顧 軒， 李 偉

(四川圣達水電開發(fā)有限公司，四川樂山 614900)

1 概述

大渡河干流在銅街子水電站以上河水行進在高山峽谷之間，水力開發(fā)適合采用傳統(tǒng)的高壩大庫方式。銅街子水電站以下河寬逐漸增大，銅街子鎮(zhèn)至樂山市河段長約45km，河谷開闊，動能經(jīng)濟指標十分優(yōu)越，但始終受制于平緩河段蓄水難、土地淹沒大、移民數(shù)量多等問題，致使該河段開發(fā)難度較大。為避免上述問題，大渡河沙灣河段開發(fā)方案突破性地采用了“向下挖水頭”的設計，開挖了現(xiàn)亞洲最長的尾水渠用以集中平緩河道的水頭，從而既充分利用了平緩河段的水能資源，又避免了高壩蓄水造成的淹沒問題，使得原本不具備開發(fā)條件的大渡河下游河段有了可行的開發(fā)方案。

河床式廠房加長尾水渠的混合式開發(fā)雖然能夠充分利用大江大河的下游河段，但在亞洲及國內(nèi)尚缺少采用該模式開發(fā)的電站運營與管理經(jīng)驗，超長尾水渠在運營中的行洪、淤積及日常養(yǎng)護中存在著各種問題均值得我們進行探討。

2 沙灣水電站長尾水渠設計的可行性與其具有的特點

2．1 沙灣水電站長尾水渠設計的可行性

大渡河沙灣河段沿河城鎮(zhèn)較多，人口密集。在充分利用水能資源的前提下，若采用傳統(tǒng)的高壩大庫方式進行開發(fā)，由于其淹沒工礦、場鎮(zhèn)和省道103公路及大片耕地、民房而使得工程投資、移民難度巨大而不可行;若采用壩式+引水式方式開發(fā)，該河段流量雖大但比降小，經(jīng)濟效益不高。若采用純河床式開發(fā)，需建設兩級電站才能完成該河段水能資源的開發(fā)利用，其投入產(chǎn)出比效果也極佳。

經(jīng)過反復進行論證比較，最終決定在該河段采用河床式廠房加長尾水渠的混合式開發(fā)，該方式一級即可完成該河段水能資源的開發(fā)利用。在河床式廠房后開挖長9．15km的尾水渠，在利用長尾水渠集中的14．5m水頭落差的基礎上，只需要再筑壩壅水15．5m高，既可使得電站總利用落差達到30m。采用長尾水渠獲得裝機容量220 MW，與單純的依靠筑壩蓄水獲取水頭的方式及兩級式的開發(fā)方式相比極大地減少了淹沒面積及投資與移民成本。

2．2 尾水流態(tài)分析

根據(jù)沙灣水電站的運行方式，在尾水渠中有三種流態(tài)。第一種為:當上游來水量小于滿發(fā)流量2203m3/s時，所有來水均用來發(fā)電，泄洪沖沙閘關閉，原河道無棄水;第二種為:當上游來水流量為2203～5000m3/s時，機組滿發(fā)引走2203 m3/s的流量，其中大于2203m3/s、小于5000 m3/s的部分流量由泄洪閘下泄至原河道，兩股水流在尾水渠出口處匯合;第三種為:當上游來水流量大于5000m3/s時，由于水流中含沙量大，上下游水頭差小，機組停機避峰，所有流量均由泄洪沖沙閘下泄至原河道，僅有部分水流從尾水渠左堤樁號為i+000至I+700處預留的溢流側(cè)堰翻入尾水渠，使尾水渠中的水流在停機狀態(tài)時仍處于流動中，從而有利于減少渠道左邊墻兩側(cè)的水位差和渠內(nèi)泥沙淤積，兩股水流在尾水渠出口處匯合。

2．3 尾水渠對河段行洪能力的影響

尾水渠局部穿過主河床。由于工程的建設造成本河段河道水流流態(tài)和河床關系的改變，從而造成河床再造的過程。經(jīng)計算，在流量Q=5500 m3/s(相當于兩年一遇)下，工程建成后，尾水渠河段的平均河寬為338m，河床是穩(wěn)定的。根據(jù)實際運營經(jīng)驗看河床未曾發(fā)生較大的河床演變。

