西霞院电站机组尾水异常上升的原因分析

刘耀 陈伟 宋丽波

摘要：黄河主汛期，西霞院和小浪底水库降水位运行，黄河水携沙能力剧增，西霞院电站机组全停避沙期间，机组尾水闸门室水位突然异常升高。经过调查研究，对尾水闸门室异常来水情况逐一进行了分析探讨，根据宾汉体领域相关研究成果，找出了机组尾水异常上升的原因。

关键词：尾水位升高;淤堵;浆河;含沙高浓度流体;宾汉体;扩散半径

1 西霞院工程概况

西霞院工程为小浪底水利枢纽的配套工程，位于小浪底水利枢纽下游16 km处。西霞院是小浪底的反调节水库，正常蓄水位为134 m，死水位为131 m，总库容为1.62亿m3，淤积平衡后有效调节库容为0.45亿m3，电站总装机容量为140 MW，首台机组于2007年6月发电。西霞院作为具有日调节性能的反调节水库，利用调节库容，对小浪底因调峰引起的不均匀下泄流量进行调蓄，保持黄河流量平稳下泄。

2 事件背景

2020年6月14日—25日，根据黄河防总指令，黄河小浪底水库和西霞院水库联合调度下泄流量由1 000 m3/s逐渐增大到4 500 m3/s，为黄河流域调水调沙拉响前奏。小浪底电厂6台机组满出力运行，开启3条排沙洞、1条孔板洞，西霞院开启7孔泄洪闸、2条排沙洞、3条排沙底孔进行排水排沙。2020年7月6日，小浪底水库水位为220.66 m，西霞院水库水位为131.24 m，小浪底排沙洞开始出沙。2020年7月23日—8月6日，小浪底水库保持205 m高程运行。

3 事件经过

西霞院4台机组于2020年7月23日上午停机避沙，机组进口闸门全关，机组上游侧流道排空，为防止尾水泥沙淤堵机组尾水闸门使闸门无法提起，需保证4台机组尾水闸门全部打开。2020-07-24T08：00，西霞院水库水位为130.16 m，尾水位为122.05 m，2号排沙底孔表层取样泥沙含量最高达到562 kg/m3，由于环境限制，当时取样设备无法下到底层，但根据高含沙水流形态可以判断底层含沙量应该远远大于表层含沙量。2020-07-24T08：30，西霞院机组尾水管水位上升明显，高于尾水位2 m，现场工作人员立刻展开全面排查，当时西霞院4台机组共12扇工作闸门处于全关位置，未发现明显漏水情况。初步认为排沙底孔出沙量过大，机组尾水与下游河道落差小，再加上位于尾水正后方挡水墙的阻挡作用，一部分流体沙返回机组尾水洞方向，造成机组尾水洞淤堵。工作人員全体待命，做好抢险的设备及物资准备。2020-07-24T10：00，值班人员发现2号排沙底孔在工作闸门全开情况下，位于水面下13 m的挡水墙处浪花逐渐趋于平静，整个机组下侧尾水充满黏稠状的泥沙流体。2020-07-24T12：00，4台机组尾水管水位同时上升至127 m高程。2020-07-24T13：10，西霞院电站坝后厂房机压配电室下游墙体开始渗水，现场人员分为两组，一组人员通过防汛沙袋和防雨布建立临时流道，将渗漏进厂房的积水引流至95 m廊道积水井，最后使用渗漏排水泵将水抽出;另一组人员分别往4个机组尾水闸门室安放2台100 m3/h的潜水泵，将积水抽至下游河道，以降低机组尾水闸门室水位。2020-07-24T14：40，机组尾水闸门室水位低于127 m高程，厂房停止漏水。2020-07-24T14：00，2号排沙底孔出水口翻涌浪花逐渐出现。2020-07-24T22：00，机组尾水闸门室水位不再升高。

4 尾水闸门室水位升高的原因分析

为了找出此次西霞院电站机组尾水闸门室水位突然异常上升的原因，确保电站水工建筑物、金结设备、发电设备安全运行，笔者结合多年工程管理经验，做出以下分析。

4.1    异常来水原因分析一

机组尾水闸门室水位突然异常上升，与两个方面原因密切相关：一是机组尾水出口淤堵，尾闸室内积水过流不畅，造成机组尾水闸门淤堵，异常来水进入尾水闸门室后不能流到下游河道，使尾水闸门室水位不断抬高。二是有异常来水，但其疑点较多。高含沙时期，机组进口工作闸门底坎处容易堆积大量泥沙，进口工作闸门关闭不严造成漏水的可能性很大。但是西霞院机组提前停机避沙，在泥沙含量达到20 kg/m3时就提前依次停机，过机含沙量并不高，且机组停机后立即全关机组工作闸门。闸门全关到位后再反复小开度开关几次，确保闸门与底坎之间无泥沙等异物。但是，4台机组尾水闸门室水位突然同时升高，且水位高度一致，这说明机组工作闸门即使有漏水，也不是此次异常来水的主要原因，因为4台机组进口闸门渗漏量不会完全一样，最终尾水闸门室水位也会有高有低。前段时间的电站值班记录显示，2020年7月7日—13日，西霞院4台机组停机避沙，7号机和9号机进口闸门和尾水闸门均保持全关，经过6天时间，7号机和9号机尾水闸门室水位并未见明显升高，因此判断进口闸门漏水导致尾闸室水位上升的可能性较小。

