阿尔塔什发电洞“门前清”排沙洞运行方式研究

2022-12-23王青贤朱浩天陶文杰

水利规划与设计 2022年12期

王青贤，朱浩天，陶文杰

(1.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司，新疆喀什 844000;2.天津大学建筑工程学院，天津 300350)

水利工程通常建设在山川河流之上，可为人类社会带来灌溉、发电、防洪等直接或间接的效益。然而，大坝、水库通常建设在河流之上，会不同程度地加深河流水深，并抬高水位，进而导致河流水流流速和水面比降沿河道方向逐渐减小，水流挟沙运动的能力也因此减弱，最终，泥沙更易堆积在河道内，而不是被水流带走。

在拦河坝前水库区域，通常更易发生泥沙淤积，堆积的泥沙将会危害水利枢纽的正常运行，其危害亦体现在很多方面。其中最直接危害是减少水库的库容量，堆积在水库底部的泥沙，占用了相当一部分的水库库容，进而影响水库的发电、灌溉、防洪和蓄洪的效益，缩短水库的运行寿命；此外，若过量粗粒泥沙经进水口通过水电站的水轮机，会造成水轮机相应部件的损坏和侵蚀，带来安全隐患。因此，布置合理高效的防沙排沙设施显得格外必要。

河道会在拦河大坝的修建后发生一系列的变化，使得泥沙更易淤积，淤积的泥沙为水库的正常运行带来较大的安全隐患。因此，对坝前泥沙运动展开研究，并依据研究成果提出可行、高效的排沙减淤措施具有一定的必要性。

目前为止，处理水库坝前淤泥的措施，主要在于降低水位甚至放空水库后再进行清淤操作等。这些措施往往需要在特定的条件下进行，并且需要充分考虑与上下游水库的联动关系。在工程设计上，为在保持一定的水库库容的同时，保证水电站引水含沙量和沙砾的粒径满足要求，常排沙底孔于坝底，通过该坝底排沙孔排沙。在水库运行过程中，发电站引水发电时，淤积的泥沙通过该排沙孔穿越过坝体而不进入发电洞，该过程结束后，部分淤泥被排沙孔吸入，而剩余的淤泥将会以漏斗状堆积在排沙孔前方，因此，研究该漏斗的尺寸大小和形状特征是利用其提高排沙效率的关键。

目前水力学的研究手段主要有：基础理论分析、对原型进行观测记录、建立模型进行试验、以及利用计算机技术进行数值计算以模拟实际情况等。因为冲刷漏斗的形成受诸多因素影响，且其形态也多种多样，若使用数值模拟和原型观测的手段来研究，得出的结果在一定程度上不能直观、准确地指导工程建设。同时，目前国内已有的冲刷漏斗研究亦主要以物理模型试验的方式进行，得到的结果更贴近实际情况，为实际工程提供了重要依据，如三峡[1]和小浪底[2]。因此利用模型试验的方式，研究水库排沙孔前冲刷漏斗的形成和形态是目前最为可行的一种方式。

1 研究背景

阿尔塔什水利枢纽平面布置如图1所示，其工程等别为为大(1)型Ⅰ等，位于新疆叶尔羌河上游。本文为研究冲刷漏斗主要关注其发电洞和排沙孔的布置。枢纽设置1#、2#两个发电洞，均布置于水库的右岸，其主要作用是为水电站发电机组引入相应流量下的水流[3]，进口处的底板高程为1750m。枢纽设置1#深孔排沙洞，位于1#、2#发电洞之间，其主要作用是排出淤积的泥沙，以缓解泥沙进入到发电洞的情况，其进口处的底板高程较发电洞的低，为1715m。

图1 枢纽布置图

阿尔塔什水库作为一个泥沙问题较为突出的水库，在建成后易于发生水库淤积，进而对水库的正常运行造成危害。阿尔塔什水库的两个发电洞进口中间布置1#深孔排沙洞的目的就是通过合理有效运行该排沙洞实现发电洞进口“门前清”。为了保证发电洞门前为泥沙含量较少的净水，可利用布置在水电站进水口旁的特定排沙设施进行防水拉沙，排沙孔附近的局部区域流速增大，进而在进水口前方形成一个冲刷漏斗，使淤积的泥沙在漏斗作用下发生滑塌，最终发电洞进口前的泥沙淤积高度不断降低，泥沙便不会进入到发电洞中，实现“门前清”。

