巴基斯坦达苏水电站冲沙设施效果的试验研究

2017-09-11M.

水利水电快报 2017年8期

[] M.

[巴基斯坦] M.阿克拉姆等

建于印度河上的达苏水电站工程项目由世行资助，其目的是为巴基斯坦提供清洁能源，目前已开始了前期建设工作，计划于2021年完成第1阶段工程(2 160 MW)。达苏水电站的使用寿命有赖于70 km库区入库泥沙的处置。旨在为该水电站泥沙治理提供新的解决方案，以利于工程效益的发挥与最大化。

水库泥沙淤积；冲沙效果；水工模型试验；冲沙隧洞；底孔冲沙；达苏水电站；巴基斯坦

虽然经过了70多年的研究，水库泥沙淤积仍然是大坝工程专业面临的最严峻的技术挑战之一。泥沙淤积导致全世界水库的蓄水库容急剧减小，早期的处置措施是提供充足的库容以容纳泥沙淤积。然而观测发现：大多数水库的泥沙淤积起始于水库上游段，因而所侵占的往往是有效库容。

维持水库库容和促使泥沙下泄的泥沙治理技术很多，其中大多数典型技术所要求达到的治理目标可总结为“蓄清排浑”，很多治理技术也已经成功应用于多种类型水库。尽管专业术语存在差异，有学者还是将泥沙治理技术辨识为3大类别，即水库过沙或旁侧输沙方法、水库清淤恢复库容方法，以及水库上游来沙最小化方法。

前2类方法既维持了水库库容又为下游河段供给泥沙，第3类上游减沙方法仅能解决水库库容问题而不能解决下游输沙阻断问题。阿特莫迪和苏里宾2012年的研究总结认为：有效的冲沙水位接近于泥沙淤积体的顶高程，因为此时可以触发顶层泥沙的冲刷，进而产生最大冲刷。高于或低于有效冲沙水位的有压冲沙，其冲沙效果均较差。

康道夫等指出：水库拦沙阻断了河流输沙的连续性，不仅造成了水库库容的损失和水库使用寿命的缩短，同时也剥夺了下游河段的输移泥沙，而这些泥沙对于河道稳定与水生生境至关重要。随着全球大坝建设的加速，这些影响将还会进一步扩大。虽然有关水库过沙、旁侧输沙、维持水库库容和减小下游影响等成熟技术很多，但是在某些本应该有应用效果的场合，它们并没有得到采用。

艾萨克和埃尔多研究发现：流量75 m3/s时的冲沙效果不佳，冲沙量仅为12.8万m3，不到36 h泥沙淤积总量的30%；但是对于大流量150 m3/s和300 m3/s，有效冲沙遍及整个库区河段；峰值流量300 m3/s时，24 h内可以冲刷1 a的泥沙淤积量；次级流量150 m3/s的冲沙也是有效果的，只是此时需要更长的冲沙时间。

综合考虑相关文献的研究成果和达苏(Dasu)水电站工程项目的具体情况，本文开展了达苏水电站冲沙设施效果的评估工作，以期达到维持水库库容的目标。

1 试验方法

1.1 工程位置与研究方法

达苏水电站是建在印度河上的一座径流式水电站，位于巴基斯坦开伯尔巴图克瓦省(Khyber Pakhtunkhwa)达苏镇上游7 km、伊斯兰堡(Islamabad)以北345 km处，工程方案的主要特征指标见表1。

为研究水库在确定的运行时间内泥沙的淤积规律，达苏水电站咨询委员会(DHC)在详细工程设计时开展了泥沙冲淤计算分析，计算条件是库水位维持正常蓄水位(FSL)950 m运行和不采用任何冲沙调度运行。