4.2    异常来水原因分析二

根据常理，水往低处流，考虑到大坝坝体漏水的情况，工作人员查看常年监测数据，并未发现异常趋势，西霞院库水位已在2020年7月8日降至130 m高程运行，即使渗漏量突然增大，也不会在几个小时后突然自行停止渗漏并恢复正常状态，因此坝体漏水导致尾闸室水位上升的可能性较小。

4.3    异常来水原因分析三

当天西霞院2号排沙底孔突然改变流态，呈现“浆河”现象，且时间上与机组尾水闸门室水位上升高度重合。当时尾水位高程为123 m，但是机组尾水闸门室水位却最高升高至127.7 m高程处。查阅电站的施工设计资料后，得知4台机组尾水洞平行布置，间隔2 m，在2台机组之间布置1条排沙底孔，根据沙重水轻的原理排减机组进口闸门下方的泥沙，防止泥沙进入水轮发电机组流道，保证机组安全。排沙底孔直径5 m，进口底坎位于106 m高程，机组进口底坎位于114 m高程，但流道出口都布置在同一横截面，并处于同一水平面的99.48 m高程处。机组尾管水出口为喇叭形状，前小后大，最后出水口直径为7.81 m。电站设计时，为防止机组及排沙底孔出水冲刷下游河道基础，造成水工建筑物存在安全隐患，建造了消力塘对水流进行消能，消力塘底部在距离出水口71.7 m处开始逐渐抬高，经过60 m距离逐级提高到108 m高程形成挡水墙消能，挡水墙高达到8.52 m，在平时清水下泄情况下，挡水墙起到了良好的消能作用，保证了水工建筑物的安全。

但是，2020年7月24日，西霞院库水位为130.2 m高程，尾水位高程为123 m，机组已停机避沙，尾水闸门保持全开，3条排沙底孔全开，当高含沙泥流经过时，上下游水面落差只有7 m，在挡水墙的阻挡作用下，2号排沙底孔出现了一段时间明显的断流、缓流现象，此为黄河特有的“浆河”现象。由于泥沙淤堵，水流无法及时宣泄到下游，在水库上游至流道底部0.3 MPa压力作用下，由于反渗作用通过机组喇叭形出水口倒流回机组侧，机组蜗壳整体封闭，只有机组尾水闸门还有空间，造成机组尾水闸门室内水位缓慢升高，当升到127.6 m高程时，积水顺着闸门尾水冲淤平压系统电缆管道流入厂房，这导致电站机组尾水异常上升的可能性较大。

4.4    理论依据

研究表明，含沙高浓度流体具有明显的宾汉体特性，流变方程一般符合宾汉提出的切应力方程[1]：

含沙高浓度流体的流动，类似牛顿流体，也存在着层流、层流向紊流过度、紊流等流态。在天然河流中，当含沙量超过某一数值，而流速减小到一定数值时，整个流体有可能已不能保持流动状态，就地停滞不前，产生“浆河”现象，但上游继续向下输送流体，使进口断面流体势能增大，达到一定数值后又恢复流动，这种停滞-流动-停滞-流动的往复循环，就是含沙高浓度流体的间歇流。

近年来，注浆工艺日趋成熟，软黏土层注浆处理在现代道路工程中得到了广泛应用，其原理是在软黏土层施加一定压力的浓度较大的水泥浆挤出软土层中的部分水体，从而固化软黏土。杨秀竹推导出了宾汉体浆液在砂土中进行渗透注浆时，有效扩散半径的计算公式[2]：

式中：Δp为注浆处水头与注浆压力差;l1为有效扩散半径;?为孔隙度;l0为注浆孔半径;t为注浆时间;K为渗透系数;β、λ为流变参数，可根据宾汉模型公式求出。

通过上式，可以计算出方程中的有效扩散半径l1。

周逸通过室内试验、数值模拟计算得出，在一定浆液浓度、压力、时间下，扩散半径达50～190 cm，并在施工中得到了印证[3]。西霞院机组尾水出水口与排沙底孔出水口布置在同一水平面、同一横截面，被泥沙淤积成一个整体，完全符合注浆模型。在尾水挡水墙的作用下，泥沙折返沉积形成一个112 m×127 m×20 m的相对稳定的软黏土立方体，此时在排沙底孔的含沙高浓度流体继续注入，软黏土立方体在一段时间内相对稳定，内部水体被挤出，尾水闸门室底部及机组尾水管内被挤出的水体集中到尾水闸门室，经过数小时积累，尾水闸门室水位不断升高，随着水头升高，压力增大，在排沙底孔进口持续向下游输送流体的叠加压力下，尾水软黏土立方体逐渐瓦解，排沙底孔缓慢恢复高速过流，尾水闸门室水位不再升高，随着尾水软黏土立方体消失殆尽，机组尾水闸门室水位与尾水贯通平压，恢复正常。

5 結语

西霞院电站机组尾水闸门室水位异常升高现象在国内外极少出现，为黄河流域水利枢纽中特有的罕见现象。面对这种新情况，本文深入细致地开展了调查分析研究，及时处理了此次异常事件，没有对工程枢纽造成损失。目前，人类对黄河泥沙的认识还在不断探索中，应不断加强认识和研究出现的新情况，掌握客观规律，趋利避害，从而充分利用黄河为人类服务。

[参考文献]

[1] 王国兵，窦国仁.含沙高浓度层流的浆河及间歇流[J].水利水运科学研究，1993（2）：119-125.

[2] 杨秀竹，王星华，雷金山.宾汉体浆液扩散半径的研究及应用[J].水利学报，2004，35（6）：75-79.

[3] 周逸，袁建议，张定邦，等.公路软粘土层注浆试验分析及效果评价[J].湖北理工学院学报，2018，34（3）：56-61.