映秀湾水电站发电水体的泥沙特性和含量研究

倪 亮，罗勇钢，刘冠军，谢 凯

(南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司，南京 211106)

0 引 言

映秀湾水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县境内的岷江上游左岸，电站无水库储水，来水经三级拦污栅(第一级栅距为10 cm，第二和第三级栅距为5 cm)和引水涵洞进入水轮机组。由于映秀湾水电站所处岷江河段为山区河流，当遭遇暴雨时，河流中会出现大量泥沙进入发电水体，造成水轮机过流部件磨损破坏，严重影响了水电机组的正常运行和电网的安全稳定性。

造成水轮机磨蚀的机理包括空蚀、泥沙磨损以及二者的联合作用[1-3]。水轮机过流部件的磨蚀主要受过流部件材质、泥沙的颗粒特性、水沙条件等因素的影响[4,5]。其中，泥沙的颗粒特性包括泥沙的成分、沙粒的大小和形状等，水沙条件包括水流的含沙量和水流的流速等。对泥沙特性进行研究，实现泥沙含量的实时监测，一方面可以为电站水轮机的磨蚀防护和定期检修提供必要的参考依据，另一方面可为电站的调度运行提供决策支持[6-8]。本文利用材料表征的方法和浊度测量的原理，对映秀湾水电站发电水体的泥沙展开了研究，同时根据现场的水质条件和浊度测量特征设计了一套泥沙含量在线监测系统，成功应用于水电站闸首取水口发电水体浊度和泥沙含量的实时监测。

1 泥沙特性研究

1.1 粒度分析

电站闸首取水口采集水样，进行激光粒度分析实验，其粒度分布结果如图1所示。图1显示取水口水样所含泥沙的粒度分布在0.1 mm以下，主要集中在0.01～0.05 mm之间，中值粒径约为0.031 mm。根据表1中的数据得出泥沙的颗粒质量分布为：0～0.01 mm占比16.67%，0.01～0.02 mm占比13.3%，0.02～0.05 mm占比48.83%，0.05～0.1 mm占比21.2%。

图1 泥沙粒度分布图Fig.1 Particle size distribution of the sample

粒径/mm0.0100.0200.0500.100小于某粒径的沙重含量/%16.6729.9778.80100

1.2 成分分析

X射线衍射(XRD)是测定固体物质结构的重要方法。通过分析衍射图谱中的特征峰位置，半高宽和强度，可以得知材料的相组成、晶格常数和结晶强度。电站闸首取水口采集的水样经0.22 μm滤网分离提取泥沙样品，经烘干研磨后进行实验。本文中使用的X射线衍射仪的型号为ULTIMA-3，测试条件：Cu靶，扫描速率3 °/min，扫描区间5°～70°，步长0.01 °/s，工作电压40 kV，工作电流40 mA。对实验所获得的衍射数据用MDI Jade 6.0软件做图像处理和矿物相分析，并以《矿物X射线粉晶鉴定手册》和粉末衍射卡片(PDF，Power diffraction file)为参考[9]，从XRD图谱(图2)与标准卡片的对比得出，样品中含有的成分主要有石英、钾长石、钠长石、普通辉石、白云母、高岭石、角闪石等。由于成分的特征峰强度受样品中含量的影响，因此对图谱放大后进行分析，图3为XRD图谱的局部放大图，其中C/S、Ms、Hbl、C/K、Qtz、Mc、Ab、Cal、Aug分别对应绿泥石/蒙脱石混层、白云母、角闪石、绿泥石/高岭石、石英、钾长石(斜微长石)、钠长石、方解石、普通辉石的特征峰。图2、图3的结果显示映秀湾水电站发电水体中的泥沙成分与专家刘文基于岷江流域的分析结果基本一致[10]。

图2 泥沙样品的XRD图谱Fig.2 XRD pattern of the sediment sample

图3 泥沙样品XRD图谱局部放大图Fig.3 Partial enlarged detail of XRD pattern of the sediment sample

2 泥沙含量监测

2.1 系统设计

水电站在汛期时主要通过人工观测的方法判断是否停机，主要依据为栅压差和水体浑浊度，因此有必要通过在线监测的方式为电站的调度运行提供实时可靠的依据。

浊度是指水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度，是反映水体中悬浮物含量的代替参数，在工程实践中常利用浊度与泥沙含量的相关关系，采用浊度传感器来间接测定泥沙含量[11-13]。浊度法观测泥沙含量具有操作简便，自动化程度高等优势，可以消除人工观察的不利因素，因此可通过在电站闸首位置建立泥沙含量在线监测系统，实时监测发电水体的浊度和泥沙含量。