表1 达苏水电站的设计特征值

1.2 水工模型研究

考虑到水库泥沙淤积问题与达苏水电站工程方案的重要性，决定开展详细的水工实体模型研究，以确保大坝及其附属建筑物的有效运行。同时，为了延长工程寿命，有必要对水库的淤积泥沙进行冲刷，推荐了底孔和冲沙隧洞2类冲沙设施。为了评估冲沙设施的效果，提出了下列2种水工模型。

(1)整体模型(比尺1/80)。模拟的大坝河段长度约7.5 km，包括坝上游3 km区域、泄洪闸、底孔、分洪隧洞和电站设施等。

(2)底孔断面模型(比尺1/40)。采用树脂玻璃制作一座底孔，包括上游检修闸和下游弧形节制闸；测试的水工参数包括流量、压力、水深和泄流水舌轨迹等。

1.2.1 冲沙流量

考虑年均流量2 012 m3/s，达苏水电站冲沙设施的设计泄流能力应该大于4 200 m3/s。因此需要对底孔进行设计变更，在维持正常蓄水位950 m与最低运行水位900 m之间库容前提下，满足自由泄流下的降水冲沙。2004年，怀特博士(《水库清淤》一书(2001年)作者，卡拉巴格(Kalabagh)大坝专家组成员)提出：基于国际大坝委员会注册的现状大坝运行数据，冲沙流量至少应该取年均流量的2倍。

1.2.2 整体模型

整体模型的原型比尺为1/80，建在南迪普(Nandipur)水工研究所。按照佛汝德数相似准则，将全部建筑物制作为定床模型。采用水泥混凝土，对高程760 m至高程975 m(坝轴线上游)和高程875 m(下游)的河谷地形进行精确制模，并在模型中制作了所有工程建筑物。模型上游末端安装2台长2.7 m、高0.9 m薄壁堰进行流量测量(见图2)，采用美国垦务局《水工测量手册》推荐的雷伯克(Rehbock)堰流公式计算流量。模型与原型数据转换见表2。

表2 模型数据与原型数据转换关系

整体模型中制作了9座直径6.4 m底孔，并对它们进行了不同流量下的试验测试；库水位经过适当时间的稳定之后，对各级流量下的模型水头进行记录。底孔试验之后，设计推荐提出了直径9.5 m冲沙隧洞方案，以确保泥沙颗粒的有效冲刷。共开展了2类冲沙试验，即高水位下的有压冲沙和降低水位下的降水冲沙，以增加趋近冲沙设施水流的流速。原设计2座冲沙隧洞均位于右岸，制作的模型见图1。

图1 整体模型

2 试验结果与讨论

2.1 水库泥沙淤积

不考虑冲沙运行时每5 a水库泥沙淤积三角洲的纵剖面线见图2，采用一维HEC-RAS模型计算的入库泥沙拦沙率为58%，与布伦(Brune)公式计算的拦沙率61%吻合较好。

图2 正常蓄水位运行条件下每5 a水库泥沙淤积纵剖面

每5 a泥沙淤积剖面线特性分析表明：

(1)基于每5 a泥沙淤积三角洲纵剖面线，水库运行20～25 a后电站和底孔取水口将会淤满泥沙；

(2)第1阶段工程投运15 a后，坝上游约9 km处泥沙淤积三角洲将淤积至高程780 m，而三角洲顶点将达到高程910 m；

(3)预计泥沙淤积三角洲很快到达坝前，超过三角洲的稳定比降，这可能会引起三角洲的突然崩塌，造成底孔进口淤堵；第1阶段工程投运25 a之内，电站和底孔取水口设施将会淤满泥沙。

2.2 底孔冲沙效果

首先开展有压流和自由流条件下的底孔冲沙试验。为了进行该项试验，采用了粒径0.18 mm的无粘性细颗粒泥沙，对底孔上游进行了动床铺沙准备。临近底孔处由固定床面高程800 m铺沙至动床顶高程830 m，然后往上游方向以20°倾角抬升至顶高程870 m。

