CCS 水电站大流量高含沙水流减排沙系统研究

邢建营，谢遵党

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州450003）

1 工程概况

科卡科多·辛克雷（Coca Codo Sinclair，简称CCS）电站工程位于亚马逊河二级支流科卡河（Coca River）上，距离厄瓜多尔首都基多130 km，电站建成后年均发电量约87亿kW·h，能够满足厄瓜多尔全国三分之一以上的电力需求，结束该国进口电力的历史[1-2]。

CCS电站为高水头特大型冲击式水轮机组电站，总装机容量为1 500 MW，设计最大净水头618 m，是世界上总装机规模最大的冲击式水轮机组电站[3]。其中冲击式水轮机喷嘴出口流速110 m/s，斗叶相对流速51 m/s，高速高压水流中掺杂的颗粒极易导致喷嘴或者水斗等重要部件被磨蚀，降低设备的服务年限。

对于冲击式水电站[4]，水轮机的磨损与水中泥沙含量、泥沙粒径、水头、水轮机制造工艺水平、水流相对流速、泥沙的磨损能力综合系数、机组实际运行时间、水轮机制造材质的耐磨系数等诸多因素有关，为了防止水中有害泥沙对水轮机的磨损，影响发电效益，通常工程设计中采用沉沙池、拦沙坎等进行处理。

针对该工程的泥沙问题，考虑在工程枢纽布置上考虑多级减沙排沙措施，即把首部枢纽布置在宽浅库区下游，充分发挥水源水库库区沉沙功能；取水口布置在河道右岸，避开在主河槽流速较大的位置取水，采用侧向引水、正向冲沙的方式，降低取水口水源的含沙量；取水口附近布设冲沙闸，保证“门前清”，减少泥沙淤积对取水口的影响；将大流量低耗水可调节连续式沉沙池作为CCS水电站多级减沙排沙系统的核心；采用经验公式法确定淤积总量、数值分析法模拟泥沙淤积分布，据此在调蓄水库内选择合适的清淤方式进行精准清淤。

2 水源水库沉沙

2.1 流域概况

Coca流域位于厄瓜多尔北部地区，水系及水文站网见图1，流域面积4 004 km2，属亚马逊河水系。Coca干流是Napo河的支流，发源于Antisana火山东麓，由Coca河和Quijos河组成，支流Salado河与干流交汇口以上河段称Quijos河，以下河段称Coca河。Coca干流河道长160 km，天然落差为5 200 m左右，Quijos河长约85 km，流域面积2 677 km2，Coca河长约75 km。支流Salado河发源于安第斯山脉Cayambe火山东麓，发源地海拔5 790 m，西北东南流向，在Reventador火山南侧汇入Quijos河，河口以上流域面积920 km2，河长约70 km。流域内分布有高山气候区、热带草原气候区及热带雨林气候区，降雨量由上游地区1 331 mm（Papallacta站）向下游逐渐递增到 4 834 mm（San Rafael站）、6 122 mm（Reventador站）。

图1 Coca河流域水系及水文站网

2.2 电站调度要求

根据水电站动能分析结果和国家电网对CCS水电站的调度要求，电站装机容量需要1 500 MW，多年平均发电量87亿kW·h，根据净水头分析，平均流量需要220 m3/s以上，考虑生态流量的下放要求，取水口应在Salado河与Coca河汇合口下游。

2.3 泥沙防控措施

根据电站对径流量的要求，首部枢纽布置在Salado河与Coca河汇合口下游1 km处，该处上游库区河道宽浅，坝址处河道缩窄，并有河心岛可以利用，从地形条件看是优良的枢纽布置区。另外，库区内河道比降为0.50%，远低于上游河道比降（0.89%），水流进入库区后流速变缓，推移质泥沙和部分悬移质泥沙在库内沉积，有效降低了取水口附近的含沙量。

3 首部枢纽布置减沙

3.1 地形地质条件

首部枢纽库区[5]由Quijos河谷、Salado河谷及汇合后的Coca河谷组成，在两河交汇一带以相对宽广的U形谷为主，谷底宽300～700 m，发育多处河心滩、河漫滩，河道纵比降0.27%～0.47%，河谷岸坡陡峻。坝址处的突出特征是河谷中间凸现一锥形花岗岩侵入体，受该侵入岩体控制，河道宽度缩窄形成了V形峡谷。河道在右岸形成一个弯道，河道左岸有一垭口，最低处高出河床仅约25 m。

