西霞院電站機組尾水異常上升的原因分析

劉耀 陳偉 宋麗波

摘要：黃河主汛期，西霞院和小浪底水庫降水位運行，黃河水攜沙能力劇增，西霞院電站機組全停避沙期間，機組尾水閘門室水位突然異常升高。經過調查研究，對尾水閘門室異常來水情況逐一進行了分析探討，根據賓漢體領域相關研究成果，找出了機組尾水異常上升的原因。

關鍵詞：尾水位升高;淤堵;漿河;含沙高濃度流體;賓漢體;擴散半徑

1 西霞院工程概況

西霞院工程為小浪底水利樞紐的配套工程，位于小浪底水利樞紐下游16 km處。西霞院是小浪底的反調節水庫，正常蓄水位為134 m，死水位為131 m，總庫容為1.62億m3，淤積平衡后有效調節庫容為0.45億m3，電站總裝機容量為140 MW，首臺機組于2007年6月發電。西霞院作為具有日調節性能的反調節水庫，利用調節庫容，對小浪底因調峰引起的不均勻下泄流量進行調蓄，保持黃河流量平穩下泄。

2 事件背景

2020年6月14日—25日，根據黃河防總指令，黃河小浪底水庫和西霞院水庫聯合調度下泄流量由1 000 m3/s逐漸增大到4 500 m3/s，為黃河流域調水調沙拉響前奏。小浪底電廠6臺機組滿出力運行，開啟3條排沙洞、1條孔板洞，西霞院開啟7孔泄洪閘、2條排沙洞、3條排沙底孔進行排水排沙。2020年7月6日，小浪底水庫水位為220.66 m，西霞院水庫水位為131.24 m，小浪底排沙洞開始出沙。2020年7月23日—8月6日，小浪底水庫保持205 m高程運行。

3 事件經過

西霞院4臺機組于2020年7月23日上午停機避沙，機組進口閘門全關，機組上游側流道排空，為防止尾水泥沙淤堵機組尾水閘門使閘門無法提起，需保證4臺機組尾水閘門全部打開。2020-07-24T08：00，西霞院水庫水位為130.16 m，尾水位為122.05 m，2號排沙底孔表層取樣泥沙含量最高達到562 kg/m3，由于環境限制，當時取樣設備無法下到底層，但根據高含沙水流形態可以判斷底層含沙量應該遠遠大于表層含沙量。2020-07-24T08：30，西霞院機組尾水管水位上升明顯，高于尾水位2 m，現場工作人員立刻展開全面排查，當時西霞院4臺機組共12扇工作閘門處于全關位置，未發現明顯漏水情況。初步認為排沙底孔出沙量過大，機組尾水與下游河道落差小，再加上位于尾水正后方擋水墻的阻擋作用，一部分流體沙返回機組尾水洞方向，造成機組尾水洞淤堵。工作人員全體待命，做好搶險的設備及物資準備。2020-07-24T10：00，值班人員發現2號排沙底孔在工作閘門全開情況下，位于水面下13 m的擋水墻處浪花逐漸趨于平靜，整個機組下側尾水充滿黏稠狀的泥沙流體。2020-07-24T12：00，4臺機組尾水管水位同時上升至127 m高程。2020-07-24T13：10，西霞院電站壩后廠房機壓配電室下游墻體開始滲水，現場人員分為兩組，一組人員通過防汛沙袋和防雨布建立臨時流道，將滲漏進廠房的積水引流至95 m廊道積水井，最后使用滲漏排水泵將水抽出;另一組人員分別往4個機組尾水閘門室安放2臺100 m3/h的潛水泵，將積水抽至下游河道，以降低機組尾水閘門室水位。2020-07-24T14：40，機組尾水閘門室水位低于127 m高程，廠房停止漏水。2020-07-24T14：00，2號排沙底孔出水口翻涌浪花逐漸出現。2020-07-24T22：00，機組尾水閘門室水位不再升高。

4 尾水閘門室水位升高的原因分析

為了找出此次西霞院電站機組尾水閘門室水位突然異常上升的原因，確保電站水工建筑物、金結設備、發電設備安全運行，筆者結合多年工程管理經驗，做出以下分析。

4.1? ? 異常來水原因分析一

機組尾水閘門室水位突然異常上升，與兩個方面原因密切相關：一是機組尾水出口淤堵，尾閘室內積水過流不暢，造成機組尾水閘門淤堵，異常來水進入尾水閘門室后不能流到下游河道，使尾水閘門室水位不斷抬高。二是有異常來水，但其疑點較多。高含沙時期，機組進口工作閘門底坎處容易堆積大量泥沙，進口工作閘門關閉不嚴造成漏水的可能性很大。但是西霞院機組提前停機避沙，在泥沙含量達到20 kg/m3時就提前依次停機，過機含沙量并不高，且機組停機后立即全關機組工作閘門。閘門全關到位后再反復小開度開關幾次，確保閘門與底坎之間無泥沙等異物。但是，4臺機組尾水閘門室水位突然同時升高，且水位高度一致，這說明機組工作閘門即使有漏水，也不是此次異常來水的主要原因，因為4臺機組進口閘門滲漏量不會完全一樣，最終尾水閘門室水位也會有高有低。前段時間的電站值班記錄顯示，2020年7月7日—13日，西霞院4臺機組停機避沙，7號機和9號機進口閘門和尾水閘門均保持全關，經過6天時間，7號機和9號機尾水閘門室水位并未見明顯升高，因此判斷進口閘門漏水導致尾閘室水位上升的可能性較小。

