尼泊尔上马蒂水电站取水防沙试验.pdf

第 卷 第期 年月武汉大学学报（工学版）收稿日期：作者简介：刘彬（），男，硕士研究生，主要从事施工水力学与导流工程研究，：通讯作者：杨磊（），男，博士，副教授，主要从事导截流试验研究及水利工程施工组织管理，：基金项目：国家自然科学基金项目（编号：）文章编号：（）尼泊尔上马蒂水电站取水防沙试验刘彬，杨磊，徐宏亮，张志强，戴晨，詹义正（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 ；上海勘测设计研究院，上海 ；中国水利电力对外公司，北京 ）摘要：上马蒂水电站位于尼泊尔西部马蒂河上，河道来水量悬殊，水位变化较大，常年来流量及更小流量情况下取水极其困难 马蒂河属于多沙河流，且工程河段宽浅、坡陡，加剧了河道推移质泥沙运动 为了解决不同工况下电站取水、防沙问题，试验研究中，在电站首部枢纽上游布置取水口、引水渠、锁坝等建筑物，并加高溢流堰前隔水墙的高程 同时，在沉沙池内增设整流格栅后，悬移质分组沉降率得到提高，满足水轮机过沙要求 这种“逆向引水、正面排沙”的工程布置方式为解决山区多沙河流取水防沙问题提供了一种新的途径关键词：推移质；悬移质；沉降率；取水防沙中图分类号：文献标志码：，（，；，；，）：，“，”：；上马蒂水电站位于尼泊尔西部马蒂河，沿河段从上至下包括坝址首部枢纽、引水隧洞、调压井、压力钢管、电站厂房、开关站和道路工程 首部枢纽由开敞式溢流堰、右岸岸边式冲沙闸、右岸沉沙池、右第期刘彬，等：尼泊尔上马蒂水电站取水防沙试验岸进水前池及溢流堰与冲沙闸前的隔水墙组成 工程所在河段河床坡陡（坡降）流急，在相对较小的多年平均流量下，抗冲粒径大于 ，在设计洪水流量下，抗冲粒径达，推移质泥沙运动剧烈 电站为无库引水式电站，河道水深小，加剧了推移质泥沙运动 洪水过后，河槽左右摆动明显，且深度发生很大变化，小流量下，电站很难有效取水 模型试验采用在枢纽上游布置取水工程的方式，解决多种不同工况下电站取水、防沙问题，保证电站正常引水发电水文泥沙资料工程坝址以上多年平均来流量为 ，枯水期来流量为 ，年一遇洪水流量为 ，年一遇洪水流量为 ，年一遇洪水流量为 ，年一遇洪水（设计洪水）流量为 多年平均输沙量约为 万，年平均输沙率约为 坝址推移质沙量按推悬比 计，推移质沙量约为 万 年平均含沙 量 约 为 ，最 大 含 沙 量 为 电站正常发电引水量 模型设计基于本模型试验研究问题的特点，依据“三分一合”原则以确保水工、泥沙问题的统筹模拟，即模型设计时，将属于河道的泥沙（推移质）运动问题与属于沉沙池内的泥沙（悬移质）运动问题分开研究，将粒径较大的卵石推移质泥沙与粒径较小的沙质推移质泥沙分开模拟，将沉沙池内大于 的悬移质泥沙与小于 的悬移质泥沙分开模拟，将相对较细的沙质推移质与悬移质中相对较粗的床沙质合为一起模拟 试验采用正态模型，模型设计同时满足水流运动相似、泥沙起动和沉降相似取水防沙试验研究针对上马蒂河道洪、枯水期来水来沙情况及要解决的问题，模型试验对原河道及优化后的河道取水、防沙分别进行了研究，如表所示表河道泥沙研究 优化方案工程措施备注加高堰前隔水墙防止了侧向翻水翻沙加高隔水墙、布置无丁坝取水口疏浚工程量大加高隔水墙、设置丁坝疏浚工程量小 优化方案试验研究原型河道试验表明，在枯水期及多年平均流量条件下，来流均从河道主槽下泄，沉沙池不能进水 