2.2.1 有压冲沙

开启底孔进行模型试验，调整库水位稳定至高程900 m；试验10 h之后，停止放水，小心放空模型。模型试验观测表明：动床床面保持不变，没有观测到泥沙运动；即使重复试验10 h，情况仍然不变，增加入流也没有冲沙影响。

2.2.2 降水冲沙

降水冲沙条件下泥沙床面的准备与上述有压冲沙一样，以制模床面不受干扰的方式将库水位蓄高至900 m；然后开启全部底孔，降低水库至“平衡”库水位，维持水位运行模型10 h。试验观测表明：仅在底孔前方40～45 m区域冲沙有效。

模型试验表明：底孔冲沙效果不明显，仅能观测到局部冲刷；在底孔断面模型上重复上述试验，结果一样。之后，设计增加了冲沙隧洞。

2.3 右岸双座冲沙隧洞试验(原设计)

根据已建整体模型右岸的形状与地形制作冲沙隧洞，模拟的坝上游河段超过3 km。每座冲沙隧洞包括取水口建筑、隧洞圆形断面段、控制闸室及其下游马蹄形断面段、挑流出口段等部分，所有部分均按照设计图纸与尺寸采用树脂玻璃精确预制并安装在模型上，安装之后依据地形等值线数据重建河岸。

2.3.1 泥沙床面830 m试验

采用平均粒径0.18 mm非粘性清细沙，对模型坝上游泥沙床面进行制模，即顶高程830 m、往上游方向坡比1∶500、淤积三角洲河段试验长度3 km。设计泥沙床面制模完成后，借助埋置于淤积三角洲下面的环形管回填模型，并避免扰动淤积三角洲。回填后开展如下模型试验：

(1)下泄流量2 100 m3/s下冲沙隧洞运行试验；

(2)下泄流量4 400 m3/s下冲沙隧洞与9座底孔联合运行试验。

2组试验表明，淤积三角洲高程830 m条件下的冲沙没有明显效果。

2.3.2 泥沙床面835 m试验

按泥沙床面顶高程835 m制作模型，其他参数不变。模型运行隧洞冲沙10 h，并同时开启9座底孔；试验末期关闭所有运行设施，小心放空模型，记录床面地形。试验观测表明：泥沙床面出现沙波起伏，冲沙隧洞前缘水面高程844 m，冲沙隧洞前沿取水口出现局部冲刷。

2.3.3 泥沙床面845 m试验

按泥沙床面顶高程845 m制作模型，试验结果表明：模型10 h运行期间，水面高程由开始运行的852 m经过冲刷下降至844 m。试验后床面地形显示：右侧出现泥沙冲刷，但左侧电站取水口前缘泥沙反而淤高至847 m。这表明：仅在冲沙隧洞取水口短距离区域冲沙有效，但对于对岸电站取水口前缘冲沙没有效果。

泥沙床面制模高程不变，试验时间由10 h延长至20 h和53 h，模型水流流态和床面等值线测量结果见图3。试验清楚表明：即使延长试验时间，电站取水口前缘淤积泥沙保持原样不变，但是对于冲沙隧洞取水口以上河段，冲刷却更加有效，这无疑应归因于试验时间的延长。

图3 模型冲沙运行20 h后坝上游床面形态(单位：m)

