西藏扎拉水电站水库泥沙对电站运行影响试验研究

黄建成,赵 萍,闫 霞,马秀琴,周银军

(长江科学院 a.河流研究所；b.国际河流研究所， 武汉 430010 )

西藏扎拉水电站水库泥沙对电站运行影响试验研究

黄建成a,赵 萍b,闫 霞a,马秀琴a,周银军a

(长江科学院 a.河流研究所；b.国际河流研究所， 武汉 430010 )

为了分析西藏玉曲河扎拉水电站运行后水库泥沙对电站取水发电产生的影响，基于扎拉电站整体河工模型试验成果，对扎拉电站运用50 a水库泥沙淤积过程，泄水建筑物及电站引水口前泥沙淤积分布、淤积高程，电站过机泥沙特性进行了试验研究。结果表明：水库运用50 a末，库区泥沙基本达到冲淤平衡，水库淤积总量约占总库容的66.45%；坝前泥沙淤积高程基本与底孔进口底高程齐平，对底孔泄流排沙影响不大；电站引水口前形成较明显的冲刷漏斗，引水渠淤积对电站正常引水影响不明显；电站过机泥沙，在水库运用初期没有>0.1 mm的粗沙，在水库运用50 a末，遇常年含沙量洪水, 过机泥沙中粒径>0.1 mm的粗沙占过机总沙量的3.2%。建议下阶段进行优化水库调度，提高水库排沙效率的研究，进一步减少水库泥沙淤积，减轻泥沙对机组的磨损。

西藏扎拉水电站； 水库泥沙淤积；电站引水渠泥沙淤积；含沙量；过机泥沙； 河工模型

图1 扎拉电站枢纽平面布置Fig.1 Plane layout of Zhala hydropower station

1 基本情况

西藏玉曲河扎拉水电站是怒江一级支流玉曲河梯级开发方案中的第六级，主要开发任务为发电，并促进地方经济社会发展。坝址位于碧土乡扎郎村附近，距左贡县城约136 km，距河口约83 km。坝址控制流域面积8 546 km2，多年平均流量106 m3/s，多年平均径流量33.6亿m3，多年平均悬移质输沙量为89.6万t，推移质输沙量为13.4万t，多年平均悬移质含沙量为0.262 kg/m3。水库正常蓄水位2 815 m，校核洪水位2 817.13 m，总库容0.105亿m3，总装机容量1 005.2 MW，为二等大(2)型工程[1]。

扎拉水电站采用混合式开发方式， 坝址位于左贡县碧土乡扎郎村， 电厂厂址位于察隅县察瓦龙乡据水村， 引水线路长约5.1 km。 枢纽主要建筑物由挡泄水建筑物、 引水隧洞、 电站厂房组成(图1)。

挡水建筑物为混凝土重力坝，坝顶长度208 m，坝高72 m，坝身布置泄洪设施，设1个表孔、2个底孔，表孔孔口尺寸为7 m×10 m(宽×高)，底孔孔口尺寸为6 m×4.75 m(宽×高)；引水隧洞采用四机一洞，断面为圆形，内径8.5 m；电站厂房为地面式，安装4台250 MW水轮机组[1]。

扎拉水电站具有“利用水头高、库容沙量比小”的特点，如何减少水库淤积，延长水库使用寿命，确保电站引水口前“门前清”,尽量减少粗沙过机、防止机组磨蚀是本工程的重大技术问题之一，它直接关系到工程运行后的安全性和发电效益的发挥[2-3]。为此，在可研阶段应充分研究水库泥沙淤积规律、坝前及电站引水口前泥沙淤积分布、淤积高程、电站过机泥沙特性等问题，为枢纽泄流排沙建筑物布置、电站调度运行方式的确定提供科学依据。

2 模型试验研究内容

2.1 模型概况

扎拉水电站河工模型模拟的河段范围全长约5.4 km，其中坝址上游段长约4.7 km，坝址下游段长约0.7 km。该水库正常蓄水位2 815 m，回水长约3.76 km，因此模型模拟了整个水库河段。模型设计按几何相似、水流运动相似、泥沙运动相似和河床冲淤变形相似准则进行。模型平面比尺λL=100，垂直比尺λH=100， 为几何正态[4-5]。

