巴基斯坦科哈拉水电站工程以库代池研究

郑贺新 汪学全 孙天青

巴基斯坦科哈拉水电站工程以库代池研究

郑贺新 汪学全 孙天青

巴基斯坦科哈拉水电站额定水头300 m，为高水头冲击式水轮机组，机组对过机含沙量的要求非常高。对入库水沙特点、冲沙流量、冲沙时间、水位下降幅度、引水含沙量等进行深入分析，并结合水库泥沙数学模型计算分析成果，科哈拉水库实行按流量分级调度的运用方式，在汛期 “壅水沉沙、敞泄排沙”，使水库起到有效替代沉沙池的作用，亦使水库能在正常蓄水位与最低发电水位之间保持一定的有效库容进行日调节发电，并能大幅减少过机泥沙含量，以减轻对水轮机过流部件的磨蚀。

壅水沉沙 敞泄排沙 以库代池

科哈拉 （Kohala）水电站位于巴基斯坦东北部的巴控克什米尔境内的印度河支流吉拉姆河上，为长隧洞引水式电站。国外咨询公司的可行性研究报告中，工程主要包括挡水坝、地下沉沙池、引水隧洞、地下发电厂房。科哈拉水库正常蓄水位900 m以下原始库容约1500万m3，库沙比仅为5，属泥沙问题严重型工程。工程任务即为日调节发电，既要求在旱季能保证500万m3的日调节库容，又要求在雨季引水水流过机泥沙含量尽量小，以减轻对水轮机过流部件的磨蚀；因此，泥沙问题应予以足够重视。电站进水口布置在大坝上游150 m处左岸，共设4个进水口，其后接连接隧洞。沉沙建筑物主要包括4个长420 m，宽16 m，高20 m地下沉沙池，3条运行隧洞廊道，1条冲沙隧洞廊道。引水系统设计引水流量为425 m3/s。引水洞为2条直径8.5 m的隧洞，单洞长度约17 km。电站装机4台，总装机容量1 100 MW，年发电量为52.08亿kW·h。总投资 (静态)为19.85亿美元。

1 入库沙量

多年平均悬移质入库泥沙量为333万t。多年平均悬移质含沙量为0.34 kg/m3。输沙量主要集中在4~7月份，占全年输沙量的67.7%，且来沙量往往集中在几场较大洪水中。经估算推移质量取悬移质沙量的15%，为50万t。

依据水文站悬移质沙样以及坝址位置河流左岸取的河床质沙样分析了悬移质、河床质颗粒级配，见图1。悬沙D50为0.01 mm。河床质泥沙取样，经矿物组成分析，泥沙中石英含量占82%，长石含量占6%，云母含量占4%，其它8%。

图1 悬移质及坝址河床质颗粒级配曲线图

2 水库水沙调度运用分析

对于山区河流上建设的引水发电枢纽，要防止推移质以及悬移质中的粗粒径 （d≥ 0.25mm）泥沙进入取水口，通常需设置沉沙池，但科哈拉水电站引水发电枢纽没有设置沉沙池的地面场地，沉沙池设置在隧洞内则工程量大，投资高，且悬沙较细，沉沙效果并不理想。因此，考虑采用“壅水沉沙，敞泄排沙”运用方式的非工程措施来替代修建沉沙池的工程措施，来防止推移质以及悬移质中的粗粒径 （d≥0.25 mm）泥沙进入取水口，使电站过机多年平均含沙量和多年平均粗粒径含沙量均限定于允许值范围内，达到减少对水轮机及过流部件磨损的目的。利用水库沉沙，即按入库流量的大小分时、分级调度库水位，当电站处于发电期间，在库内坝前一定范围内，使其长度、水深以及流速等因素均符合沉沙池的要求，电站过机水流的多年平均含沙量和多年平均粗粒径含沙量均限定于允许值范围内。当入库流量大于分级调度流量时电站停止发电，开启全部闸门敞泄排沙，将本时段入库泥沙以及前期淤积在调沙库容内的淤积泥沙排出库外。经敞泄排沙又腾出调沙库容留待接下来的壅水沉沙发电。敞泄排沙时泥沙的冲刷量与冲沙时间、冲沙流量以及水库的水位下降幅度有关，一般来说，冲沙流量大，水库水位下降幅度大，冲沙时间长，冲刷量就多。水库水位下降幅度尤其重要，而冲刷强度随着冲刷时间的增加而减弱；因此，分流量级敞泄排沙调度的关键是如何确定分级流量、冲沙时间、库水位下降幅度，从而达到以水库替代沉沙池的目的，进而使引水口得到符合水轮机要求的含沙水流。

