南美洲水電站泥沙清淤技術

[挪威] T.雅克布森 等

南美洲水電站泥沙清淤技術

[挪威] T.雅克布森 等

挪威SediCon公司采用SediCon除沙器，將為厄瓜多爾科卡科多辛克雷水電站提供泥沙清淤服務。SediCon除沙器主要由開槽水管、連接“黑盒”、外管、泥沙監測系統、外管控制閘等5個部件組成。模型測試表明，在有效水頭40 cm和外管長度15 m條件下，SediCon除沙器清除泥沙達0.5 t，效果十分理想。詳細介紹了南美洲地區水電站的泥沙清淤技術。

徑流式水電站；泥沙淤積；清淤技術；南美洲

1 概 述

2013年秋季，中方承包商中國水利水電建設集團公司(Sinohydro)與挪威SediCon公司簽訂合同，同意該公司為厄瓜多爾科卡科多辛克雷(Coca Codo Sinclair)水電站的沉沙池提供泥沙清淤技術服務。SediCon公司積極應對、全力以赴。40臺全重力驅動式SediCon除沙器，每年可為該水電站清除泥沙600萬t；如果40臺除沙器同時運行，每小時清淤量可達2.5萬t。

科卡科多辛克雷水電站別具一格，是世界上最大水頭的徑流式水電站之一。電站裝機容量1 500 MW，年發電量為8.631 GW·h，庫容為零，總水頭為660 m。水電站取水口設置有8座沉沙池(長150 m、寬13 m)，清淤后水流首先進入引水隧洞(長24.79 km、設計流量222 m3/s)，再經地下廠房上游的補償水庫(庫容為88.6萬m3)調節，最后進入8臺水輪機(最大流量278.5 m3/s)。

2 科卡科多辛克雷水電站泥沙清淤技術

科卡河是納波(Napo)河的支流，最終匯入亞馬孫河。工程集水區面積3 600 m2，高程1 262～5 790 m，流域內植物、動物、土壤類型多樣，氣候和降雨變化大，流域產沙量較大。該水電站發電機組取水的最大允許含沙濃度為5 000 mg/L，而進入沉沙池的泥沙輸移率為101 t/s，由此估算每年進入沉沙池的懸移質泥沙量為700萬t。一方面，高含沙水流的清淤必須耗水最少且不影響發電效益；另一方面，受取水口復雜條件、空間限制和其他設施布置等因素的影響，沉沙池的清淤設施不得改變取水口及閘底板高程。此外，由于水電站的有效壩高小于沉沙池的水深，因此也無法采用傳統的自由面流沖沙方式清淤。SediCon除沙器具有非面流沖沙、運行水頭低、沖沙需水量小、間斷或連續沖沙皆宜等優點，是科卡科多辛克雷水電站泥沙清淤的最佳選擇。

科卡科多辛克雷水電站8座沉沙池的設計尺寸為長150 m、寬13 m，沉沙池的設計泥沙粒徑大于0.25 mm。SediCon除沙器主要由永久性固定式開槽水管構成，水管從沉沙池的底部吸取泥沙、輸移至外管，除沙僅由重力驅動。除外管的控制閘之外，其余部件均固定不動。整個除沙系統靈活方便、易于操作。每座沉沙池安裝有5臺獨立運行的除沙器，每臺除沙器主要由如下5個部件組成：

(1) 2根開槽水管。開槽水管安裝在沉沙池底槽的表層上。

(2) 連接“黑盒”。連接2根開槽水管與外管，平衡水流與泥沙，同時維持外管高含沙水流，避免外管堵塞。

(3) 外管。外管管徑為500 mm、最大長度達150 m，布設于沉沙池下層的廊道內，將水沙混合流排泄至環境流渠道，以維持河流的生態基流。

(4) 標準泥沙監測系統。該系統安置在沉沙池內。

(5) 外管控制閘。控制閘負責維持泥沙清淤系統的運行。

為了解決泥沙磨損問題，SediCon公司明確了每座沉沙池每臺除沙器的管道材料與管壁厚度，保證絕大部分的粗顆粒泥沙淤積在進水口，少量的細顆粒泥沙淤積在下游。

2012年中期，水電站業主科卡辛克雷公司(Coca Sinclair EP)及主管部門墨西哥聯邦電網委員會(CFE)與SediCon公司簽約，要求SediCon公司盡快對40臺除沙器進行模型測試。經過2周高效準備，SediCon公司與CFE委員會在CFE水力學實驗室(位于庫埃納瓦卡市)共同開展了系列模型測試，模型比尺為1∶20。結果表明，在有效水頭40 cm和外管長度15 m條件下，除沙器清除泥沙達0.5 t，測試十分成功。

