萬家寨水利樞紐排沙洞淤堵原因分析及疏通處理

吳凌丞

(黃河萬家寨水利樞紐有限公司,太原 030002)

1 工程概況

萬家寨水利樞紐位于黃河北干流上段托克托至龍口峽谷河段內，是黃河中游梯級開發的第1級。壩址左岸為山西省偏關縣，右岸為內蒙古自治區準格爾旗。樞紐的主要任務是供水結合發電調峰，同時兼有防洪、防凌作用。

電站排沙洞布置在13～17號壩段、電站進水口左下側，共5條，由現澆混凝土進口段及排沙鋼管2部分組成。排沙鋼管軸線長130 m，鋼管段直徑為2.7 m。排沙鋼管出口設在尾水平臺下部。在壩前水位952.00 m時，排沙鋼管單管泄量57.00 m3/s，管內流速9.86 m/s。

排沙鋼管進口段底高程為912.00 m，采用矩形孔口。為防淤堵，采用虹吸式接駝峰堰的進口型式，從進口912.00 m高程處經圓弧連接上升至917.00 m。在進口沿上游壩面設置1道進口檢修門，底坎高程912.00 m。在壩內下0+009.40 m處設有1道事故門，底坎高程917.00 m。出口段布置在主廠房尾水管上方，出口挑坎底高程為890.56 m，低于正常尾水位9.89 m。出口設平板工作閘門，由500 kN液壓啟閉機操作，出口檢修閘門與電站尾水檢修門共用[1-2]。

萬家寨水利樞紐入庫泥沙分為2部分：其一是頭道拐以上黃河干流來沙；其二是頭道拐至壩址區間來沙[3]。頭道拐站1955—1986年多年平均懸移質輸沙量1.08億t，頭道拐至壩址區間多年平均懸移質輸沙量0.41億t，合計入庫懸移質年輸沙量為1.49億t。頭道拐站推移質年沙量33萬t，支流紅河推移質年沙量約60萬t，合計入庫推移質年沙量近100萬t[4]。

2014年8月主汛排沙期間，上游水位在955.00 m左右，2號排沙洞出口工作門提至全開后，發現無過流現象。隨后保持閘門全開狀態，持續約3 d后將2號排沙工作門落至全關。判斷確認2號排沙洞發生淤堵。

2 排沙洞淤堵情況及原因分析

2.1 淤堵情況

2014年8月發現2號排沙洞發生淤堵后，先后嘗試利用水頭壓力擠壓、通入低壓氣擾動洞內淤泥等方法進行疏通[5]，但均未取得滿意效果。2015年9月組織潛水公司對2號排沙洞淤堵情況進行了水下檢查。

檢查發現排沙洞上游段2號排沙洞事故閘門底坎處泥沙淤積厚度約為1.2 m，事故閘門兩側淤積厚度約為1.5 m，事故閘門往下游方向平均淤泥厚度約為1.2 m，一直延伸到排沙管拐彎處；傾斜的排沙管內淤泥完全淤堵住的位置距水平段淤積距離約為6 m，淤堵處略有斜度。事故閘門上游側淤泥達1.5 m厚度，一直傾斜向下，距事故閘門約為9 m左右，淤泥高度距排沙管頂部20 cm左右。上游段淤堵情況如圖1所示。

圖1 2號排沙洞上游段淤堵情況圖 單位:m

檢查發現2號排沙洞下游段工作閘門底坎處有一層較薄淤泥，往上游淤泥逐漸變高，潛水員由工作閘門槽向上游2.5 m左右，淤泥高度距排沙管頂部高度不足以使潛水員繼續前進，潛水員用鋼板尺向內測量發現，完全淤堵住的位置距離工作閘門槽4 m左右。下游段淤堵情況如圖2所示。

圖2 2號排沙洞下游段淤堵情況圖

2號排沙洞整體淤積情況如圖3所示，主要淤積物為淤泥，還有少量雜草，淤積方量大概為700 m3左右。

2.2 淤堵原因分析

經對萬家寨水庫及水電站機組、排沙洞等過流設施多年運行資料[6-8]比對分析，發現可能存在以下原因導致排沙洞發生淤堵：

(1) 2013年主汛期近壩區域排沙效果不佳，形成淤積

2013年8—9月上游實際來水比較均勻，平均庫水位955.72 m，期間頭道拐來沙2 609.4萬t，萬家寨水利樞紐出庫沙量4 795.6萬t。汛后最大庫容比汛前增加0.143億m3。

但壩前4 km范圍內沖刷效果欠佳，發生泥沙淤積，汛后實測壩前淤積高程為920.00 m，比排沙洞進口檢修門底坎高程912.00 m高出8 m，此時排沙洞進口處已經形成了泥沙淤積[9]。

圖3 2號排沙洞整體淤積情況圖

(2) 2014年凌汛期排沙洞未泄水排沙，導致壩前泥沙板結

2014年黃河封河槽蓄水增量釋放早且均勻，致凌峰較小。同時，為保證山西引黃工程[11]用水，萬家寨庫水位僅降至960.00 m左右，未達到排沙運用正常運行最高水位957.00 m，故2014年度凌汛期萬家寨水電站排沙洞沒有進行泄水排沙。