年一遇洪水时，河槽冲淤变形不大，大部分水流仍从左岸主槽下泄 此时，床面泥沙起动，推移至溢流堰前，部分水沙翻越隔墙至冲沙闸一侧，并在闸前形成一个最大淤积长 、宽、高 淤积体在、年一遇洪水条件下，洪水过水断面逐渐增大，主河槽变宽 在 年一遇洪水时，坝轴线上游 至 之间主河槽由原来位置摆至右岸 年一遇洪水时，大部分隔水墙已被淹没，洪水从坝轴线上游 处开始翻越导墙，此处水位为 ，洪水过后，河床右岸新形成一个约 宽的主河槽，冲沙闸前淤积体最大长度、宽 、高，最大粒径，且沉沙池池箱上段最大淤积粒径达 试验证明原河床状况下不可能满足电站取水要求，一方面在小流量工况下，来流均从主河槽下泄，沉沙池进口上游滩地高程大，水流不能自流至沉沙池进口前；另一方面，在年以上洪水时，河道内的大量推移质泥沙被直接输运至沉沙池进口前，并极易随引水进入沉沙池内，造成沉沙池上段的严重淤积 为有效地阻止较粗的推移质泥沙翻越溢流堰、冲沙闸前纵向隔水墙，隔水墙的原设计为坝轴线 至 段为 高程，至 段由 高程以 坡度增至 ，优化方案将隔水墙从坝轴线 至 段加高至 ，至 段由 高 程以 的坡度增至 试验结果证明，优化后的隔水墙解决了设计洪水下溢流堰一侧向冲沙闸一侧翻水翻沙的问题，排除了推移质泥沙从溢流堰一侧随水流进入沉沙池的可能性，但枯水期引水问题、年一遇以上洪水条件下大量粗颗粒泥沙进入沉沙池问题都未得到解决 优化方案取水口试验研究马蒂河洪、枯水期流量相差悬殊，枯水期水量极小，水位变化很大，在不拦河壅水情况下，自流引水十分困难，因此必须拦河修建控制性建筑物，以期能控制全河水流，保证引取电站所需水量渠首力求多引水的同时还需少进沙，在同一条件下，分流比愈大，则分沙比也愈大，因此要促使水沙分离，引入“清水”而拦截底沙 为此，试验采用“逆向引水、正面排沙”（指取水口迎水面偏向河道下游，引水口门武汉大学学报（工学版）第 卷一定范围内的水流流向与主河道内的流向相反，故称为逆向引水）的反“”形工程布置方式研究上马蒂水电站取水防沙问题 模型试验经多次探索研究在溢流堰坝轴线上游 处的河道右岸布置取水口，取水口迎水面法线与原河道水流成 夹角，取水口门设置为倒坡形式，坡降为，前缘高程为 ，末端高程为 ，口门宽；在取水口门末端开挖坡降 的引水渠，引水渠与冲沙闸前的浆砌块石护坦（坡度为 ）相接，取水口上、下唇用粒径 的块石堆高形成洲头；在溢流堰坝轴线上游 处，利用开挖料筑成一个长、宽 的堆石体，其轴线与溢流堰轴线成 夹角，左岸顶部高程 ，右岸顶部高程 ，平均比原地面高枯水期堆石体前水位壅高，水流平顺地进入取水口，此时水流流速很小，冲沙闸前没有泥沙淤积，可以引到 全部来流多年平均流量下，堆石体左段溢流，水位达 ，河床上少量启动泥沙均随水流翻越堆石体泄向下游，可以引到 的来流，此时取水口的分流比为 年一遇以上洪水时，堆石体被水流缓慢冲垮，取水口处环流作用减弱，河床上启动泥沙一部分随水流流入取水口，一部分翻越取水口上唇直接进入引水渠，沿人工引水渠下泄输运至沉沙池进口最终取水口淤满且人工引水渠淤积量很大，给下一个枯水期取水造成了极大困难，为解决取水问题，势必要进行大面积的人工引水渠疏浚 优化方案试验研究根据优化方案的研究，为了解决年一遇以上洪水条件下推移质泥沙大量进入人工引水渠且给洪水过后小流量取水带来极大困难的问题，必须确保取水口的稳定性以保证其洪、枯水期循环使用 方案在坝轴线上游 