分析冲沙隧洞与底孔联合运行试验结果以后，决定关闭冲沙隧洞，观测底孔的冲沙效果，开展了如下试验：

(1)入流流量2 770 m3/s下 9座底孔运行；

(2)入流流量1 846 m3/s下左侧6座底孔运行(旨在冲刷电站取水口淤积泥沙)。

泥沙淤积床面高程845 m条件下进行了10 h冲沙试验，结果没有出现泥沙冲刷，尤其是电站取水口前缘，其原因是主流偏向右侧。

模型冲沙隧洞取水口上游河段略偏向右侧，该河段流态十分均匀，流速分布也均匀。冲沙隧洞位于坝轴线上游右岸，当水流趋近冲沙隧洞取水口时，大部分水流偏向取水口，剩余水流流向坝体底孔。冲沙隧洞取水口与坝体之间，高速水流流向右侧，形成深槽，且水流集中于此槽，其结果是电站取水口前缘出现低流速段，取水口前缘淤积泥沙难以冲刷。在泥沙床面顶高程835 m和845 m与模型试验时间10,20 h和53 h条件下，电站取水口前缘淤积高程分别达到837 m和847 m，右侧形成深槽，最低高程分别为825 m(10 h试验)和817 m(53 h试验)(见图4)。大部分冲刷泥沙经冲沙隧洞下泄，仅有少量泥沙经底孔下泄。10 h试验时，冲沙隧洞上游短距离区域内冲沙有效；但53 h试验之后，冲沙对于模型所有淤积三角洲河段均有效。底孔无论与冲沙隧洞联合运行还是单独运行，冲沙量都十分有限。鉴于冲沙隧洞取水口前缘渐进段和第1隧洞近临侧的河岸陡峭，第1隧洞右侧形成了一个永久泥沙淤积区。

图4 模型冲沙运行53 h后坝上游床面形态(单位：m)

2.4 一侧一座冲沙隧洞试验(新设计)

右侧双座冲沙隧洞方案模型试验表明：电站取水口前缘泥沙淤积无法得到冲刷，因此建议将一座冲沙隧洞移至左侧，并进行降水冲沙的联合效果试验。模型调整为左、右岸各一座冲沙隧洞，开展下列试验。

2.4.1 泥沙床面顶高程840 m

按泥沙床面顶高程840 m制作模型，往上游方向坡比1∶500，小心回填水库。模型试验流量2 120 m3/s，库水位到达857 m时打开2座冲沙隧洞运行10 h。基于视觉观察和测量数据分析可知：泥沙床面出现沙纹起伏，运行条件下冲沙隧洞前缘水面高程856.5 m，冲沙隧洞取水口前缘出现局部冲刷。

2.4.2 泥沙床面顶高程845 m

按泥沙床面顶高程845 m制作模型，往上游方向坡比1∶500，再次小心回填水库。模型试验流量4 400 m3/s，库水位到达857 m时同时打开冲沙隧洞和底孔运行20 h。基于视觉观察和测量数据分析可知：冲沙隧洞取水口最终水面高程由857 m大幅度降至845.2 m，试验后床面形态见图5，2座冲沙隧洞前缘冲沙均有效。

图5 模型冲沙运行20 h后坝上游床面形态(单位：m)

2.4.3 泥沙床面顶高程850 m

按泥沙床面顶高程850 m制作模型，往上游方向坡比1∶500。模型试验流量4 400 m3/s，库水位到达857 m时同时开启冲沙隧洞和所有底孔运行10 h。观测发现：冲沙隧洞取水口最终水面高程下降至846 m，2座冲沙隧洞前缘冲沙均有效果，其床面降低至835 m。

一侧一座冲沙隧洞方案试验表明：该方案布置非常有效，冲刷了电站取水口前缘的淤积泥沙，而这部分泥沙在右岸双座冲沙隧洞方案中无法冲刷。模型运行20 h，其有效冲刷范围上溯至坝上游1.5 m处；而且随着冲沙时间的延长，冲刷上溯更长。由于模型所采用的泥沙均值粒径0.18 mm对应的原型粒径为3.5 mm，因此试验结果是定性的，但是冲刷河段仍足以覆盖电站取水口前缘区域。

2.5 原设计与新设计冲沙效果对比

通过泥沙床面制模高程845 m、运行流量4 400 m3/s、2座冲沙隧洞和9座底孔冲沙运行10 h等条件下的原设计与新设计方案模型试验，获得了坝上游不同距离床面形态的详细断面图(见图6)。分析表明：对于原设计方案，右侧而非左侧的冲沙有效；而当隧洞每侧分置时，两侧的冲沙均有效果。