3.2 布置研究

根据工程区地形地质特点，并考虑排沙冲沙要求，进行了多种布置方案的经济技术比选，最终确定采用左岸集中泄水布置方案。该布置方案具有以下特点。

（1）充分利用混凝土面板堆石坝对地基适应能力强的优点，在主河道深厚覆盖层上布置混凝土面板堆石坝，减少地基处理投资，方便施工，缩短工期。

（2）取水闸和沉沙池布置在中部侵入岩体下游侧，充分利用河心岛山体挡水，同时减少基础土石方开挖量和基础处理工程量。

（3）溢流坝和冲沙闸基础置于深覆盖层上，但地基土层已完成固结，密实程度较高，地质条件优于右岸主河道。采用左岸集中泄水布置方案是技术经济综合选择的结果。

（4）取水口布置在河道右岸，避开主河槽流速较大的区域，采用侧向引水，降低取水口水源的含沙量。

（5）在取水口附近布设冲沙闸正向冲沙，保证引水口附近门前清，减少泥沙淤积对取水口的影响。

4 沉沙池沉沙

4.1 河道来水来沙情况及沉降要求

取水口河段多年平均流量291 m3/s，多年平均悬移质含沙量为1.01 kg/m3。泥沙级配见图2，中数粒径为0.46 mm，粒径大于0.25 mm的泥沙占68%。根据EPC合同要求，粒径0.25 mm以上泥沙的沉沙效率达到99.9%，冲排流量不超过引水流量的10%。

图2 沉沙池入池泥沙级配曲线

4.2 冲排沙布置研究

水利水电工程沉沙池的设计中[6]，沉沙池的冲排沙设施通常采用排沙闸、排沙廊道和排沙管道等，具体应用往往根据工程实际需要，选择单个或多个联合组成完整的冲排沙系统，其形式、布置等因地形、地质、引水流量、含沙量及运行要求的不同而不同。

根据沉沙池布置尺寸及水沙条件，采用一维非饱和输沙法进行计算[7-8]，计算结果见表1。根据计算结果，沉沙池全沙沉降率为80.0%，粒径大于0.25 mm的泥沙沉降率为99.9%，基本满足沉沙要求。由此可知，沉沙池[9-10]单池槽宽13 m、深11.70 m、总长150 m满足设计要求。

表1 沉沙池沉降计算结果

5 调蓄水库精准清淤

5.1 调蓄水库简介

调蓄水库主要功能是对输水隧洞引来的水量按电站运行要求进行调节，并进一步降低泥沙含量，减少其对水轮机的磨蚀，调蓄水库布置见图3。首部枢纽的引水通过输水隧洞进入调蓄水库，输水隧洞出口位于库区左岸接近库尾，压力管道进口塔架位于库区右岸，与放空洞塔架并排布置。水库正常蓄水位1 229.50 m，死水位1 216.00 m。按照电站运行要求，调蓄水库为日调节水库，调节库容80万m3。泥沙淤积不仅侵占调蓄水库的调节库容，而且不清理或清理不当将增大过机泥沙含量。为保证电站正常运行，需研究设置合适的减淤和清淤方式。

5.2 水库淤积形态研究

调蓄水库淤积来源主要包括输水隧洞来沙和Granadillas流域来沙两部分，调蓄水库多年平均入库流量187 m3/s，多年平均来水量为59亿m3。调蓄水库年均入库悬移质沙量为110万t，其中通过输水隧洞入库泥沙107.5万t、调蓄水库Granadillas流域的天然来沙2.88万t，泥沙干容重按1.33 t/m3考虑，约83万m3/a。水库年平均进口含沙量为0.2 kg/m3，中值粒径为0.055 mm。汛期（4—9月）进口含沙量为0.247 kg/m3，非汛期（1—3月及10—12月）进口含沙量为0.187 kg/m3。进入调蓄水库的泥沙级配见图4。

5.3 调蓄水库减淤和清淤布置

（1）挡渣坝设计研究。为了拦挡Granadillas流域的推移质，防止河道内推移质进入调蓄水库内，调蓄水库库尾设置拦渣坝。为尽可能多拦挡Granadillas流域的推移质，拦渣坝应尽可能布置在Granadillas河谷的下游；拦渣坝的布置不能影响输水隧洞出口闸的运行。根据Granadillas河谷的地形地质条件，坝址选择在河谷相对较窄的地方，拦渣坝布置在距离输水隧洞出口闸上游50 m处。

图3 调蓄水库布置

图4 调蓄水库入库泥沙级配

（2）清淤设计研究。根据调蓄水库库区形态、库容、建筑物布置和环境保护等要求，该区域不适宜采用水力排沙设施（洞）排沙。为保证压力管道进口前形成较稳定的排沙漏斗以保证电站正常发电，采用了机械清淤方式。该清淤方式具有移动灵活、深水清淤、排浆浓度大和用水量小等特点，通过定时清淤可以保证水库淤积不影响有效库容。

6 结 论

针对该工程的泥沙问题，经过研究采用优化首部枢纽布置，加大水库沉沙作用，首部枢纽减沙排沙布置设计，大流量低耗水可调节连续式沉沙池技术，调蓄水库精准减沙排沙设计等多级减沙排沙系统，有效降低了过机泥沙含量。

经现场检测，尾水出口处泥沙含量为0.032～0.244 kg/m3，实现了过机泥沙含量减少70%以上。