由于此次凌汛期排沙洞沒有運行，自2013年主汛排沙至下個排沙運行周期時間將達到12個月，期間只有發電機組運行取水，對壩前區域淤積的泥沙產生擾動有限，導致該區域泥沙板結，流動性變差[12]。

(3) 排沙洞運行方式有待優化

排沙洞原運行方式閘門操作均按設計運行方式進行，即啟門操作過程為：先靜水提進口事故門至全開后，再動水提出口工作門。閉門操作過程為：先動水將出口工作門落至全關后，再靜水將進口事故門落至全關，然后再將出口工作門提到全開，以期排除鋼管內部分泥水，最后將出口工作門落至全關。執行落門程序時，出口工作門動水關閉后，排沙鋼管內高含沙水流會突然停滯，所挾泥沙在靜水中迅速沉淀，進口事故門關閉后，再打開出口工作門以期排出管內泥沙時，由于排沙鋼管內為靜水，不具備初始動能，裹挾泥沙能力[13]以及對沉淀的泥沙沖刷效果十分有限，導致有部分泥沙沉淀或堆積在管內，不能全部排出至尾水。

(4) 進口閘門密封不嚴存在漏水

在低水位運行過程中，水流含沙量很大，進口事故閘門底坎會存留淤泥，導致閘門落至全關時閘門底角附近存在漏水縫隙，加上閘門水封在啟閉過程中也會發生擠壓變形和破損，存在封水不嚴的情況。夾沙水流漏進排沙鋼管，水流在管內積存淤泥的阻滯作用下流速緩慢，裹挾的泥沙逐漸沉淀淤積，導致排沙鋼管內過水通道日漸窄小，最終整條排沙鋼管發生淤堵。

3 排沙鋼管淤堵水下疏通

通過水下檢查明確了排沙鋼管內泥沙淤堵情況后，決定對其分段進行水下清理。

將2號排沙洞進口事故門門槽底坎及該區域上下游0.5 m區域清理干凈，保證事故門能落至全關。現場配置潛水泵進行事故門門槽內抽水減壓。使水位下降并保持在918.00 m附近，以減小作用在鋼管中部淤泥上的靜水壓力，保證排沙洞下游作業安全。

在下游尾水作業平臺布設施工作業場地，開始排沙洞出口段清理。排沙洞內出口段的淤積物采用高壓水沖泥結合吸排泥系統的方式清理，使用吸排泥系統從沖散的淤積物坡腳開始吸泥，在坡腳區域吸泥完成后拉動吸泥管及管頭不斷向排沙洞上游前進，通過硬質的吸泥管道排出至下游尾水，直至清理至排沙洞中部斜坡段底部886.00 m高程處。

完成出口段的清理后轉場至壩頂，對排沙洞進口水平段和中部斜坡段進行清理，配置潛水泵先將頂部積水排出，待水位下降至出現淤積物面位置。開始進行斜坡段淤積物清理，配置多臺潛水泵，采用清水置換淤泥的方式清理至斜坡段894.00 m高程附近。在斜坡段底部區域894.00～886.00 m之間存在一段板結嚴重的淤積層，現場潛水泵也因為揚程不夠，泥漿抽出效率下降而無法繼續清理，故決定對斜坡段底部淤積層的清理采用對接鋼管加壓擊穿板結淤泥層的方式。在板結淤泥層頂部使用多根2 m長的DN40鋼管對接推入到淤積物中，高壓潛水泵向鋼管內注水加壓，配合推進鋼管直到穿透板結淤泥層，然后反復上下拉拽攪動，多次嘗試后擊穿894.00～886.00m之間的板結淤泥層，形成過水通道并將其逐步擴大。

過水通道形成后，先后3次在排沙洞進口事故門槽充灌清水至排沙運用最高水位957.00 m，再開啟排沙洞出口工作門模擬過流并對鋼管內殘留淤泥進行沖刷，結果均顯示2號排沙洞正常過水。為確保洞內清淤效果，打開排沙鋼管放空閥排空管內積水后，進入排沙洞內檢查，發現鋼管內僅管底存在薄層稀泥，排沙鋼管內整體清淤效果良好，2號排沙洞進口事故門以下淤堵物已全部疏通完畢。

4 結 語

萬家寨水利樞紐2號排沙洞淤堵水下疏通施工歷時3個多月，從發現不能過流、檢查判斷淤堵情況、嘗試自然疏通、最終確定水下清理方案并實施完成，經歷了漫長的2 a時間，耗費了大量的人力物力。因此，水庫泥沙問題[14-15]應引起我們的高度重視，結合水工建筑物運行進行系統性研究。完善水情泥沙監測系統、嚴格執行汛期調度計劃方案、研究運用渾水異重流特性排沙[16]、敞泄排沙等方式方法，提高水庫排沙效率，減少水庫泥沙淤積[17]。

合理優化排沙洞閘門運行方式，調整進出口閘門關閉順序，避免出口工作門先關閉后排沙鋼管內存水中的泥沙淤積沉淀。加強對閘門封水裝置的維護管理，有效阻擋滲漏水裹挾的泥沙進入排沙鋼管。

造成排沙洞淤堵的原因是多方面的，只有充分吸取教訓，加強對泥沙問題的研究，統籌規劃、綜合治理、運維兼顧才能夠將泥沙淤積對泄水建筑物的不利影響[18]降到最低。

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