根据对扎拉电站坝址河段悬移质和床沙取样分析，该河段悬移质最大粒径为0.610 mm，中值粒径0.016 mm，粒径>0.1 mm的沙量约占总沙量的9.2%。床沙最大粒径为296.1 mm，中值粒径为162 mm。根据三峡工程坝区泥沙模型设计经验和本河段泥沙冲淤特点[6-7]，模型沙选用株洲精煤，其相对密度为1.33。

模型采用2013年6月该河段实测地形制模，进行了水面线，断面流速分布和河床冲淤变化的验证。结果表明，各项验证指标均符合《河工模型试验规程》(SL99—2012)要求，模型设计，选沙及各项比尺的确定基本合理，能够保证正式试验成果的可靠性[5]。

2.2 研究内容

根据一维数模计算结果，扎拉电站运用50 a末，水库排沙比达到91.3%，水库冲淤达到基本平衡[2]。因此，模型试验中水库运行年限定为50 a。水库运行调度方式采用起调水位为正常蓄水2 815 m，考虑汛期排沙要求，6—9月份水库水位死水位为2 811.5 m。试验主要研究内容包括：①水库泥沙淤积量、淤积分布；②泄水建筑物前泥沙淤积高程变化；③电站引水口前泥沙淤积分布、淤积高程；④电站过机泥沙含沙量及粒径。

3 试验成果分析

3.1 水库泥沙淤积

扎拉电站水库蓄水运用后坝前水位较建库前抬高53.5～57.0 m，使水库河道水流流速降低，河道输沙能力减弱，引起水库泥沙大量落淤，随着水库运用年限的增加，淤积量逐年增大，直至水库淤积达到平衡。试验结果(表1、图2)表明:水库蓄水后，库区泥沙首先在水库中上段落淤形成三角洲淤积体，随着水库运用年限增加，三角洲逐渐向坝前推进，枢纽运用50 a末，三角洲淤积体推进至坝前约610 m处，水库泥沙淤积总量约为697.02万m3，占总库容66.45%，主要淤积段在坝前1～2 km河段，坝前1 000 m以上河段已淤积平衡。由于坝址河道河床横断面基本上呈“V”形，河道较顺直，沿程少滩，为河道型水库，因此河床横断面淤积基本上以平淤为主。

表1 水库泥沙沿程淤积量

图2 水库淤积纵剖面变化

3.2 泄水建筑物前泥沙淤积

溢流坝段位于河床中部，布置1个表孔、2个底孔，表孔堰顶高程2 805 m，孔口尺寸7 m×10 m(宽×高)，底孔进口底高程2 775 m，孔口尺寸6 m×4.75 m(宽×高)，坝址处原河底高程约2 756.5 m[1]。试验结果(表2、图3、图4)表明：随着水库运用年限的增加，坝前泥沙淤积逐渐增大，枢纽运用50 a末，坝前河床淤积高程与底孔进口底高程已基本齐平；其中1#底孔前淤积高程2 775.3 m，淤厚15.3 m，2#底孔前淤积高程2 775.4 m，淤厚17.4 m，表孔前淤积高程2 776.0 m，淤厚17.0 m；坝前泥沙淤积对底孔泄流排沙影响不大。

表3 电站引水口前泥沙淤积变化

注：引水渠段指进水口前开挖平台60 m×20 m(长×宽)

表2 泄水建筑物前泥沙淤积高程及厚度

图3 坝前河床断面淤积示意图Fig.3 Sediment deposition on river bed in front of dam

图4 电站运用50 a末坝前淤积地形Fig.4 Deposition terrain in front of dam withrunning period of 50 years

3.3 电站引水口前泥沙淤积

电站引水口紧靠大坝右坝肩布置，进水口轴线与大坝轴线平行布置，距大坝轴线约66.5 m。进水塔采用岸塔式，依次布置有拦污栅段、进口段及闸门段，引水闸门前引水渠长60 m，底宽20.3 m，底板高程2 797.0 m。喇叭口段流道断面由11.5 m×11.1 m渐变为8.5 m×8.5 m，流道侧面与顶面均采用曲线过渡。总引水流量171.12 m3/s[1]。

