南美洲水電站泥沙清淤技術(shù)

[挪威] T.雅克布森 等

南美洲水電站泥沙清淤技術(shù)

[挪威] T.雅克布森 等

挪威SediCon公司采用SediCon除沙器，將為厄瓜多爾科卡科多辛克雷水電站提供泥沙清淤服務(wù)。SediCon除沙器主要由開(kāi)槽水管、連接“黑盒”、外管、泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、外管控制閘等5個(gè)部件組成。模型測(cè)試表明，在有效水頭40 cm和外管長(zhǎng)度15 m條件下，SediCon除沙器清除泥沙達(dá)0.5 t，效果十分理想。詳細(xì)介紹了南美洲地區(qū)水電站的泥沙清淤技術(shù)。

徑流式水電站；泥沙淤積；清淤技術(shù)；南美洲

1 概 述

2013年秋季，中方承包商中國(guó)水利水電建設(shè)集團(tuán)公司(Sinohydro)與挪威SediCon公司簽訂合同，同意該公司為厄瓜多爾科卡科多辛克雷(Coca Codo Sinclair)水電站的沉沙池提供泥沙清淤技術(shù)服務(wù)。SediCon公司積極應(yīng)對(duì)、全力以赴。40臺(tái)全重力驅(qū)動(dòng)式SediCon除沙器，每年可為該水電站清除泥沙600萬(wàn)t；如果40臺(tái)除沙器同時(shí)運(yùn)行，每小時(shí)清淤量可達(dá)2.5萬(wàn)t。

科卡科多辛克雷水電站別具一格，是世界上最大水頭的徑流式水電站之一。電站裝機(jī)容量1 500 MW，年發(fā)電量為8.631 GW·h，庫(kù)容為零，總水頭為660 m。水電站取水口設(shè)置有8座沉沙池(長(zhǎng)150 m、寬13 m)，清淤后水流首先進(jìn)入引水隧洞(長(zhǎng)24.79 km、設(shè)計(jì)流量222 m3/s)，再經(jīng)地下廠房上游的補(bǔ)償水庫(kù)(庫(kù)容為88.6萬(wàn)m3)調(diào)節(jié)，最后進(jìn)入8臺(tái)水輪機(jī)(最大流量278.5 m3/s)。

2 科卡科多辛克雷水電站泥沙清淤技術(shù)

科卡河是納波(Napo)河的支流，最終匯入亞馬孫河。工程集水區(qū)面積3 600 m2，高程1 262～5 790 m，流域內(nèi)植物、動(dòng)物、土壤類(lèi)型多樣，氣候和降雨變化大，流域產(chǎn)沙量較大。該水電站發(fā)電機(jī)組取水的最大允許含沙濃度為5 000 mg/L，而進(jìn)入沉沙池的泥沙輸移率為101 t/s，由此估算每年進(jìn)入沉沙池的懸移質(zhì)泥沙量為700萬(wàn)t。一方面，高含沙水流的清淤必須耗水最少且不影響發(fā)電效益；另一方面，受取水口復(fù)雜條件、空間限制和其他設(shè)施布置等因素的影響，沉沙池的清淤設(shè)施不得改變?nèi)∷诩伴l底板高程。此外，由于水電站的有效壩高小于沉沙池的水深，因此也無(wú)法采用傳統(tǒng)的自由面流沖沙方式清淤。SediCon除沙器具有非面流沖沙、運(yùn)行水頭低、沖沙需水量小、間斷或連續(xù)沖沙皆宜等優(yōu)點(diǎn)，是科卡科多辛克雷水電站泥沙清淤的最佳選擇。

科卡科多辛克雷水電站8座沉沙池的設(shè)計(jì)尺寸為長(zhǎng)150 m、寬13 m，沉沙池的設(shè)計(jì)泥沙粒徑大于0.25 mm。SediCon除沙器主要由永久性固定式開(kāi)槽水管構(gòu)成，水管從沉沙池的底部吸取泥沙、輸移至外管，除沙僅由重力驅(qū)動(dòng)。除外管的控制閘之外，其余部件均固定不動(dòng)。整個(gè)除沙系統(tǒng)靈活方便、易于操作。每座沉沙池安裝有5臺(tái)獨(dú)立運(yùn)行的除沙器，每臺(tái)除沙器主要由如下5個(gè)部件組成：

(1) 2根開(kāi)槽水管。開(kāi)槽水管安裝在沉沙池底槽的表層上。

(2) 連接“黑盒”。連接2根開(kāi)槽水管與外管，平衡水流與泥沙，同時(shí)維持外管高含沙水流，避免外管堵塞。

(3) 外管。外管管徑為500 mm、最大長(zhǎng)度達(dá)150 m，布設(shè)于沉沙池下層的廊道內(nèi)，將水沙混合流排泄至環(huán)境流渠道，以維持河流的生態(tài)基流。