2.1 冲沙流量的确定

水库建成后，水库库区因为壅水改变了原来的水流条件，水流流速变小，从而降低了水流的挟沙能力，较粗颗粒泥沙开始在水库库尾淤积，较细颗粒泥沙随着水流向坝址运行，或出库或进入引水口。水库淤积后库容变小，要恢复调沙库容就要进行降水位冲沙，冲沙流量取造床流量时，敞泄排沙即可达到较佳效果，造床流量是指该流量的造床作用假定同多年流量过程的综合造床作用相等的流量。造床流量的确定方法有以下几种： 取2年左右一遇洪峰流量；取多年平均洪峰流量。经分析计算，科哈拉坝址处多年平均日最大流量为821 m3/s； 科哈拉坝址2年一遇洪峰流量为1 189 m3/s，因此，造床流量取800~1 100 m3/s之间的某一个数值较为适宜。

2.2 冲沙时间的确定

冲沙时间的长短，直接关系到冲刷量的多少和冲刷后调节库容及过机水流含沙量大小是否满足发电要求，应根据入库水流含沙量、库容大小、水轮机对水流过机泥沙含沙的要求以及经济比较等因素综合确定。冲沙时间愈长，冲刷量就越多，恢复的调节库容就越大，下一个发电时期过机泥沙含沙量就愈小，水轮机磨蚀程度就越小，但停机时间也就越长，电量损失就越大。四川南桠河姚河坝水电站2004年6月和8月进行两次敞泄冲沙，每次各6 h，冲刷流量为120 m3/s，经库区测验，冲刷量达7.5万m3，出库平均含沙量增加值达20.3 kg/m3，效果十分显著。根据国内众多敞泄排沙水库经验，溯源冲刷最佳的黄金时间是6~8 h，冲刷时间超过24 h以后其效果并不明显。

2.3 水库水位下降幅度的确定

水库水位下降是水库产生溯源冲刷的必要条件，当断面水深减小，流速增大，挟沙能力相应增大到一定程度，才可能溯源冲刷，库水位下降得比淤积面越低，溯源冲刷强度越大，向上游发展的速度越快，冲刷末端发展的也越远。科哈拉水库坝址处河底高程约为857 m，天然情况下863 m过流能力为1 000 m3/s，870 m过流能力为3 300 m3/s，排沙底孔底高程862 m，870 m排沙底孔泄流能力940 kg/m3，而870 m以下水库原始库容为117万m3，仅占正常蓄水位900 m以下原始库容的8%，如果敞泄排沙水位下降至870 m左右，下降幅度接近30 m，拉沙效果将十分显著。

2.4 引水含沙量分析

水流含沙量沿垂线有梯度变化，近河底最大，表层最小，由水流含沙量沿垂线分布可知，颗粒粗的泥沙梯度大，颗粒细的泥沙梯度小，在相对水深约2/5以下含沙量沿水深梯度大，1/2以上梯度小，因此，在电站泄水建筑物布置方面，泄流底孔越低出库含沙量越大，相对应的电站引水口含沙量就越小。科哈拉电站排沙底孔底高程862 m，电站取水口底高程875 m，在4~6月份，入库流量均大于电站引水流量，此时 （非敞泄期）排沙底孔以及电站取水口均过流分层取水，排沙底孔取含沙量较大的底层水流排出库外，电站取水口引含沙量较小的表层水流发电。

如四川南桠河3级水电站，其取水口前沿宽10 m，汛期排沙水位运行时取水口内水深4.5 m，取水口外冲刷槽水深8.9 m，据汛期取水口内外实测含沙量统计，取水口内相对取水口外冲沙槽含沙量小13.2%~49.8%，冲沙槽内泥沙颗粒中值粒径0.097 mm，取水口内则为0.045 mm；粒径大于0.25 mm的粗沙冲沙槽内占 27%，取水口内仅9%，减沙效果十分明显。

3 数学模型计算分析

3.1 计算方案

水利枢纽采用蓄清排浑运用方式，非汛期水库进行日调节蓄水发电，汛期水库一般在正常蓄水位发电，多余水量通过底孔排沙运行，当入库流量大于某一分级调度流量时敞泄排沙，电站停止发电。

从1970—2004年系列各流量级天数及期间输沙量统计成果 （见表1）可以看出：大于1 100 m3/s共发生时间为87 d（年均2.5 d），期间输沙量约为861.9 万t，占35年总输沙量的7.4%；大于1 000 m3/s共发生时间为172 d（年均4.9 d），期间输沙量约为1 471.3万 t，占 35年总输沙量的 12.6%；大于900 m3/s共发生时间为349 d（年均10 d），期间输沙量约为2 544.1万t，占35年总输沙量的21.8%。