3 拉丁美洲泥沙清淤工程實踐

為科卡科多辛克雷水電站提供SediCon除沙器并不是SediCon公司首次為拉丁美洲提供此類服務。洪都拉斯庫亞馬爾(Cuyamel)徑流式水電站，裝機容量7 MW，水頭約100 m。該水電站進水口就布設了一條長40 m并配備2臺SediCon除沙器的有壓沉沙管，其目的是阻止泥石流和超量泥沙的進入。除沙器的尺寸與科卡科多辛克雷水電站除沙器基本一致，但由于外管較短，除沙能力更強，每小時泥沙清淤量約1 000 t。自2007年投運以來，該SediCon除沙器運行狀況良好。2009年9月，尼泊爾科姆堤(Khimti)水電站也安裝了4臺SediCon除沙器，實測的除沙量每小時達4 000 t。此外，該水電站廠房有壓沉沙管內還安裝有2臺小型SediCon除沙器，自2000年開始運行攔沙，2008年進行了一次攔沙效果檢測，結果表明，泥沙清淤系統運行十分理想。

除了水電站沉沙設施SediCon除沙器之外，SediCon公司還提供以重力式SediCon疏浚機為主的其他清淤產品。SediCon疏浚機的工作原理與除沙器相同，通過對主要構件吸頭的巧妙設計，調節水流的含沙濃度，疏浚泥沙而又不堵塞外管。SediCon公司已為中美洲多個水電項目提供了SediCon疏浚機。例如，意大利國家電力公司(ENEL)曾租賃250 mm型SediCon疏浚機，為危地馬拉埃爾加納大(El Canada)水電站提供疏浚服務，自2011年，每年已為該水電站疏浚泥沙達10萬m3。SediCon公司采用300 mm型疏浚機，為哥斯達黎加加蘭古特(Dona Julia)類似水電項目疏浚泥沙6萬m3。為了保證每年有足夠庫容進行數百次的日峰調節，對這類水電站進行泥沙疏浚非常有代表性而且也十分重要。攔沙效果曲線見圖1。

由此可見，泥沙清淤技術在南美洲和中美洲國家具有使用潛力的水電項目并不是大庫深水的大型水庫，而是上述那些徑流式水電站。哥倫比亞、厄瓜多爾、秘魯和智利等國家由于壩址地帶地形陡峻、地質脆弱、植被稀疏、季節性降雨影響等原因，容易產生瞬時和極端產沙量。而且，厄爾尼諾氣候現象也極可能給一般干旱地區帶來洪水災害和極端產沙量。

4 挪威泥沙清淤技術

數萬年前的冰河時代已經沖蝕了挪威境內的幾乎所有泥沙。挪威之所以會成為泥沙清淤技術中心，其原因在于，20世紀80年代挪威水電開發末期，挪威工程師們被迫尋找海外工作機會，他們雖然水電工程經驗豐富，但在泥沙工程技術方面卻缺乏競爭力。

為此，挪威科技大學(特隆赫姆校區)將泥沙技術列入水電學科課程與研究的重要內容，包括SediCon公司技術創始人T.杰克森在內的博士們最終研發出了一系列泥沙技術及產品。隨后，T.雅克布森于2001年成立了SediCon公司，主打研發SediCon疏浚機和SediCon除沙器等產品。目前，公司在哥斯達黎加和墨西哥開設了分公司，在厄瓜多爾和日本設立了代表處。

(董耀華 編譯)

2014-11-19

1006-0081(2015)01-0029-02

TV747

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董耀華，男，長江水利委員會長江科學院，教授級高級工程師，主要從事水力學及河流動力學研究工作。)