達克曲克水電站水沙調度方式探索與實踐

陳 波，陳 濤

（1.新疆華電和田水電有限責任公司，新疆和田848000；2.新疆康普投資（集團）有限公司，新疆烏魯木齊，830002）

1 概 況

1.1 水電站基本情況

和田河是塔里木河三大源流之一，由上游玉龍喀什河、喀拉喀什河兩大支流組成。玉龍喀什河水能資源較豐富，河道長約124.43 km。玉龍喀什河下游的達克曲克水電站是該河“兩庫五級”開發方案中的第四個梯級工程，壩址位于玉龍喀什河與布亞河匯合口下游29 km、S216公路里程樁為63 km處，電站裝機75 MW，承擔發電和上游玉龍喀什水利樞紐調峰發電后的反調節任務。達克曲克主電站位于壩址下游10 km處，2＃機組（35 MW）于 2015年投產，1＃機組（35 MW）于 2016年投產，生態電站 3＃、4＃機組（2×2.5 MW）位于壩后，目前在建，計劃2019年底投產。

達克曲克水電站區域多年平均氣溫為11.0℃，多年平均降水量為55.1 mm，多年平均蒸發能力為3 485.8 mm。壩址斷面計算多年平均徑流量為21.67億m3，多年平均流量為68.67 m3/s，水庫設計庫容為1 024萬m3，有效庫容為260萬m3。設計洪水標準為50 a一遇，設計洪峰流量為1 640 m3/s，校核洪水標準 1 000 a一遇洪峰流量為2 501.36 m3/s。

受每年汛期氣溫升高、冰雪融水和大氣降水強烈沖刷侵蝕以及流域上游基本無植被等因素的影響，和田河流域表層風化的巖石和疏松土壤被挾帶入河流，形成河流泥沙。和田河低山及山前丘陵區降水少，巖石風化強烈，第四紀松散堆積物深厚，是主要沙源。隨著汛期到來，河流含沙量增大，6—8月輸沙量約占全年的85%。

1.2 沖刷漏斗排沙效果

沖刷漏斗參數的確定：卡拉貝利模型試驗中2＃泄洪排沙洞高程1 750 m方案與達克曲克水電站排沙運行方式相似，見表1。達克曲克水電站沖刷漏斗參數直接采用卡拉貝利模型試驗結果，即沖刷漏斗的縱比降為1∶3，橫向坡比約為1∶3?？ɡ惱Ｐ驮囼炁c達克曲克水電站排沙工況比較見表1。

表1 卡拉貝利模型試驗與達克曲克水電站排沙工況比較

達克曲克水電站沖刷漏斗容積計算：開始沖刷時，泥沙淤積高程按與導流兼泄洪排沙洞進口上沿基本持平的條件計算，即沖刷漏斗頂高程為1 739.0 m，導流兼泄洪排沙洞前沖刷漏斗底高程為工作門底板高程1 733 m，底寬為工作門孔口寬6 m，考慮到右岸地形限制，頂寬為32 m，沖刷漏斗縱向長度為18 m，可計算出沖刷漏斗容積為1 152 m3。

2 水沙調度方式的探索與實踐

達克曲克水電站采用瀝青混凝土心墻壩擋水，水庫正常蓄水位為1 776 m，壩頂高程為1 778.6 m，最大壩高為62.6 m，防浪墻頂高程為1 779.8 m，壩頂長214 m。裝機容量為75 MW，聯合運行保證出力為10.63 MW。根據自身特點（徑流式電站），達克曲克水電站在電力系統中主要是基荷運行。枯水期為當年的1—5月和9—12月。