在枢纽运行过程中电站引水口前产生缓流、回流淤积，淤积量随枢纽运用年限的增加逐渐增大。试验结果(表3、图5、图6)表明：枢纽运用50 a末，坝前450 m河段内泥沙淤积高程为2 775.4～2 788.0 m，低于电站引水渠底板高程；引水渠内泥沙淤积总量4 157.4 m3，淤积高程2 797.3～2 801.5 m，淤厚为0.3～4.5 m，淤积沿进流方向从渠首向电站进水口逐渐减小，进水口前形成冲刷漏斗，漏斗纵坡1∶4.2；淤积对电站正常引水影响不明显，引水渠内未见到卵石推移质。

图5 电站引水口处断面淤积示意图Fig.5 Deposition section at the water inletof power station

3.4 电站过机泥沙含沙量及粒径

扎拉电站运用后，进入坝区河段的泥沙以悬移质为主，推移质主要淤在水库中、上段。根据2011—2015年坝址断面悬移质来沙资料分析，6—9月份输沙量占全年的91.0%～94.1%，悬移质最大粒径为0.610 mm，中值粒径为0.016 mm，粒径>0.1 mm的粗沙量约占总沙量9.2%，中、枯水期来沙量很小，河道基本是清水[2]。试验中主要对汛期不同流量下电站引水隧洞内泥沙的含沙量及粒径级配进行了取样分析，试验结果(表4、图7)表明：电站引水隧洞内水流含沙量的大小和颗粒粒径变化主要受2个因素的影响，其一是入库水流含沙量的大小，遇高含沙量洪水时过机泥沙的含沙量和粒径明显较大；其二是水库运行年限，在水库运用初，水库沉沙作用较大，进入电站引水隧洞的水流含沙量和粒径明显小于入库泥沙的含沙量和粒径，随着水库运用年限的增加，库区淤积逐渐增大，水库沉沙效果减弱，进入电站引水隧洞的泥沙含沙量逐渐增大，粒径逐渐变粗。在汛期入库流量178～300 m3/s，入库悬移质含沙量0.261～2.498 kg/m3，泥沙中值粒径为0.016 mm；枢纽运用10 a末，电站引水隧洞内水流含沙量为0.121～0.642 kg/m3，过机泥沙中值粒径为0.006～0.010 mm，粒径中>0.1 mm的粗沙量占总沙量的0～2.2%；枢纽运用50 a末，库区泥沙冲淤达到基本平衡，电站引水隧洞内水流含沙量为0.214～1.292 kg/m3，过机泥沙中值粒径为0.011～0.014 mm，粒径>0.1 mm的粗沙量占总沙量的3.2%～6.6%，与入库水流的含沙量和泥沙粒径逐渐接近。

4 枢纽建筑物布置合理性分析

扎拉水电站泄水设施布置于主河槽，正面迎流，有利于枢纽汛期泄洪排沙，试验结果表明：枢纽运用50 a末，水库泥沙冲淤基本平衡，坝前泥沙淤积高程与底孔进口底高程基本齐平，对底孔泄流排沙影响不大，2个底孔布置高程和泄流能力能满足水库泄洪排沙要求。

电站引水口紧靠大坝右坝肩布置，引水口底板高程2 797 m，枢纽运用50 a末，近坝段河床淤积高程低于引水渠底高程，在引水口前形成稳定的冲刷漏斗，闸口处淤厚仅0.3 m，对电站正常引水影响不明显，引水渠内未见到卵石推移质。

综上所述，枢纽建筑物总体布置格局基本合理，能满足电站泄洪排沙、取水发电的要求。

5 结论与建议

(1) 扎拉水电站蓄水运用后，库区泥沙先在水库中上段集中落淤形成三角洲淤积体，随着水库运用年限增加，三角洲不断向坝前推进，枢纽运用50 a末，水库排沙比达91.2%，库区泥沙基本达到冲淤平衡，水库泥沙淤积总量约697.02万m3，为总库容的66.45%。

(2) 枢纽运用50 a末，坝前淤积高程与底孔进口底高程基本齐平，近坝段河床淤积高程低于引水渠渠底高程，坝前淤积对底孔泄流排沙影响不大。

(3) 电站引水口前产生缓流、回流淤积，枢纽运用50 a末，引水口前形成稳定的的冲刷漏斗，引水渠内泥沙淤厚0.3～4.5 m，淤积分布沿进流方向从渠首向电站引水口逐渐减小，淤积对电站正常引水影响不明显，渠内未见到卵石推移质。