本文以阿尔塔什水库坝前泥沙模型试验的研究成果为基础，对该水库在排沙水位和正常蓄水位下不同运行方式下形成的坝前冲刷漏斗展开研究，分析其形态以及其在纵、横方向上的变化规律，提出排沙洞的合理运行方式，以保证“门前清”的实现。

2 坝前泥沙模型试验

本试验中，为研究坝前冲刷漏斗，物理模型中水流运动遵循重力相似和阻力相似准则。而对于泥沙而言，需要考虑不同时期内泥沙的具体运动情况，在泥沙运动主要表现为沉积的汛期，符合沉降相似准则；而在汛期，堆积的泥沙主要处于被冲刷的状态，此时符合起动相似准则。

本文物理模型试验中，的试验采用模型几何缩尺为150的正态模型模拟水库坝前的泥沙运动，并且以电木粉作为模型沙使用。物理模型试验的区域(布置如图2所示)应尽可能大，以保证试验结果的准确度，因此本文物理模型试验区域主要为水库坝前区域，模拟阿尔塔什水库从坝前到坝上游，包含了水库的库区、坝体等主要建筑物，以及本文重点关注的1#、2#发电洞和1#排沙洞。在本试验过程当中，须先聚积以木电粉为材料的模型沙，并聚积到坝前淤积高程，再开展后续的拉沙试验。

图2 模型布置图

模型试验中，水库采用与原型水库相同的调度运行方式，具体为：从第1年的4月起，水库水位由正常蓄水位(1820m)开始下降，以用于灌溉、发电等其他用途；直到6、7月份，进入汛期，水库水位保持在排沙水位(1770m)下运行，以调节洪水和维持枢纽的正常运转；8月份汛期结束，河川天然流量减少，水库开始蓄水，库区水位上升，最终上升至并保持在正常蓄水位，并在该水位下运行直到次年3月，自此水库完成一个年度的调度运行。同时，由规范规定，该类型水库的设计基准期为100年，故本试验中，水库运行年限为100年。

在上述运行方式下，模型试验结果表明，在水库运行的100年中，前50年的淤泥三角洲均未逼近坝前；在后50年，泥沙在坝前发生淤积，且达到一定的高程，这将会对水库的正常运行造成较大的威胁。因此，需要研究不同时期不同运行方式对冲刷漏斗的形成和形态带来的影响，即要分别考虑到汛期时的排沙水位和非汛期时的正常蓄水位。

3 试验结果及分析

3.1 冲沙历时

在本试验中，为了更好研究不同水位、不同运行方式情况下泥沙的运动和淤积情况，需监测1#深孔排沙洞出流含沙量，并将水流含沙量降低为较低的稳定值时所需要经历的时间定义冲沙历时。

本试验研究了各流量、各排沙洞与二发电洞的组合运行方式下的排沙所经历的时间，即排沙历时。首先，汛期，排沙水位，采取的排沙洞与二发电洞组合方式如下：①三洞均启用，即同时开启1#深孔排沙洞和1#、2#发电洞，此时既发电又排沙。流量方面，排沙洞选用分别为324.3、503.7、695.8m3/s的3组流量，而发电洞的为222.4m3/s。经试验测定，3组不同的排沙孔流量下，冲沙历时分别为20、19、16h(物理模型冲沙历时分别为19、18、15min)；②启用1#排沙洞和一个发电洞，其流量分别为695.8m3/s和222.4m3/s，经试验测定，其冲沙历时为16h(物理模型的为15min)；③仅启用1#排沙洞，流量为695.8m3/s，仅排沙不发电，经试验测定，其冲沙历时为16h(物理模型的为15min)。其次，非汛期，正常蓄水位下，采取的组合方式为：启用1#排沙洞和两个发电洞，既排沙又发电。流量方面，排沙洞选用分别为309.5、619.1、928.6m3/s的3组流量，发电洞的取222.4m3/s，经试验测定，其冲沙历时分别为19、16、14h(物理模型冲沙历时分别为18、15、13min)。