表1 1970—2004年系列各流量级天数及期间输沙量统计

因此，根据来水情况，选定900、1 000、1 100 m3/s三个分级流量作为敞泄排沙控制流量，分别进行泥沙淤积分析计算。依据正常蓄水位900 m不同组合得到3个水库泥沙冲淤计算方案；方案1、方案2、方案3分别为水库遇日平均流量大于900 m3/s时、大于1 000 m3/s、大于1 100 m3/s时，打开所有底孔，水库敞泄冲沙运行，同时停止引水发电；方案4：水库遇日平均流量大于1 000 m3/s时，库水位降至887 m（发电最低水位）冲沙运行；方案5：水库遇大流量时不降低库水位冲沙运用。

3.2 计算方法

科哈拉水库泥沙冲淤计算以武汉水利电力大学的SUSBED-Ⅱ准二维恒定非均匀流全沙数学模型进行分析计算，该数学模型在黄河沙坡头、海渤湾、万家寨、龙口、三盛公以及黑河正义峡等几十个水利工程的规划设计中应用此数学模型，均取得比较满意的成果。

3.3 计算成果

共计算70年 （35年水沙系列重复计算2次），得到各方案水库泥沙冲淤计算成果，见表2。

方案5为水库在非汛期按日调节运行，在汛期则库水位保持在900 m运行，遇大流量时也不降低库水位，则水库运行10年左右即失去沉沙池的功能，年均引水口含沙量达到0.25 kg/m3以上，此方案虽然发电量最大，由于库容小，在非汛期已经失去日调节功能，且因为过机含沙量也最大，会造成水轮机组磨蚀，减低出力并导致维修费用增加，过机水流要达到要求需建沉沙池，所以，此方案并不经济。

方案4为水库遇日平均流量大于1 000 m3/s时，库水位降至887 m （发电最低水位）冲沙运行，冲沙运行期间继续引水发电，则水库运行20年左右即部分失去沉沙池的功能，年均引水口含沙量达到0.23 kg/m3以上，此方案虽然发电量较大，由于库容小，在非汛期只有不完全日调节能力，且因为过机含沙量也最大，会造成水轮机组磨蚀，减低出力并导致维修费用增加，过机水流要达到要求需建沉沙池，因此方案4也不经济。

表2 水库泥沙分时分级调度方案比较表

综合本水电站对调沙库容、日调节库容和水库沉沙指标方面的要求，并综合考虑发电量等因素，只有方案2能满足调沙库容、日调节库容和水库沉沙指标方面的要求，发电量亦较大，因此作为推荐方案。推荐方案库容曲线以及纵剖面成果见图2、3。

图2 方案2水库淤积库容曲线

4 物理模型试验结论

通过整体泥沙模型试验，研究库区泥沙淤积过程以及水库淤积对库尾的影响，研究水库沉沙效果，测定坝址上、下游冲淤变化规律，冲沙建筑物的冲沙效果；研究电站进口前的拦沙、避沙措施。物理模型试验结果与数学模型计算成果比较，误差均在10%以内。

图3 方案2水库泥沙淤积纵剖面图

5 水库沉沙和敞泄排沙工程实例

5.1 瑞丽江一级水电站

瑞丽江一级水电站位于北部掸邦境内紧邻中缅边境的瑞丽江干流上。2006年12月10日实现大江截流， 2009年4月，电站最后1台机组投产发电。坝址多年平均流量365 m3/s，多年平均悬移质沙量876万 t、多年平均含沙量0.76 kg/m3；电站是混流式机组中典型的三高电站，即 “高水头（最大运行水头330 m）、高转速 （额定转速428.6 r/min）、高泥沙含量 （汛期平均过机含沙量达0.5 kg/m3）”，运行1年后机组实施了局部改造并运行3年后检查，发现机组泥沙磨损程度大大减轻。机组的大修周期可达4~5年。科哈拉水电站与瑞丽江一级水电站在入库水沙、库容、装机容量、额定水头等工程特性指标以及水库运行方式非常相似。科哈拉电站的入库多年平均含沙量小于瑞丽江的50%，悬移质泥沙中值粒径较小，取水口与泄洪排沙洞相对高差达13 m（瑞丽江仅5 m），泄2年一遇洪峰流量最低坝上水位为872 m（低于取水口底高程875 m；而瑞丽江达714 m，比取水口底高程700 m高出15 m之多），因此，科哈拉电站枢纽布置更有利于多排泥沙出库、少引泥沙过机。

5.2 姚河坝水电站

姚河坝电站位于四川省大渡河一级支流南桠河上，为低闸引水式电站，于2000年建成发电。电站装机3台，总装机容量132 MW，电站设计引水流量54 m3/s，设计发电水头280 m。电站水库正常蓄水位1 678 m，对应原始库容162.3万m3，水库死水位1 670 m，对应原始库容55万m3。库区天然河道纵比降2.3%。坝址多年平均流量32.3 m3/s，多年平均含沙量0.77 kg/m3，多年平均悬移质输沙量78万t，推移质13.5万t。电站采用以库代池、敞泄排沙的运用方式。