处设下挑丁坝，该丁坝与岸坡夹角为 ，丁坝靠近左岸岸边一端高程为 ，靠近河道一端高程为 ，坝长 ，宽 取水口进口宽 ，取水口仍采用反“”形布置形式 同方案一样，沿右岸山体开挖一个坡降 的人工引水渠与沉沙池进水口的浆砌块石护坦相接 引水渠沿岸呈单边扩散布置在坝轴线上游 处的右侧河道内设置锁坝以壅高河道水位，锁坝长 ，宽，高程为 丁坝、锁坝、取水口形成“逆向引水、正面排沙”的工程组合形式，如图所示优化方案表明：在枯水期可引到 来流，多年平均来流时引水流量满足电站正常发电所需水量 ；丁坝的导沙作用明显，在 年一遇、年一遇洪水过后，丁坝坝址处淤积泥沙较多，但仍能满足电站取水要求，且只有极少量泥沙随水流沿引水渠流向下游，淤积至冲沙闸前；锁坝、丁坝联合工作可以有效改善水流流向及流态，满足电站发电要求水量图优化方案工程布置图 沉沙池内悬移质沉降试验研究沉沙池悬移质沉降率试验主要是在不同来沙量情况下进行试验，以评价沉沙池沉沙效果的优劣为便于准确反映水流流态、含沙量沿程变化情况，在沉沙池工作段上布置个断面，依次编号为、号为了提高沉沙池池箱分组沉降率，在坝轴线 处设置整流格栅，沉沙池平面布置形式如图所示图沉沙池平面布置图 第期刘彬，等：尼泊尔上马蒂水电站取水防沙试验沉沙池在正常引水流量 条件下，进口狭颈段最大流速达，其水位与突扩段水位差约，狭颈段与突扩段以 的斜坡相接，水流在突扩段扩散不充分，局部流态紊乱，且在沉沙池右箱至号段存在不稳定的回流区 布置整流格栅后，沉沙池内流态有明显变化，流速整体降低且均匀化、回流消失，池箱后段流速很小设置整流格栅前后，沉沙池内水流平均速度对比如表表沉沙池水流平均速度比较 断面号（）无整流格栅有整流格栅减幅 沉沙池保持 引用流量，在不同含沙浓度时，加设整流格栅前后悬移质分组沉降率对比如表和表 布置整流格栅后，悬移质含沙浓度为 时，分组沉降率最大增幅是 ，含沙浓度为 时，分组沉降率最大增幅是 ；且泥沙粒径越细，沉降率增幅越大，两种不同含沙浓度下，均达到水轮机 悬沙 的沉降率、悬沙 的沉降率要求，也充分说明整流格栅增加其上游水深、降低流速、流态均匀稳定化的整流作用以及提高沉沙池内悬移质泥沙沉降率的效果表含沙浓度 分组沉降率比较 粒径级分组粒径无整流格栅有整流格栅增幅 表含沙浓度 分组沉降率比较 粒径级分组粒径无整流格栅有整流格栅增幅 结语本文采用物理模型试验对坡陡流急，推移质粒径大、数量多的山溪性河流来流来沙问题进行了研究，设置丁坝、采用弯道式取水口“逆向引水”、锁坝“正面排沙”的工程布置方式，以及加高工程枢纽中隔水墙、在沉沙池内布设整流格栅的方法，有效地解决了电站枯水期等小流量下引水及较大洪水工况下防、排沙问题，提高了沉沙池悬移质泥沙沉降率，满足了工程中水轮机对悬移质泥沙的要求上马蒂水电站“逆向引水、正面排沙”的取水工程方案简单、高效、实用，为解决山区洪枯水期水位悬殊、多沙河流的取水防沙问题提供了一种新的思路，但在取水工程运行当中仍需注意以下几个问题）“逆向引水”所必需的反“”形工程布置形式，致使水流流经反“”形弯道后，流速方向发生改变，从而让泥沙与水流分离，所以要保持反“”形流势就需控制锁坝以及取水口下唇的稳定性）沉沙池内布设整流格栅，是一种限于本工程整体枢纽布置形式及沉沙池自身规模的方法如能增加沉沙池的高度、长度，势必能更加有效地提高沉沙池内悬移质泥沙沉降率）由于锁坝壅水、过沙，洪水期下泄的水量、沙量相对较大，必须考虑在较短距离内下泄水流与下游河道正常水流获得妥善的衔接防止对下游河床冲刷和对枢纽下游段建筑物的淘刷，以保证工程安全）引水枢纽还须考虑排沙防淤任务，因为枢纽引走了大量的上游来水，并且分水比远大于分沙比，从而使河流显著地改变了原来的水沙比例 