2.1 設計階段水沙調度方式

一般情況下，當來水流量扣除生態基流后滿足主電站發電流量要求時，發電洞引水發電；當來水流量扣除生態基流后不滿足主電站的發電流量要求時，發電洞閘門關閉。由于該工程生態基流通過導流兼泄洪排沙洞發電后下泄河道，因此導流兼泄洪排沙洞需全年開啟，但為控制水庫水位，需控制閘門開度。非汛期導流兼泄洪排沙洞閘門開啟，按來流量扣除發電洞過流量控制開度；汛期需按泄洪要求控制閘門開度，當遇洪水時，泄洪沖沙閘按其泄流能力泄洪、沖沙。在一般情況下，當河道天然來水大于設計發電引水流量時，多余水量通過導流兼泄洪排沙洞下泄，表孔溢洪道全部關閉；當遇洪水時，首先開啟導流兼泄洪排沙洞閘門，當洪峰流量超出導流兼泄洪排沙洞泄流能力時，開啟表孔溢洪道，多余洪量通過表孔溢洪道下泄。達克曲克水電站所在的玉龍喀什河為多沙河流，河流含沙量在年內變化明顯，枯水期小，洪水期大，泥沙多集中在6—8月。單獨運行期間，為保證一定反調節庫容，根據河流水沙特性，6—8月維持死水位（1 771.0 m）沖沙運行，非汛期（9月—次年5月）抬高水位至正常蓄水位運行。

2015—2016年工程運行實踐中出現的主要問題：①2016年汛后檢查發現，導流洞兼防洪通道底板、邊墻和弧形工作門等嚴重沖蝕，特別是弧形工作門后防磨底鋼板基本破壞，初步分析主要原因為泥沙沖磨和鋼板防磨不足，特別是弧形工作門處于小流量開度下泥沙沖磨加劇。②導流兼泄洪排沙洞洞前大量淤沙。③2016年，下游灌溉引水渠大量淤沙，影響了農業灌溉。

2.2 水沙調度方式調整

通過調研、考察和分析研究，認為在2015—2016年死水位的情況下，導流兼泄洪排沙洞有38 m的壓力水頭，導流兼泄洪排沙洞開度小于2.3 m時，泥沙會加劇對閘門及建筑物的磨蝕，需要對導流兼泄洪排沙洞現狀排沙運行方式進行如下調整。

（1）非汛期時，導流兼泄洪排沙洞閘門常規處于關閉狀態，生態基流由溢洪道下泄。結合泥沙顆粒分析資料及洞內流速分析成果，根據洞口泥沙情況，需導流兼泄洪排沙洞閘門開啟間歇性沖沙時，導流兼泄洪排沙洞閘門控制開度不得小于2.3 m，此時導流兼泄洪排沙洞下泄流量約為348 m3/s，相應洞內流速約為7.88 m/s，不排沙時閘門完全關閉。

（2）汛期時，導流兼泄洪排沙洞仍需滿足閘門最小開度為2.3 m。根據水情測報資料，當來流量小于導流兼泄洪排沙洞閘門開度2.3 m時的泄流能力時，導流兼泄洪排沙洞閘門關閉，由表孔溢洪道閘門開度控制壩前水位；當來流量大于導流兼泄洪排沙洞閘門開度2.3 m時的泄流能力時，導流兼泄洪排沙洞閘門按開度2.3 m泄流，直至全部開啟泄洪。

2017—2018年工程運行實踐中出現的主要問題及分析：①考慮到弧形工作門小流量開度磨蝕加劇導致導流洞泄水設施損壞以及非汛期排水沙造成灌渠泥沙淤積無法引水等實際情況，經分析研討，確定了水沙調度方案：汛期流量大于300 m3/s且滿足導流泄洪排沙洞弧形工作門開度2.3 m，才允許開啟導流洞泄洪弧形工作門排沙，溢洪道弧形工作門開啟在前；非汛期導流泄洪設施關閉。但在實際汛期運行中，出現連續多日達不到開啟導流泄洪排沙運行條件的情況，導流兼泄洪排沙洞泄洪排沙通道出現淤堵，且汛期定期工作試驗中，導流兼泄洪排沙洞進水口會隨機發生淤沙堵塞。2018年7月7日，開啟過導流兼泄洪排沙洞，間隔一周未開啟，于7月14日開啟時，發現導流兼泄洪排沙洞被淤堵，洞前淤積高度在導流兼泄洪排沙洞進口頂以上14～20 m（檢修門前），無水流從洞口泄出，經搶險后于7月16日通水。②實際運行中經常出現發電洞處的攔污柵泥沙淤積前后壓差超過5 m的情況，需要及時擾動，造成大量泥沙進入發電過水部件和設施，加劇了過水部件磨蝕。隨著發電洞淤積高度隨機增大，加上發電洞底坎平臺的存積抬高作用，極易造成攔污柵超過設計承載力，增加重大安全隱患風險。