综合上述冲刷历时试验结果，并结合下述的2种水位的冲刷漏斗试验成果，确定排沙水位1770m冲沙历时为16h，正常蓄水位1820m冲沙历时为14h。

类比同类情况，例如黄河黄丰水电站的一种调度运行方式中[4]，其单个排沙洞流量770m3/s，坝前淤积的泥沙在正常发电工况下，预沉在排沙洞口前，之后进行泄空冲沙试验，冲沙历时在1d左右。

3.2 排沙水位1770m冲刷漏斗

本试验研究了不同的1#深孔排沙洞与1#、2#发电洞开启方式，及其流量下的泥沙冲刷漏斗的形态、大小和范围，并分析了冲刷漏斗对水库的影响以及实现“门前清”的可行性。水库6、7月份，即汛期在排沙水位(1770m)下运行，在此期间运用1#深孔排沙洞和1#、2#两个发电洞在一定条件下相组合的运行方式，即可仅开启排沙孔，亦可开启排沙孔的同时开启发电洞并确定一定的分流比，由此研究不同运行方式对泥沙冲刷漏斗的形成带来的影响。本试验在排沙水位下选定的不同分流比，即发电洞深孔和排沙洞的流量分配比，被分为1∶0.73、1∶1.13、1∶1.56、1∶3.13和0∶695.8共5个组次，见表1。试验结果表明，该5个组次中仅有第5组满足“门前清”，故此处为体现代表性，以第2组和第5组的发电排沙分流比(1∶1.13和0∶695.8)下的试验结果予以说明，并对排沙水位下的试验成果进行分析总结，以提出合理建议。

表1 排沙水位实验组次

3.2.1发电排沙分流比1∶1.13

排沙水位，同时启用1#、2#发电洞以及1#深孔排沙洞，既满足排沙又满足发电，且发电排沙分流比为1∶1.13的情况下，试验结果表明冲沙历时为19h。

上述运行方式下，形成的冲刷漏斗形态图(纵剖面、横剖面和漏斗等高程线，下同)分别如图3—5所示。根据试验结果，淤泥运动在坝前形成冲刷漏斗，形状较为规则，在纵向上：长约57m，坡度1∶1.63；横向上：宽约99m，左岸坡度1∶1.49，右岸坡度1∶1.34。

图3 冲刷漏斗纵剖面图

图4 冲刷漏斗横剖面图

图5 冲刷漏斗等高程线图

由上述试验成果可知，排沙水位，同时开启3洞运行，最终形成的冲刷漏斗横向长度大于73m(发电洞进口横向长度，下同)，但发电洞进口并未处于漏斗中，不能“门前清”。

3.2.2发电排沙分流比0∶695.8

排沙水位，仅启用1#深孔排沙洞，满足水库排沙，在发电排沙分流比取0∶695.8的情况下，试验结果表明冲沙历时为16h。

上述运行方式下，形成的冲刷漏斗形态如图6—8所示。通过物理模型的试验结果，排沙洞旁形成了一个形状较大且规则的漏斗，其纵向上：长约77m，坡度1∶2.21；横向上：宽约144m，左岸坡度1∶2.09，右岸坡度1∶2.03。

图6 冲刷漏斗纵剖面图

图7 冲刷漏斗横剖面图

图8 冲刷漏斗等高程线图

3.2.3排沙水位1770m试验成果分析

由上述试验结果可知，排沙水位下，可采取仅开启排沙洞而不开启发电洞的运行方式，经此形成的冲刷漏斗的横向长度144m大于73m。但区别于发电排沙分流比为1∶1.13的情况，此时发电洞进口在漏斗保护范围中，因此泥沙不会在进水口处发生过多淤积，不会过多危害水库的运行，故能够做到“门前清”。

本试验中，水库于汛期(6、7月份)保持在排沙水位下运行，所能采用的各种不同的运行方式，其区别在于3洞的组合开启情况的差异以及发电排沙分流比的差异。本试验中，该水位下共设有5组(见表2)不同的发电排沙分流比，以研究不同情况下的形成漏斗的形态，如漏斗纵向和横向上的的长度、坡度。

由表2可知，排沙水位下，只打开排沙洞并采用其最大流量695.8m3/s，以及发电洞排沙洞均打开并采用1∶1.56、1∶3.13和0∶695.8等发电排沙分流比的情况下，关于冲刷漏斗的形态，总结出各向坡度的范围：纵向坡度1∶2.0～1∶2.21，横向坡度1.74～2.09。