沙灣水電站尾水渠修建后，長尾水渠占用天然河道，導致天然河道過流能力下降、過流時水位上升，設計洪水水位最大上升0．47m，已對本河段行洪產(chǎn)生了比較明顯的影響，必須采取適當?shù)拇胧p少對行洪能力的影響。其主要原因是部分尾水渠道占用了河道主槽，如CS4～CS8附近的尾水渠，對于這部分河道，須開挖疏浚河道，恢復河道的行洪寬度和行洪斷面。

2．4 長尾水渠對河段泄洪效能的影響

由于有尾水渠的存在和影響，從而使沙灣水電站的泄洪和消能與純河床式電站有著本質(zhì)上的不同。因為尾水渠是在河床上開挖出來的，其底高程大大低于原河床，而且全斷面都進行了襯砌，糙率遠遠小于原天然河道，從而增大了電站的行洪能力。

此外，若電站未從天然河道棄水時，閘下屬于干枯狀態(tài)。在閘門剛開啟時，與其它純河床式電站相比閘下總是少了一個機組的發(fā)電流量，而采用長尾水渠設計的電站閘下水位增長緩慢，致使消能問題異常嚴峻。為解決天然河床干枯帶來的消能問題，沙灣水電站閘下消能方式必須采用三級消能池消力，從而造成了投資增加。

3 長尾水渠泥沙淤積問題分析

3．1 入庫泥沙特性分析

天然情況下，沙灣水電站入庫懸移質(zhì)泥沙年輸沙量為3910萬t，推移質(zhì)泥沙年輸沙量為78．5萬t。暫不考慮雙江口水電站的攔沙作用，其上游瀑布溝水電站水庫具有季調(diào)節(jié)能力，泥沙出庫率為13．1%，出庫含沙量為0．115kg/m3，水庫運用100a時，泥沙出庫率為13．7%，出庫含 沙量 為0．121kg/m3。

瀑布溝水電站建成后較長時間內(nèi)下泄的泥沙主要為顆粒較細的沖泄質(zhì)，水流處于次飽和狀態(tài)，沒有推移質(zhì)泥沙出庫，沙灣與瀑布溝水電站區(qū)間內(nèi)的推移質(zhì)沙量大約為 60．4萬 t(合30．2萬m3)，經(jīng)過龔嘴和銅街子水電站水庫攔蓄后，進入本工程庫區(qū)的泥沙主要以細顆粒懸移質(zhì)泥沙為主，多年平均入庫懸移質(zhì)泥沙輸沙量為1170萬t(合836萬m3)，沒有推移質(zhì)泥沙入庫，水庫懸移質(zhì)泥沙顆粒的分界粒徑dk=0．15～0．4mm，沖泄質(zhì)約占90%以上。

3．2 尾水渠泥沙淤積程度計算

設計要求，當工程遭遇大流量時，尾水渠將參與行洪。由此而可能出現(xiàn)的問題包括:不同年份(豐、中、枯三個典型年)進入渠道的泥沙量有多少、泥沙沿程淤積形態(tài)、渠道淤沙級配組成情況及泥沙淤積對尾水渠運行影響分析。

由于沙灣水電站為日調(diào)節(jié)電站，無任何調(diào)蓄能力，當上游來水大于5000m3/s時，全閘開啟，大排大泄，故以入庫泥沙特性作為尾水渠淤積計算的依據(jù)。

根據(jù)四川大學高速水力學國家重點實驗室提供的CRS—1和CRS—3河流泥沙數(shù)學模型對尾水河段、尾水渠道水流泥沙進行模擬計算，其計算結(jié)果如下:

(1)豐、中、枯三個典型年入渠沙量分別為:3490 萬 t、1920 萬 t、1505 萬 t。

(2)泥沙淤積對尾水渠運行影響分析。

泥沙沿程淤積形態(tài)(20a)見圖1。由圖1可知，最大淤積厚度為0．75m，泥沙淤積平衡后的渠道底坡坡比為1∶30300。沙灣水電站尾水渠泥沙淤積20a(中+豐+中+枯+中循環(huán)4次)泥沙淤積基本平衡，在引用發(fā)電流量下，電站尾水位升高0．09m，即發(fā)電水頭減少0．09m，因此，尾水渠泥沙淤積對電站發(fā)電水頭存在一定影響。

3．3 沙灣水電站尾水渠淤積量的測量及分析

為掌握沙灣水電站自運行以來尾水渠內(nèi)的泥沙淤積情況，公司于2010年11月24日組織人員沿尾水渠下游至上游逐段對尾水渠斷面淤積情況進行了勘察，采用水下測量法進行了測量(表1)。

根據(jù)沙灣水電站發(fā)電部《關于尾水渠淤積量測量情況報告結(jié)果》與尾水渠施工設計實際情況，筆者做了以下分析:

圖1 沙灣水電站尾水渠泥沙沿程淤積形態(tài)(20a)圖

表1 沙灣水電站長尾水渠淤積厚度表

(1)從水面高程進行分析。水面高程不是按一定坡比向下順降，而是在尾水渠出口高程存在升高現(xiàn)象，分析其原因是該處設置的攔沙坎和渠底淤積物對水流產(chǎn)生阻礙導致，局部抬高了水位。

(2)從各斷面水深數(shù)據(jù)分析。深度基本一致，但在尾水渠出口有突降，應與該處擋沙坎和地方傾倒廢料堵塞河道有關。尾8+155．00處的水深與渠底高程變化有差異，應與前期地方船只私自進入尾水渠內(nèi)進行開采有關。

3．4 淤積量計算

尾水渠渠底寬度為91m，渠底淤積平緩段尾0+00至尾7+102．00平均預計厚度為18cm。

突變段尾7+102．00至尾9+015．00平均厚度為76．9cm。

則尾水渠總淤積量為:

式中 V為長尾水渠內(nèi)淤積總量;W為長尾水渠底面寬度;H1為平緩段平均淤積厚度;H2為突變段平均淤積厚度;L為平緩段長度。

V=0．18×91×7102+0．769×91×(9015-7102)=250200(m3)，即25 萬 m3。

實際情況與設計計算相比淤積問題突出，可能與測量之前上游瀑布溝水電站并未蓄水有關。

4 沙灣水電站長尾水渠河段的管理

從對9．15km長尾水渠觀察的情況看，目前尾水渠水工建筑物總體運行正常、安全可靠，但右岸擋墻局部由于車輛碰撞而造成倒塌破損，需進行修復。

5 結(jié)論與建議

通過對沙灣水電站的開發(fā)方式及其長尾水渠水力特點進行分析，筆者得到以下幾點認識:

老砍頭走了，秀容月明再也撐不住，叫了聲“越秀”，就倒了下去。 越秀顧不得虛弱，將丈夫抱入山洞，手忙腳亂地給他止血。

(1)因地制宜地采用符合沙灣河段所處的地理、環(huán)境特點的河床式廠房加長尾渠開發(fā)方案，在技術上是可行的，在經(jīng)濟上是合理的。

(2)對類似沙灣河段的河流下游淺丘、平原地區(qū)河段水能資源的開發(fā)問題，當采取常規(guī)開發(fā)方式開發(fā)河段水能資源因淹沒等因素受到限制或不經(jīng)濟時，采用尾水渠集中該河段水頭、增大裝機容量是一個有效的模式。

(3)受尾水渠影響，閘門下游河段水位低、流量小，閘下底流消能應由一級增加至三級。

(4)應在主廠房前設置兩道攔沙設施，避免推移質(zhì)泥沙通過機組流道進入渠中，同時應疏浚下游河道的高邊灘和心灘，以利于行洪，避免泥沙入渠。

(5)鑒于沙灣水電站尾水渠通過大量開挖河道而獲得的水頭，建議對施工棄渣和水保問題進行專題研究。

(6)尾水渠河段在不棄水的情況下脫水，極大地影響了河床景觀及生態(tài)環(huán)境。建議今后采用長尾水渠模式開發(fā)的工程，在脫水河段應增加生態(tài)機組或閥門，以保護原河道的生態(tài)環(huán)境。

(7)建議每年汛后對尾水渠淤積量進行定期測量，著重安排對尾水渠末端2km范圍內(nèi)進行定期清淤。

6 沙灣水電站長尾水渠推廣應用的前景

(1)大型河流下游段一般都具有流量大、河谷開闊、水流散亂的特點。沿河耕地、人口和城鎮(zhèn)密集，工礦業(yè)發(fā)達，交通道路縱橫，若采用傳統(tǒng)水能開發(fā)方式單純依靠筑壩蓄水來獲得水頭，將受到淹沒條件的限制而變得不可行。只有采取尾水渠集中這些河段水頭的方式，才能使這些河段的水能開發(fā)由不可能變?yōu)榭赡?，由不?jīng)濟變?yōu)榻?jīng)濟。

(2)隨著國內(nèi)各主要河流中、上游高山河谷段的開發(fā)殆盡，沙灣水電站這種利用尾水渠集中河段水頭的開發(fā)方式很適合對下游平緩地區(qū)的水能資源開發(fā)，在具有適合的條件時有很好的推廣和應用價值。