由實測資料可知玉龍喀什河輸沙量較大，多年平均懸移質輸沙率為341 kg/s，多年平均懸移質輸沙量為1 075萬t，多年平均含沙量為4.9 kg/m3。實測最大年輸沙量為3 922萬t（1978年），月平均最大輸沙率為9 818 kg/s。平均推懸比本次設計采用15%，推移質輸沙量為161萬t，則玉龍喀什河多年平均輸沙量為1 236萬t，達克曲克水電站壩址多年平均為1 075萬t，高峰實測河流含沙量為200 kg/m3（2016年）。

根據水庫泥沙淤積計算結果，水庫運行5 a時，剩余死庫容為140萬m3，其中溢洪道堰頂高程1 763.5 m至導流兼泄洪排沙洞頂高程庫容為49萬m3，計算條件是建立在開啟導流兼泄洪排沙洞前提下的，當較長時間關閉導流兼泄洪排沙洞的情況下，由于沒有泄洪排沙通道，因此汛期泥沙很容易淤積在導流兼泄洪排沙洞頂高程以上。根據多年平均入庫沙量分析，在僅溢洪道泄洪的情況下，6月平均10 d即可淤積至泄洪排沙洞頂高程，（7月平均僅需4 d、8月平均需5 d），造成導流排沙洞淤堵，影響導流泄洪排沙通道暢通，危及水庫安全。前述沖刷漏斗容積很小，可忽略不計。達克曲克水電站壩址月輸沙量見表2。

表2 壩址斷面月輸沙量 萬t

根據達克曲克水電站多年平均流量分析，6月多年平均流量為100.01 m3/s，連續多日最大流量超過348 m3/s的概率非常小，達不到開啟導流兼泄洪排沙洞的概率非常大，7—8月也存在連續多日達不到開啟導流兼泄洪排沙洞的情況。達克曲克水電站壩址斷面月均流量見表3。

表3 壩址斷面月均流量 m3/s

2.3 汛期泄洪排沙調度運行方式的調整

2.3.1 調整方案擬定

（1）方案一。在現狀泄洪排沙運行方式的基礎上，針對汛期導流兼泄洪排沙洞發生淤堵的情況，增加了一個開啟導流兼泄洪排沙洞的條件，即當洞前淤積高程達到1 739 m時開啟導流兼泄洪排沙洞。該方案屬于被動式泥沙調度方案，是在導流兼泄洪排沙洞將要淤堵的情況下采取的措施，導流兼泄洪排沙洞沒有充分發揮應有的排沙功能。具體運行方式：首先關閉溢洪道，使庫水位由死水位蓄至正常蓄水位，其間當流量大于348 m3/s時，及時開啟導流兼泄洪排沙洞；其次按最小開度2.3 m開啟導流兼泄洪排沙洞，使庫水位由正常蓄水位降至死水位。

根據水庫泥沙淤積計算結果，水庫運行5 a時，剩余調節庫容為97萬m3，電站最大引水流量為92.7 m3/s，根據多年平均情況計算，6月大約需15 h可蓄至1 773 m水位，導流兼泄洪排沙洞下泄流量為348 m3/s，排沙約18 min可降至死水位。7—8月流量較大，以月均流量274 m3/s計算，大約需36 min可蓄至1 773 m水位，導流兼泄洪排沙洞以流量348 m3/s下泄，排沙約1.4 h可降至死水位。

（2）方案二。在初期蓄水排沙運行方式的基礎上，針對汛期導流兼泄洪排沙洞開度小于2.3 m閘門運行不安全的情況，利用部分調蓄庫容短期開啟導流兼泄洪排沙洞排沙，以達到安全開啟導流兼泄洪排沙洞泄洪排沙的目的。非汛期平均入庫懸移質泥沙為60.9萬t，推移質為9.1萬 t，折合體積為51.9萬 m3。根據泥沙由庫尾向壩前淤積的特性，在非汛期正常蓄水位運行的情況下，泥沙淤積推移不到壩前，非汛期可不開啟導流兼泄洪排沙洞進行排沙。