泥沙含量在线监测系统包括传感层、采集传输层及高级应用层三层结构，可实现浊度和泥沙含量数据的采集、传输、汇总、分析等功能，并可通过计算机实现远程控制，其系统结构示意图如图4。

图4 泥沙含量在线监测系统示意图Fig.4 Schematic diagram of on-line monitoring system for sediment concentration

2.2 系统的率定

在系统安装前，需要对浊度传感器进行率定，建立浊度测值与泥沙含量的对应关系，确保浊度传感器的测量准确性。系统的率定实验如下：用超纯水和泥沙试样配制不同泥沙含量的浊水，通过搅拌等方法使其分散均匀后进行浊度测定，然后将采集到的浊度测值和已知的泥沙含量建立对应的数据关系。由于映秀湾水电站上游河流含沙量较大，输沙量主要集中在5-10月的汛期，流域多年平均泥沙含量为0.72 kg/m3，多年平均过机含沙量为0.33～0.37 kg/m3[14]。对每一含沙量的浊水连续测定6次，取平均值，对实验数据进行线性回归分析，浊度测值与泥沙含量的对应关系为：

Y=0.002 8X-0.011 2

(1)

式中：X为浊度测值；Y为的泥沙含量，其相关系数R2达到0.998。将上述线性关系作为参数输入，泥沙含量在线监测系统即可同时输出浊度测值和泥沙含量值。

图5 浊度与泥沙含量率定关系Fig.5 Calibration relationship between turbidity and sediment concentration

2.3 系统的安装

在映秀湾水电站闸首取水口位置进行泥沙含量在线监测系统的安装，系统由浊度传感器、固定防护装置、数据采集装置和控制端组成，如图6所示。浊度传感器的安装高度根据电站取水口的实际情况确定，由于其闸前正常运行水位高程为943.5～945 m，取水口最低运行水位高程为941.5 m[15]，因此浊度传感器安装在942.5 m处，一方面使浊度传感器可在水体中实现连续监测，另一方面保证测量点距离水面的高度至少为1 m，以减弱外界光对浊度测量的影响。针对到岷江的水质条件，本系统设计了一套固定防护装置，通过限位装置减缓水流对传感器的冲击，同时通过钢索连接传感器，便于系统的安装和维护。

图6 泥沙含量在线监测系统安装示意图(单位：m)Fig.6 Installation schematic of on-line monitoring system for sediment concentration

图7 浊度传感器安装示意图Fig.7 Installation schematic of turbidity sensor

2.4 系统的应用

在系统投入使用后即对发电水体的泥沙含量进行实时监测，系统每5 min采集一次浊度和泥沙含量数据，定时发送至控制端。为评估系统的应用效果，每隔数天取水样，经实验室分析后与系统测得的泥沙含量数据进行对比，其结果如图8所示。浊度传感器的测值与实验室分析的结果趋势一致，说明浊度传感器的测值可以较好地反映流动水体的泥沙含量变化趋势。考虑到人工取样的位置易受水流影响而难以与传感器安装点位保持完全一致，导致实验室分析结果与系统测值容易存

图8 泥沙含量在线监测系统与实验室方法对比实验Fig.8 Contrast experiment between on-line monitoring system of sediment concentration and laboratory method

在误差，但是分析两者测值，泥沙含量在线监测系统测值与实验室分析结果的误差在可接受范围内，表明系统具有较高的应用可靠性。

3 结 论

本文通过材料表征的方法对映秀湾水电站发电水体的泥沙特性进行了研究，确定了泥沙的成分组成及粒度分布，为水轮机组的防磨蚀和维护提供了一定的参考依据。采用浊度测量的原理设计并建立了泥沙含量在线监测系统，并通过率定建立了浊度和泥沙含量的对应关系。系统在映秀湾水电站的应用结果表明，其运行情况良好，能够较好的反映流动水体的泥沙含量变化趋势，对电站的调度决策具有较高的参考价值。此外，由于采样方式的差异、率定公式应用环境变化等因素的限制，导致实验室分析结果与系统泥沙含量测值有所差异，后期仍需对泥沙含量在线监测系统不断观测并加以完善，使其更好地为水电站服务。

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