前缘全线设输沙廊道，与坝基排沙孔相连，在输沙廊道顶部开设多个串联的排沙口，以期在拦沙坎前形成多个相互联通的排沙漏斗，从而控制拦沙坎前的淤沙高度，以确保淤沙无法进入机组流道。图3为排沙系统布置示意图。

图3 筱溪排沙系统布置示意图

4 原理与设计

（1）淤沙特性。

筱溪水库长38 km，坝前水深（23～28）m，正常发电期坝前流速（0.01～0.13）m/s，汛期流速（0.5～1.0）m/s，大洪水流速（1.4～1.7）m/s。因此，电站长久运行后，淤积在坝前的淤沙粒径主要为0.005 mm以下的悬移质，其次为汛期少量（0.5～4.0）mm的推移质，再次为大洪水挟来极少量（4～20）mm的沙砾石。参照玉清公式及成都勘测设计院经验公式求得泥沙止动流速和起动流速见表1。

表1 泥沙止动流速和起动流速

考虑每年汛期利用弃水冲沙，排沙口附近的淤沙不会因长期沉积而固结，则以0.005 mm以下粒径为主的淤沙孔隙率为0.7～0.8，淤沙水下内摩擦角（休止角）为11°～12°。

（2）排沙原理。

按淤沙水下休止角12°进行排沙口和拦沙坎的布置。设3 m高拦沙坎（与排沙廊道结合），坎顶高程176.0 m（发电最大流速0.35 m/s），当排沙系统每年汛期开闸排沙时，只要排沙廊道和各排沙口具有可靠的起动和挟动淤沙的能力，各排沙口周边势必形成12°休止角的锥形漏斗，在176 m高程的漏斗半径为15.6 m。筱溪排沙口间距为27 m（图4），因此，拦沙坎前缘残留淤沙最高点高程为175.55 m，淤沙始终不会越过拦沙坎而进入电站流道。

图4 排沙原理示意图

（3）水力计算。

从图4可见，要确保各排沙口均具有可靠的拉沙作用，必须保证排沙孔和排沙廊道的过流能力远大于排沙口的进水能力。也就是说，当排沙孔开闸时，首先1号排沙口击穿淤沙进水排沙，此时2号排沙口须具有足够的负压击穿淤沙，2号进水排沙后，3号排沙口仍须有足够的负压击穿淤沙。另外排沙廊道全线须确保流速大于各粒径的起动流速。

筱溪水电站排沙廊道设计通过反复计算分析，确定排沙口采用圆形断面，直径2 m，排沙廊道截面由3 m×2 m渐变至3 m×5 m，排沙孔出口断面3 m×4.3 m，水力计算条件及成果见表2。

表2 水力计算成果

上游库水位198.0 m，下游排沙水位177.0 m，排沙口糙率0.017，排沙廊道糙率0.022 5。

（4）细部设计。

排沙口体型：为了减小进口水头损失，加大排沙漏斗半径，采用喇叭口型式，上口直径3 m，下口直径2 m，口壁厚2 m。具体见图5（a）。

排沙孔型式：坝基排沙孔布置在厂坝分界处的溢流坝右边墩内，采用有压流形式，与排沙廊道密封连接，出口采用底流消能，消力池长30 m，尾坎采用1∶2.5的反坡。闸墩上游段设检修平板钢闸门，闸门竖井开口于闸墩顶206 m高程，利用溢流坝上游检修门移动门机启闭；闸墩尾部设工作门，采用前止水平板钢闸门，闸门竖井开口于192 m高程，设固定式卷扬启闭机及启闭机房。示意见图5（b）。

材料：排沙系统（排沙口、输沙廊道、排沙孔）内壁均采用1 m厚抗冲耐磨的C40HF混凝土。

图5 细部示意图

5 结语

筱溪水电站的排沙廊道设计是采用深水区潜孔局部拉沙的方式，以达到防止电站长久运行后淤沙高出拦沙坎而进入机组流道的目的。设计新颖，原理简单，投资较小，目前运行状况和感观效果良好，在延长电站正常使用寿命方面具有较高的参考价值。遗憾的是未能进行水工单体模型试验验证，在今后工程运行中将进行实际观测，追踪运行效果，并在以后类似工程的应用中得到进一步的研究和形成完整体系。

1 GB 50288-99.灌溉与排水工程设计规范[S].

2 SL269-2001.水利水电工程沉沙池设计规范[S].

3 DL5077-1997.水工建筑物荷载设计规范[S].

4 武汉水利电力学院.河流泥沙工程学[M].北京：水利出版社，1981.

5 沙玉清.泥沙运动学引论[M].北京：中国工业出版社，1965.