CCS 水電站大流量高含沙水流減排沙系統研究

邢建營，謝遵黨

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南鄭州450003）

1 工程概況

科卡科多·辛克雷（Coca Codo Sinclair，簡稱CCS）電站工程位于亞馬遜河二級支流科卡河（Coca River）上，距離厄瓜多爾首都基多130 km，電站建成后年均發電量約87億kW·h，能夠滿足厄瓜多爾全國三分之一以上的電力需求，結束該國進口電力的歷史[1-2]。

CCS電站為高水頭特大型沖擊式水輪機組電站，總裝機容量為1 500 MW，設計最大凈水頭618 m，是世界上總裝機規模最大的沖擊式水輪機組電站[3]。其中沖擊式水輪機噴嘴出口流速110 m/s，斗葉相對流速51 m/s，高速高壓水流中摻雜的顆粒極易導致噴嘴或者水斗等重要部件被磨蝕，降低設備的服務年限。

對于沖擊式水電站[4]，水輪機的磨損與水中泥沙含量、泥沙粒徑、水頭、水輪機制造工藝水平、水流相對流速、泥沙的磨損能力綜合系數、機組實際運行時間、水輪機制造材質的耐磨系數等諸多因素有關，為了防止水中有害泥沙對水輪機的磨損，影響發電效益，通常工程設計中采用沉沙池、攔沙坎等進行處理。

針對該工程的泥沙問題，考慮在工程樞紐布置上考慮多級減沙排沙措施，即把首部樞紐布置在寬淺庫區下游，充分發揮水源水庫庫區沉沙功能；取水口布置在河道右岸，避開在主河槽流速較大的位置取水，采用側向引水、正向沖沙的方式，降低取水口水源的含沙量；取水口附近布設沖沙閘，保證“門前清”，減少泥沙淤積對取水口的影響；將大流量低耗水可調節連續式沉沙池作為CCS水電站多級減沙排沙系統的核心；采用經驗公式法確定淤積總量、數值分析法模擬泥沙淤積分布，據此在調蓄水庫內選擇合適的清淤方式進行精準清淤。

2 水源水庫沉沙

2.1 流域概況

Coca流域位于厄瓜多爾北部地區，水系及水文站網見圖1，流域面積4 004 km2，屬亞馬遜河水系。Coca干流是Napo河的支流，發源于Antisana火山東麓，由Coca河和Quijos河組成，支流Salado河與干流交匯口以上河段稱Quijos河，以下河段稱Coca河。Coca干流河道長160 km，天然落差為5 200 m左右，Quijos河長約85 km，流域面積2 677 km2，Coca河長約75 km。支流Salado河發源于安第斯山脈Cayambe火山東麓，發源地海拔5 790 m，西北東南流向，在Reventador火山南側匯入Quijos河，河口以上流域面積920 km2，河長約70 km。流域內分布有高山氣候區、熱帶草原氣候區及熱帶雨林氣候區，降雨量由上游地區1 331 mm（Papallacta站）向下游逐漸遞增到 4 834 mm（San Rafael站）、6 122 mm（Reventador站）。

圖1 Coca河流域水系及水文站網

2.2 電站調度要求

根據水電站動能分析結果和國家電網對CCS水電站的調度要求，電站裝機容量需要1 500 MW，多年平均發電量87億kW·h，根據凈水頭分析，平均流量需要220 m3/s以上，考慮生態流量的下放要求，取水口應在Salado河與Coca河匯合口下游。

2.3 泥沙防控措施

根據電站對徑流量的要求，首部樞紐布置在Salado河與Coca河匯合口下游1 km處，該處上游庫區河道寬淺，壩址處河道縮窄，并有河心島可以利用，從地形條件看是優良的樞紐布置區。另外，庫區內河道比降為0.50%，遠低于上游河道比降（0.89%），水流進入庫區后流速變緩，推移質泥沙和部分懸移質泥沙在庫內沉積，有效降低了取水口附近的含沙量。

3 首部樞紐布置減沙

3.1 地形地質條件

首部樞紐庫區[5]由Quijos河谷、Salado河谷及匯合后的Coca河谷組成，在兩河交匯一帶以相對寬廣的U形谷為主，谷底寬300～700 m，發育多處河心灘、河漫灘，河道縱比降0.27%～0.47%，河谷岸坡陡峻。壩址處的突出特征是河谷中間凸現一錐形花崗巖侵入體，受該侵入巖體控制，河道寬度縮窄形成了V形峽谷。河道在右岸形成一個彎道，河道左岸有一埡口，最低處高出河床僅約25 m。