4.2? ? 異常來水原因分析二

根據常理，水往低處流，考慮到大壩壩體漏水的情況，工作人員查看常年監測數據，并未發現異常趨勢，西霞院庫水位已在2020年7月8日降至130 m高程運行，即使滲漏量突然增大，也不會在幾個小時后突然自行停止滲漏并恢復正常狀態，因此壩體漏水導致尾閘室水位上升的可能性較小。

4.3? ? 異常來水原因分析三

當天西霞院2號排沙底孔突然改變流態，呈現“漿河”現象，且時間上與機組尾水閘門室水位上升高度重合。當時尾水位高程為123 m，但是機組尾水閘門室水位卻最高升高至127.7 m高程處。查閱電站的施工設計資料后，得知4臺機組尾水洞平行布置，間隔2 m，在2臺機組之間布置1條排沙底孔，根據沙重水輕的原理排減機組進口閘門下方的泥沙，防止泥沙進入水輪發電機組流道，保證機組安全。排沙底孔直徑5 m，進口底坎位于106 m高程，機組進口底坎位于114 m高程，但流道出口都布置在同一橫截面，并處于同一水平面的99.48 m高程處。機組尾管水出口為喇叭形狀，前小后大，最后出水口直徑為7.81 m。電站設計時，為防止機組及排沙底孔出水沖刷下游河道基礎，造成水工建筑物存在安全隱患，建造了消力塘對水流進行消能，消力塘底部在距離出水口71.7 m處開始逐漸抬高，經過60 m距離逐級提高到108 m高程形成擋水墻消能，擋水墻高達到8.52 m，在平時清水下泄情況下，擋水墻起到了良好的消能作用，保證了水工建筑物的安全。

但是，2020年7月24日，西霞院庫水位為130.2 m高程，尾水位高程為123 m，機組已停機避沙，尾水閘門保持全開，3條排沙底孔全開，當高含沙泥流經過時，上下游水面落差只有7 m，在擋水墻的阻擋作用下，2號排沙底孔出現了一段時間明顯的斷流、緩流現象，此為黃河特有的“漿河”現象。由于泥沙淤堵，水流無法及時宣泄到下游，在水庫上游至流道底部0.3 MPa壓力作用下，由于反滲作用通過機組喇叭形出水口倒流回機組側，機組蝸殼整體封閉，只有機組尾水閘門還有空間，造成機組尾水閘門室內水位緩慢升高，當升到127.6 m高程時，積水順著閘門尾水沖淤平壓系統電纜管道流入廠房，這導致電站機組尾水異常上升的可能性較大。

4.4? ? 理論依據

研究表明，含沙高濃度流體具有明顯的賓漢體特性，流變方程一般符合賓漢提出的切應力方程[1]：

含沙高濃度流體的流動，類似牛頓流體，也存在著層流、層流向紊流過度、紊流等流態。在天然河流中，當含沙量超過某一數值，而流速減小到一定數值時，整個流體有可能已不能保持流動狀態，就地停滯不前，產生“漿河”現象，但上游繼續向下輸送流體，使進口斷面流體勢能增大，達到一定數值后又恢復流動，這種停滯-流動-停滯-流動的往復循環，就是含沙高濃度流體的間歇流。

近年來，注漿工藝日趨成熟，軟黏土層注漿處理在現代道路工程中得到了廣泛應用，其原理是在軟黏土層施加一定壓力的濃度較大的水泥漿擠出軟土層中的部分水體，從而固化軟黏土。楊秀竹推導出了賓漢體漿液在砂土中進行滲透注漿時，有效擴散半徑的計算公式[2]：

式中：Δp為注漿處水頭與注漿壓力差;l1為有效擴散半徑;?為孔隙度;l0為注漿孔半徑;t為注漿時間;K為滲透系數;β、λ為流變參數，可根據賓漢模型公式求出。

通過上式，可以計算出方程中的有效擴散半徑l1。

周逸通過室內試驗、數值模擬計算得出，在一定漿液濃度、壓力、時間下，擴散半徑達50～190 cm，并在施工中得到了印證[3]。西霞院機組尾水出水口與排沙底孔出水口布置在同一水平面、同一橫截面，被泥沙淤積成一個整體，完全符合注漿模型。在尾水擋水墻的作用下，泥沙折返沉積形成一個112 m×127 m×20 m的相對穩定的軟黏土立方體，此時在排沙底孔的含沙高濃度流體繼續注入，軟黏土立方體在一段時間內相對穩定，內部水體被擠出，尾水閘門室底部及機組尾水管內被擠出的水體集中到尾水閘門室，經過數小時積累，尾水閘門室水位不斷升高，隨著水頭升高，壓力增大，在排沙底孔進口持續向下游輸送流體的疊加壓力下，尾水軟黏土立方體逐漸瓦解，排沙底孔緩慢恢復高速過流，尾水閘門室水位不再升高，隨著尾水軟黏土立方體消失殆盡，機組尾水閘門室水位與尾水貫通平壓，恢復正常。

5 結語

西霞院電站機組尾水閘門室水位異常升高現象在國內外極少出現，為黃河流域水利樞紐中特有的罕見現象。面對這種新情況，本文深入細致地開展了調查分析研究，及時處理了此次異常事件，沒有對工程樞紐造成損失。目前，人類對黃河泥沙的認識還在不斷探索中，應不斷加強認識和研究出現的新情況，掌握客觀規律，趨利避害，從而充分利用黃河為人類服務。

[參考文獻]

[1] 王國兵，竇國仁.含沙高濃度層流的漿河及間歇流[J].水利水運科學研究，1993（2）：119-125.

[2] 楊秀竹，王星華，雷金山.賓漢體漿液擴散半徑的研究及應用[J].水利學報，2004，35（6）：75-79.

[3] 周逸，袁建議，張定邦，等.公路軟粘土層注漿試驗分析及效果評價[J].湖北理工學院學報，2018，34（3）：56-61.