(4) 电站过机泥沙含沙量随枢纽运用年限的增加而逐渐增大、粒径逐渐变粗，枢纽运用初期，过机泥沙中值粒径≤0.01 mm，基本没有>0.1 mm的粗沙，枢纽运用50 a末，遇常年含沙量洪水，入库悬移质含沙量0.261 kg/m3时，电站引水管内水流含沙量为0.214 kg/m3，过机泥沙中值粒径为0.011 mm，粒径>0.1 mm的粗沙量占总沙量的3.2%。

(5) 枢纽建筑物总体布置格局基本合理，水库汛期排沙调度运行方式可行，能满足电站泄洪排沙、取水发电的要求。建议遇高含沙量入库洪水时，暂停发电，降低坝前水位排沙，以尽量减少水库泥沙淤积，减轻机组磨损；同时，在水库运行后，定期测量水库淤积地形，及时掌握水库淤积状况，为实施排沙减沙措施提供依据。

[1] 长江勘测规划设计有限责任公司.西藏自治区玉曲河扎拉水电站预可研枢纽布置及导流专题报告[R].武汉：长江勘测规划设计有限责任公司，2012.

[2] 长江勘测规划设计有限责任公司.西藏自治区玉曲河扎拉水电站可研阶段正常蓄水位选择专题研究报告[R].武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2015.

[3] 长江勘测规划设计有限责任公司.西藏自治区玉曲河扎拉水电站可研阶段泥沙专题研究报告[R].武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2016.

[4] 卢金友.长江泥沙起动流速公式探讨[J].长江科学院院报，1991,8(4)：57-64.

[5] 黄建成，王 军，马秀琴，等.西藏玉曲河扎拉水电站可研阶段泥沙模型试验研究报告[R].武汉：长江科学院，2016.

[6] 潘庆燊.长江水利枢纽工程泥沙研究[M].北京：中国水利水电出版社， 2003.

[7] 长江三峡工程开发总公司技术委员会.长江三峡工程泥沙问题研究[M].北京：知识产权出版社，2002.

(编辑：姜小兰)

Influence of Reservoir Sedimentation on Operation of Tibet’s Zhala Hydropower Station

HUANG Jian-cheng1, ZHAO Ping2, YAN Xia1, MA Xiu-qin1, ZHOU Yin-jun1

(1.River Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China； 2.Department of Transboundary Rivers，Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

In order to investigate the influence of reservoir sedimentation on the operation of Zhala hydropower station on Yuqu River of Tibet, we conducted overall physical river model test and researched the sediment accumulation process in an operation period of 50 years, the distribution and elevation of sediment deposition in front of discharge structures and water inlet of the power station, as well as the sediment characteristics through turbines. Research results suggest that in the end of the 50-year operation, the sediment of the reservoir area basically reaches scouring-deposition balance, with total deposition quantity reaching about66.45%of the reservoir capacity. The sedimentation elevation in front of the dam is almost equal to the elevation of water inlet bottom of bottom hole, posing little impact on sediment discharge through bottom hole. Moreover, apparent scouring funnel is formed in front of the power station inlet, indicating that sediment accumulation in approach channel has no obvious influence on water diversion of the power station. In initial impoundment period, the particle size of sediment through turbine is less than or equal to 0.1 mm, but in the end of the 50-year operation, coarse sediment (particle size larger than 0.1 mm) accounts for 3.2% of the total sediment through turbine. In the aim of reducing sedimentation and abrasion to the power units, we recommend to optimize the reservoir scheduling and to improve the sediment discharge efficiency in the next stage.

Tibet’s Zhala Hydropower Station; sediment deposition of reservoir; sediment deposition in approach channel of power station; sediment concentration; sediment through turbines; river model

2016-09-26；

2016-11-03

国家自然科学基金项目(51579014)

黄建成(1962-)，男，湖南长沙人，高级工程师，主要从事河流工程泥沙研究，(电话)027-82829873(电子信箱)1060912752@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160994

2017,34(6):7-11

TV145

A

1001-5485(2017)06-0007-05