特别是某些工况下引水比超过 时，进一步恶化了取水口下游的水流输沙条件，如不采取相应的排沙防淤措施，势必使下游河床较快地淤高，并爬上锁坝，缩短取水工程寿命 同时为了保持取水口及引水渠的畅通，免除或减少淤积泥沙的阻水、滞水作用，尤其是在 年一遇及 年一遇洪水条件下，除了水力冲沙这一清淤措施外还需采用机械或人工的方式进行不定期疏浚参考文献：严 晓 达，刘 旭 东，李 贵 启，等低 水 头 引 水 防 沙 枢 纽 北京：水利电力出版社，张瑞谨，谢鉴衡，王明甫，等 河流泥沙动力学 北京：水利电力出版社，（下转第 页）武汉大学学报（工学版）第 卷）混凝土心墙砌石拱坝中心墙的存在对上、下游坝体均有一定的保护作用，但是这种作用在不同的部位影响有大有小 上游面中下部拉应力影响最大，其次是中上部压应力，对下游面压应力影响最小 坝型不同影响程度也不一样 但总体来说均质拱坝与心墙拱坝相比坝体上游面在拉应力区增幅可高于 ，可见心墙对坝踵开裂有十分重要的影响其余区域的影响也均在 以上 结合各个区域的应力方向分析原因，心墙的存在增大了坝体的拱作用，使得梁承担的应力有效减小对下游面拱端的影响则是因为心墙弹模较大，使得拱端受力更不均匀，由弯矩引起的那部分拱端压应力减小）砌石拱坝中心墙的结构作用不容忽视，坝体某些部位因此材料强度并不能充分发挥，对拱坝体型起一定的控制作用）在心墙砌石拱坝中虽然心墙对坝体的应力值有一定影响，但是通过改变心墙的混凝土标号，增大弹模来减小坝体应力的方法并不能取得明显效果，是不可行的）心墙拱坝刚度比较大，与均质拱坝相比自振频率较高，第一阶振型的振动频率两者相差在 左右并且动应力在心墙处也存在应力集中现象，但是动静叠加以后并不会对坝体产生不利影响参考文献：董福品，朱伯芳，沈之良，等 国内外高拱坝应力分析概况 中国水利水电科学研究院学报，（）：任灏，李同春，陈杨 拱坝应力分析的结构力学方法综述人民黄河，（）：水电部水利水电建筑总局 砌石坝施工北京：水利电力出版社，朱伯 芳中 国 拱 坝 建 设 的 成就水力发电，（）：黎展眉国内外拱坝建设与发展（下）贵州水力发电，（）：曾金水 福建砌石拱坝施工技术与经济分析 水利水电科技进展，（）：王旭，谢新生，戴文胜，等砌石拱坝的病害整治措施探讨水电站设计，（）：砌石坝设计规范北京：水利水电出版社，邹志晖，陈霞龄，韩伯鲤砌石双曲拱坝坝体应力的研究武汉水利电力大学学报，（）：檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾 （上接第 页）杨婷，陶建峰，刘桂平，等整治工程后长江口南北槽的分流分沙季节特征河海大学学报（自然科学版），（）：余新明，谈广鸣河道冲淤变化对分流分沙比的影响武汉大学学报（工学版），（）：张光斗，王光纶专门水工建筑物 上海：上海科学技术出版社，明宗富，雒征 沉沙池泥沙运动规律的研究 武汉水利电力大学学报，（）：华根福，刘焕芳，汤骅，等沉沙池泥沙沉降率的计算与试验研究人民黄河，（）：邓净云南省高桥电站取水防沙设计人民长江，（）：宋祖诏，张思俊，詹美礼，等 取水工程 北京：中国水利水电出版社，