姚河坝电站水库沉沙和敞泄排沙的原型观测情况简要介绍如下：电站建成至2004年6月以来已经运行5年时间，水库已基本达到冲淤平衡状态。泥沙淤积主要分布在坝前900 m范围内，纵向淤积大致呈三角洲形态，断面最大淤积厚度约8 m，一般在4 m左右。为了检验水库沉沙和冲沙的效果，于2004年6~8月对水库进行了进出库流量、含沙量以及库区地形观测。当入库流量在50~70 m3/s，含沙量一般在0.60 kg/m3，坝前水位在1 672 m左右，从库区各库段断面平均流速看，库尾—距闸600 m范围接近天然河道；距闸600~380 m断面平均流速在0.22~0.5 m/s，与沉沙池设计流速接近；距闸380 m至闸前断面平均流速在0.04~0.11 m/s，小于沉沙池设计流速。泥沙沉降率来看，总体在55%左右，比沉沙池设计沉降率65%略小。当洪水入库时，如7月4日一场小洪水，洪峰流量为87 m3/s，悬移质总沉降率达60%，粒径大于0.25 mm的粗砂沉降率达93.5%，略小于99%的设计值，但仍大于沉沙池的沉降标准80%~85%。说明利用水库沉沙可以达到沉沙池的功效。

6 经济比选

设沉沙池方案比以库代池方案可比投资增加8 427万美元，相当于人民币53 089万元；发电量为53.57亿kW·h，发电量增加1.48亿kW·h，每增加1 kW·h电量投资增加3.59元。按科哈拉水电站可研报告中均化电价7.861美分/（kW·h）计算，设沉沙池方案与水库沉沙方案投资差额经济内部收益率为10.8%，远低于巴基斯坦社会折现率17%。设沉沙池方案虽然发电量多，但由于调峰库容小，不能够满足4 h调峰要求，调峰效益及总效益会降低，设沉沙池方案与以库代池方案投资差额经济内部收益率小于10.8%；因此，两方案比较，设沉沙池投资较大，发电效益增加相对较少，设沉沙池不经济。

7 结 语

（1）科哈拉水库正常蓄水位900 m以下原始库容约1 500万m3，经分析，科哈拉电站采用“水库沉沙，敞泄排沙”运用方式可以替代修建沉沙池，来防止推移质以及悬移质中的粗粒径 （d≥0.25 mm）泥沙进入取水口，使电站过机多年平均

含沙量和多年平均粗粒径含沙量均限定于允许值，达到减少对水轮机及过流部件磨损的目的。

（2）经数学模型分析计算。水库运行30年后即达到泥沙冲淤平衡状态，多年平均日调节库容基本满足需要，电站引水口多年平均含沙量约为0.18 kg/m3，粗砂 （大于0.1 mm）多年平均含沙量小于0.01 kg/m3。

（3）物理模型试验表明，汛期降水位拉沙坝前泥沙坡度较陡，能够保证电站进口 “门前清”。采用合理的水库运用方式， “以库代池”可以将入库泥沙大于0.25 mm的颗粒沉下来，又通过泄空水库冲沙将淤沙排出库外。汛期拉沙前水库沉沙率分57.4%~60.1%。电站过机含沙量受上游水沙条件及坝前淤积高程影响较大，拉沙后实测电站过机含沙量0.07~0.14 kg/m3。

（4）通过与本工程类似的瑞丽江等水电站特性对比和姚河坝电站水库沉沙敞泄排沙的原型观测资料分析，科哈拉电站考虑 “以库代池”的运行方案是合理的，汛期避 (沙)峰运行结合不定期敞泄冲沙的方案也是可行的。

（5）设沉沙池方案与水库沉沙方案投资差额经济内部收益率为10.8%，远低于巴基斯坦社会折现率。设沉沙池不经济。

综上所述， 科哈拉电站采用 “水库沉沙，敞泄排沙”运用方式， “以库代池”可以取消沉沙池，防止粗粒径 （d≥0.25 mm）泥沙进入取水口，大幅度降低工程造价，缩短电站建设工期，有明显经济效益。

[1]何成荣，刘阳荣.缅甸瑞丽江一级水电站泥沙问题探讨 [J].水文泥沙研究新进展，2012(6)：22-25.

[2]何贤佩，吕金波，伍炳吉.姚河坝水库沉沙及冲沙效果分析 [J].水文泥沙研究新进展，2005(6)：67-69.

[3]朱鉴远.水利水电工程泥沙设计 [M].北京：水利水电出版社，2010.

郑贺新 男 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

汪学全 男 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

孙天青 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

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（2016-03-22）