表2 排沙水位试验结果

根据黄河沙坡头电站排沙孔试验有关排沙孔坡比的研究成果，其在正常库水位时[5]，纵坡为1∶2.1～1∶3.0，横坡为1∶1.8～1∶2.5；冲沙水位时，纵坡为1∶2.5～1∶3.5，横坡为1∶2.1～1∶3.7。与本文试验成果大体一致。

对于排沙水位下，若采取1∶1.13或1∶0.73的发电排沙分流比，则导致1#深孔排沙洞中水流流量较小，进而拉沙能力不足，因此在此情况下不易保证“门前清”。而对于分流比0∶695.8、1∶1.56和1∶3.13，若要做到发电洞“门前清”，须仅启用1#深孔排沙洞，不考虑发电。

综上，排沙水位下，水库仅启用1#深孔排沙洞并保持最大流量，最终得到的试验结果为冲沙历时16h，发电洞进口受到所形成的漏斗保护，因此满足排沙要求，可以做到“门前清”。

3.3 正常蓄水位1820m冲刷漏斗

正常蓄水位下，水库采用参考特定的发电排沙分流比的情况下联合开启1#、2#发电洞以及1#深孔排沙洞的运行方式。可仅开启排沙孔，亦可开启排沙孔的同时开启发电洞并确定一定的分流比，由此研究不同运行方式对泥沙冲刷漏斗的形成带来的影响。表3为正常蓄水位下选定的各组发电排沙分流比组合，如1∶0.70、1∶1.39和1∶2.09。试验结果表明仅第3组次能够满足“门前清”，故此处以发电排沙分流比1∶2.09的试验结果予以说明，并对正常蓄水位下的试验成果进行总结。

表3 正常蓄水位试验组次

3.3.1发电排沙分流比1∶2.09

正常蓄水位，同时启用1#、2#发电洞以及1#深孔排沙洞，且发电排沙分流比取1∶2.09的情况下，冲沙历时为14h。

在上述正运行方式下，图9—11展示了形成的冲刷漏斗的形态图。结果表明，冲刷漏斗的形状接近三维形态；关于漏斗尺寸，其纵向上：长约81m，坡度1∶2.31；横向上：宽约153m，左岸坡度为1∶2.26，右岸1∶2.11。

图9 冲刷漏斗纵剖面图

图10 冲刷漏斗横剖面图

图11 冲刷漏斗等高程线图

由上述试验成果可知，正常蓄水位下，同时开启排沙洞和两个发电洞的运行方式下，形成的冲刷漏斗的横向长度153m大于73m，同时发电洞进口受到所形成漏斗的保护，泥沙不会在进水口处过多淤积，减少了隐患，满足“门前清”。

3.3.2正常蓄水位1820m试验成果分析

水库保持在正常蓄水位下运行，所能采用的各种运行方式区别在于发电洞和排沙洞的开闭情况以及其分流比。本试验中，在该水位下共设有3组不同的发电排沙分流比，以研究不同运行方式下的冲刷漏斗的呈现形态，如漏斗纵向的长度、坡度，以及横向的长宽度、纵向坡度及横向坡度。各组合试验结果见表4。

表4 正常蓄水位试验结果

由表4可以看出，在正常蓄水位的条件下，若发电排沙分流比采用1∶2.09，则冲刷漏斗发展较为充分，其坡度在纵向上为1∶2.31，在横向上平均为2.19。

根据洛古电站有关坝前冲刷漏斗而开展的模型试验中，有关其漏斗坡度的成果，知洛古电站坝前冲刷漏斗纵向坡度和横向坡度均为1∶2.5～1∶3.0[6]，同本文试验成果大体一致。对于分流比1∶1.39和1∶0.70，由于1#深孔排沙洞流量较小，孔前泄水流速较小，导致拉沙能力不足，排沙漏斗范围受到排沙洞出流流量大小的影响，因此在这样的情况下不能保证“门前清”。

综上，正常蓄水位(1820m)下，阿尔塔什水库在非汛期若要保证“门前清”，则须开启发电洞和排沙孔，同时满足排沙和发电的要求，且及发电排沙分流比取1∶2.09，其中排沙洞流量为928.6m3/s，试验结果表明此情况下冲沙历时为14h。