3.2 布置研究

根據工程區地形地質特點，并考慮排沙沖沙要求，進行了多種布置方案的經濟技術比選，最終確定采用左岸集中泄水布置方案。該布置方案具有以下特點。

（1）充分利用混凝土面板堆石壩對地基適應能力強的優點，在主河道深厚覆蓋層上布置混凝土面板堆石壩，減少地基處理投資，方便施工，縮短工期。

（2）取水閘和沉沙池布置在中部侵入巖體下游側，充分利用河心島山體擋水，同時減少基礎土石方開挖量和基礎處理工程量。

（3）溢流壩和沖沙閘基礎置于深覆蓋層上，但地基土層已完成固結，密實程度較高，地質條件優于右岸主河道。采用左岸集中泄水布置方案是技術經濟綜合選擇的結果。

（4）取水口布置在河道右岸，避開主河槽流速較大的區域，采用側向引水，降低取水口水源的含沙量。

（5）在取水口附近布設沖沙閘正向沖沙，保證引水口附近門前清，減少泥沙淤積對取水口的影響。

4 沉沙池沉沙

4.1 河道來水來沙情況及沉降要求

取水口河段多年平均流量291 m3/s，多年平均懸移質含沙量為1.01 kg/m3。泥沙級配見圖2，中數粒徑為0.46 mm，粒徑大于0.25 mm的泥沙占68%。根據EPC合同要求，粒徑0.25 mm以上泥沙的沉沙效率達到99.9%，沖排流量不超過引水流量的10%。

圖2 沉沙池入池泥沙級配曲線

4.2 沖排沙布置研究

水利水電工程沉沙池的設計中[6]，沉沙池的沖排沙設施通常采用排沙閘、排沙廊道和排沙管道等，具體應用往往根據工程實際需要，選擇單個或多個聯合組成完整的沖排沙系統，其形式、布置等因地形、地質、引水流量、含沙量及運行要求的不同而不同。

根據沉沙池布置尺寸及水沙條件，采用一維非飽和輸沙法進行計算[7-8]，計算結果見表1。根據計算結果，沉沙池全沙沉降率為80.0%，粒徑大于0.25 mm的泥沙沉降率為99.9%，基本滿足沉沙要求。由此可知，沉沙池[9-10]單池槽寬13 m、深11.70 m、總長150 m滿足設計要求。

表1 沉沙池沉降計算結果

5 調蓄水庫精準清淤

5.1 調蓄水庫簡介

調蓄水庫主要功能是對輸水隧洞引來的水量按電站運行要求進行調節，并進一步降低泥沙含量，減少其對水輪機的磨蝕，調蓄水庫布置見圖3。首部樞紐的引水通過輸水隧洞進入調蓄水庫，輸水隧洞出口位于庫區左岸接近庫尾，壓力管道進口塔架位于庫區右岸，與放空洞塔架并排布置。水庫正常蓄水位1 229.50 m，死水位1 216.00 m。按照電站運行要求，調蓄水庫為日調節水庫，調節庫容80萬m3。泥沙淤積不僅侵占調蓄水庫的調節庫容，而且不清理或清理不當將增大過機泥沙含量。為保證電站正常運行，需研究設置合適的減淤和清淤方式。

5.2 水庫淤積形態研究

調蓄水庫淤積來源主要包括輸水隧洞來沙和Granadillas流域來沙兩部分，調蓄水庫多年平均入庫流量187 m3/s，多年平均來水量為59億m3。調蓄水庫年均入庫懸移質沙量為110萬t，其中通過輸水隧洞入庫泥沙107.5萬t、調蓄水庫Granadillas流域的天然來沙2.88萬t，泥沙干容重按1.33 t/m3考慮，約83萬m3/a。水庫年平均進口含沙量為0.2 kg/m3，中值粒徑為0.055 mm。汛期（4—9月）進口含沙量為0.247 kg/m3，非汛期（1—3月及10—12月）進口含沙量為0.187 kg/m3。進入調蓄水庫的泥沙級配見圖4。

5.3 調蓄水庫減淤和清淤布置

（1）擋渣壩設計研究。為了攔擋Granadillas流域的推移質，防止河道內推移質進入調蓄水庫內，調蓄水庫庫尾設置攔渣壩。為盡可能多攔擋Granadillas流域的推移質，攔渣壩應盡可能布置在Granadillas河谷的下游；攔渣壩的布置不能影響輸水隧洞出口閘的運行。根據Granadillas河谷的地形地質條件，壩址選擇在河谷相對較窄的地方，攔渣壩布置在距離輸水隧洞出口閘上游50 m處。

圖3 調蓄水庫布置

圖4 調蓄水庫入庫泥沙級配

（2）清淤設計研究。根據調蓄水庫庫區形態、庫容、建筑物布置和環境保護等要求，該區域不適宜采用水力排沙設施（洞）排沙。為保證壓力管道進口前形成較穩定的排沙漏斗以保證電站正常發電，采用了機械清淤方式。該清淤方式具有移動靈活、深水清淤、排漿濃度大和用水量小等特點，通過定時清淤可以保證水庫淤積不影響有效庫容。

6 結 論

針對該工程的泥沙問題，經過研究采用優化首部樞紐布置，加大水庫沉沙作用，首部樞紐減沙排沙布置設計，大流量低耗水可調節連續式沉沙池技術，調蓄水庫精準減沙排沙設計等多級減沙排沙系統，有效降低了過機泥沙含量。

經現場檢測，尾水出口處泥沙含量為0.032～0.244 kg/m3，實現了過機泥沙含量減少70%以上。