委內瑞拉托科瑪水電站水庫沉沙池方案比選及設置研究

張洪軍

(中科信德建設有限公司，成都，610081)

委內瑞拉托科瑪水電站水庫多年平均輸沙量為46.63萬t，合38萬m3，庫沙比約為31.4。如何使水庫既保持電站日調節所需的有效庫容，又要盡可能降低電站引水水流泥沙含量，減輕水輪機泥沙磨損是電站樞紐設計中需解決的關鍵問題[1]。本文通過工程措施，即按照不同的標準來進行沉沙池的設置，并進行經濟比較。

1 進水口河水泥沙含量的選取

1.1 選取河水天然含沙量

依據可研報告壩址1960-2000年逐日流量資料，根據水沙關系推求逐日輸沙量，進而得出逐日含沙量系列，共選取10年(1970-1979年)水沙系列為計算代表系列，進行沉沙池設置分析計算。

從沙樣的顆粒級配成果看，懸移質泥沙粒徑在0.01mm～5mm之間，非汛期(Q<460m3/s)D50為0.02mm左右；汛期(Q>460m3/s)D50為0.1mm左右；推移質泥沙粒徑在0.1mm～100mm之間，D50為1mm左右。懸移質泥沙顆粒級配表見表1、表2。

表1 非汛期懸移質顆粒級配

表2 汛期懸移質顆粒級配

1.2 選取水庫運行調度后進水口含沙量

托科瑪水電站排沙底孔底高程2198m，電站進水口底高程2211m，電站進水口可引2211m以上表層較清水流。在6-7月份，入庫日均流量基本大于電站引水流量時，將多余水流優先打開排沙底孔下泄，排沙底孔將含沙量較大的底層水流排出庫外，電站進水口引含沙量較小的表層水流發電。

水庫運行前20年，水庫庫區泥沙沉降效率較大，取水口含沙量與水庫運行年限差別不大。水庫運行20年左右時，取水口處年平均含沙量約為55g/m3。水庫運行20年后進行大壩底孔沖沙，根據分析，水庫運行20年后進行電站水沙運行調度后，基本達到沖淤平衡。因此，在采取沖沙措施后，后30年電站進水口河水含沙量與水庫運行20年時相同[2，3]。

2 沉沙池沉沙計算

2.1 沉沙池布置

受地形條件限制，本工程采用地下沉沙池。沿水流方向，沉沙池包括7個部分：連接隧洞、沉沙池進口閘門室、漸變段、沉沙池及下部沖沙廊道、沉沙池出口閘門室、沖沙閥室和沖沙廊道[4，5]。

地下沉沙池布置在大壩右岸山體內，斷面為城門洞型，下部設置沖沙廊道，采用鋼筋混凝土襯砌。

(1)原方案

沉沙標準為0.3mm，布置2條沉沙池，池長185m，斷面尺寸為W×H=14m×12m。

(2)比較方案一

根據《水利水電工程沉沙池設計規范》(SL/T 269-2019)，水電站額定水頭890m，沖擊式機組允許過機最大粒徑為0.1mm，按照0.1mm沉沙標準，布置4條沉沙池，池長185m，斷面尺寸為W×H=16m×18m。

(3)比較方案二

由于本工程屬于超高水頭，為了減少水輪機抗磨蝕，按照0.05mm沉沙標準進行沉沙池設計和驗算，此方案需布置4條沉沙池，池長540m，斷面尺寸為W×H=18m×21m。

2.2 計算工況

電站運行時，最低運行水位2223.00m，引用流量為114.6m3/s，無超出力；正常蓄水位2233.00m，引用流量為114.6m3/s，超出力引用流量為126.06m3/s；汛期限制水位2228.00m，引用流量為114.6m3/s，無超出力。計算工況按表3確定。

表3 計算工況

2.3 采用河水天然含沙量沉沙池復核結果

沉沙標準分別按0.3mm(原方案)、0.1mm(比較方案一)和0.05mm(比較方案二)進行驗算。

驗算結果表明，當沉沙標準為0.3mm時，需要2條沉沙池，池長185m，斷面尺寸W×H=14m×12m=168m2時，滿足沉沙率大于80%的沉沙要求。入池前含沙量為180g/m3，經過沉沙池后含沙量為158g/m3，其中大于0.3mm粒徑含沙量約為4g/m3。

沉沙標準提高到0.1mm時，要滿足沉沙率大于80%的要求，則需要4條沉沙池，池長185m，斷面尺寸W×H=16m×18m=288m2。入池前含沙量為180g/m3，經過沉沙池后含沙量為146g/m3，其中大于0.1mm粒徑含沙量約為8g/m3。

沉沙標準提高到0.05mm時，要滿足沉沙率大于80%的要求，則需要4條沉沙池，池長540m，斷面尺寸W×H=18m×21m=378m2。入池前含沙量為180g/m3，經過沉沙池后含沙量為134g/m3，其中大于0.05mm粒徑含沙量約為11g/m3。

不同沉沙標準的沉沙池工程量對比情況見表4。

表4 不同沉沙標準的沉沙池工程量對比

根據表4分析，如果將沉沙標準從0.3mm提高到0.1mm或0.05mm，沉沙池的工程量將增加，相應投資也將大幅度增加，比較方案一是原方案的2.2倍，比較方案二是原方案的6.2倍。

2.4 水庫運行調度后沉沙池復核結果

水庫運行前20年，水庫庫區泥沙沉降效率較大，取水口含沙量與水庫運行年限差別不大；水庫運行20年左右時，取水口處年平均含沙量約為55g/m3。取水口顆粒級配采用水庫運行20年的級配(見表5)。

表5 考慮水庫沉沙后取水口泥沙含量及顆粒級配

考慮水庫沉沙后，根據取水口水的含沙量和顆粒級配，分別用比較方案一和比較方案二的沉沙池長度和斷面尺寸進行沉沙效率驗算。

(1)當電站引水經過沉沙池比較方案一(即沉沙粒徑0.1mm的沉沙池，沉沙池長度185m，斷面尺寸W×H=16m×18m)后，入沉沙池和出沉沙池的各級配含沙量見表6。

表6 出入沉沙池泥沙含量及顆粒級配對比

從表6可以看出，當考慮水庫沉沙，電站引水經過沉沙池比較方案一出池后總的含沙量變化較大，每方水多沉了11g左右，即出沉沙池含沙量相比進水口少了11%的沙，且粒徑小于0.05mm的沙占比較大。沉沙池沉沙效果較明顯。

(2)當電站引水經過沉沙池比較方案二(即沉沙粒徑0.05mm的沉沙池，沉沙池長度540m，斷面尺寸W×H=18m×21m)后，入沉沙池和出沉沙池的各級配含沙量見表7。

表7 出入沉沙池泥沙含量及顆粒級配對比

從表7可以看出，當考慮水庫沉沙，電站引水經過沉沙池比較方案二出池后總的含沙量變化不大，每方水只多沉了約13.5g左右，即出沉沙池含沙量相比進水口少了13.5%的沙。

3 結論

(1)拉托科瑪水電站為沖擊式水輪機組，額定水頭890m，已超出相關規范范圍，原方案中沉沙池規模按沉沙粒徑0.3mm設置，這個標準顯然太低，不能夠滿足拉托科瑪水電站水輪機過機含沙量的要求。

(2)如果將沉沙粒徑提高到0.1mm或0.05mm，則沉沙池長度、斷面尺寸將增加。比較方案一在經濟投資上增大較少的情況下沉沙池效果與比較方案二相差不大，故采取比較方案一從經濟和沉沙效果上是較合理的。