汛期導流兼泄洪排沙洞第一次開啟選擇在6月1日，此時水庫進入排沙運行方式，排沙水位為死水位，可利用調節庫容的97萬m3水量進行排沙，導流兼泄洪排沙洞下泄流量約為348 m3/s，開啟約47 min時水位可降至死水位。降至死水位后開始蓄水，生態基流為6.87 m3/s，由溢洪道下泄，蓄至1 773 m水位后開啟導流兼泄洪排沙洞；按最小開度2.3 m開啟導流兼泄洪排沙洞，使庫水位由正常水位降至死水位。7—8月流量較大，以月均流量274 m3/s計算，生態基流由溢洪道下泄，大約需45 min可蓄至1 773 m水位，導流泄洪排沙洞以348 m3/s流量下泄，歷時約1.4 h可降至死水位，一次蓄泄循環約需2 h，一天內泄洪排沙洞開啟約12次。

兩個方案都是利用調節庫容作為調沙庫容進行中小洪水泥沙調度，調節庫容屬于動態庫容，即先允許部分泥沙暫時淤積，通過降低水位排沙將先期淤積泥沙排出庫外。通過兩種方案的比較，推薦采用方案二進行汛期泄洪排沙。

2.3.2 調整后水沙調度運行方式

目前生態基流電站尚未建成，導流兼泄洪排沙洞下泄生態基流存在著不安全因素，為保證生態基流下泄，現狀采用通過溢洪道下泄生態基流及汛期小洪水的方式，但存在導流兼泄洪排沙洞淤堵的可能性。為了水庫安全運行，利用暫時不用的反調節庫容作為調沙庫容，對水庫洪水泥沙調度進行調整：①非汛期及汛期導流兼泄洪排沙洞閘門關閉期間，由溢洪道下泄生態基流；②6月庫水位為死水位時，滿足機組發電條件后，多余流量用于蓄水，水位蓄至1 773 m時，按最小開度開啟導流兼泄洪排沙洞泄洪排沙；③7—8月水位為死水位時，滿足發電條件后，多余流量用于蓄水，當水位蓄至1 773 m時，按最小開度開啟導流兼泄洪排沙洞泄洪排沙，發生較大洪水時首先由導流兼泄洪排沙洞泄洪排沙，其次由溢洪道泄洪。主要問題：汛期水沙調度操作頻繁，隨著有效庫容減小，調度工作量還會增大。

3 結 語

（1）我國許多河流特別是北方河流多為含沙量很大的河流，為了減少水庫淤積，保持水庫有效庫容，充分發揮水庫的綜合效益，水利工作者進行了長期的探索和實踐。針對三門峽水庫泥沙嚴重淤積的問題，通過水庫改建和運行方式調整，提出了“蓄清排渾”的運行方式，為小浪底水庫和三峽水庫的規劃設計和施工運行提供了寶貴經驗［1-3］。結合達克曲克水電站泥沙嚴重淤積的特性，如何借鑒“蓄清排渾”運行方式的成功經驗，徹底解決水庫泥沙嚴重淤積問題并形成高效的操作運行方式，是下階段水沙調度方式探索和努力的方向。

（2）應盡快開展泥沙觀測，隨時掌握泥沙動態和有效庫容實際狀態，為下一步水沙調度方式的優化、細化提供依據。同時，深入開展排沙比與壩前水位、入/出庫流量、沙量等關系的研究。

（3）關注上游水庫開發情況，積極開展多庫聯合調度方式的研究。

（4）汛期水沙調度操作頻繁，隨著有效庫容縮小，水沙調度的可行性將出現問題，加上生態機組將要投產等因素，汛期將難以滿足導流兼泄洪排沙洞閘門排沙的條件，不僅將面臨水沙調度方式重新調整的問題，而且要重新評估導流兼泄洪排沙洞的抗磨性能。