(4) 標(biāo)準(zhǔn)泥沙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)安置在沉沙池內(nèi)。

(5) 外管控制閘。控制閘負(fù)責(zé)維持泥沙清淤系統(tǒng)的運(yùn)行。

為了解決泥沙磨損問(wèn)題，SediCon公司明確了每座沉沙池每臺(tái)除沙器的管道材料與管壁厚度，保證絕大部分的粗顆粒泥沙淤積在進(jìn)水口，少量的細(xì)顆粒泥沙淤積在下游。

2012年中期，水電站業(yè)主科卡辛克雷公司(Coca Sinclair EP)及主管部門(mén)墨西哥聯(lián)邦電網(wǎng)委員會(huì)(CFE)與SediCon公司簽約，要求SediCon公司盡快對(duì)40臺(tái)除沙器進(jìn)行模型測(cè)試。經(jīng)過(guò)2周高效準(zhǔn)備，SediCon公司與CFE委員會(huì)在CFE水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室(位于庫(kù)埃納瓦卡市)共同開(kāi)展了系列模型測(cè)試，模型比尺為1∶20。結(jié)果表明，在有效水頭40 cm和外管長(zhǎng)度15 m條件下，除沙器清除泥沙達(dá)0.5 t，測(cè)試十分成功。

3 拉丁美洲泥沙清淤工程實(shí)踐

為科卡科多辛克雷水電站提供SediCon除沙器并不是SediCon公司首次為拉丁美洲提供此類(lèi)服務(wù)。洪都拉斯庫(kù)亞馬爾(Cuyamel)徑流式水電站，裝機(jī)容量7 MW，水頭約100 m。該水電站進(jìn)水口就布設(shè)了一條長(zhǎng)40 m并配備2臺(tái)SediCon除沙器的有壓沉沙管，其目的是阻止泥石流和超量泥沙的進(jìn)入。除沙器的尺寸與科卡科多辛克雷水電站除沙器基本一致，但由于外管較短，除沙能力更強(qiáng)，每小時(shí)泥沙清淤量約1 000 t。自2007年投運(yùn)以來(lái)，該SediCon除沙器運(yùn)行狀況良好。2009年9月，尼泊爾科姆堤(Khimti)水電站也安裝了4臺(tái)SediCon除沙器，實(shí)測(cè)的除沙量每小時(shí)達(dá)4 000 t。此外，該水電站廠房有壓沉沙管內(nèi)還安裝有2臺(tái)小型SediCon除沙器，自2000年開(kāi)始運(yùn)行攔沙，2008年進(jìn)行了一次攔沙效果檢測(cè)，結(jié)果表明，泥沙清淤系統(tǒng)運(yùn)行十分理想。

除了水電站沉沙設(shè)施SediCon除沙器之外，SediCon公司還提供以重力式SediCon疏浚機(jī)為主的其他清淤產(chǎn)品。SediCon疏浚機(jī)的工作原理與除沙器相同，通過(guò)對(duì)主要構(gòu)件吸頭的巧妙設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)水流的含沙濃度，疏浚泥沙而又不堵塞外管。SediCon公司已為中美洲多個(gè)水電項(xiàng)目提供了SediCon疏浚機(jī)。例如，意大利國(guó)家電力公司(ENEL)曾租賃250 mm型SediCon疏浚機(jī)，為危地馬拉埃爾加納大(El Canada)水電站提供疏浚服務(wù)，自2011年，每年已為該水電站疏浚泥沙達(dá)10萬(wàn)m3。SediCon公司采用300 mm型疏浚機(jī)，為哥斯達(dá)黎加加蘭古特(Dona Julia)類(lèi)似水電項(xiàng)目疏浚泥沙6萬(wàn)m3。為了保證每年有足夠庫(kù)容進(jìn)行數(shù)百次的日峰調(diào)節(jié)，對(duì)這類(lèi)水電站進(jìn)行泥沙疏浚非常有代表性而且也十分重要。攔沙效果曲線見(jiàn)圖1。

由此可見(jiàn)，泥沙清淤技術(shù)在南美洲和中美洲國(guó)家具有使用潛力的水電項(xiàng)目并不是大庫(kù)深水的大型水庫(kù)，而是上述那些徑流式水電站。哥倫比亞、厄瓜多爾、秘魯和智利等國(guó)家由于壩址地帶地形陡峻、地質(zhì)脆弱、植被稀疏、季節(jié)性降雨影響等原因，容易產(chǎn)生瞬時(shí)和極端產(chǎn)沙量。而且，厄爾尼諾氣候現(xiàn)象也極可能給一般干旱地區(qū)帶來(lái)洪水災(zāi)害和極端產(chǎn)沙量。

4 挪威泥沙清淤技術(shù)

數(shù)萬(wàn)年前的冰河時(shí)代已經(jīng)沖蝕了挪威境內(nèi)的幾乎所有泥沙。挪威之所以會(huì)成為泥沙清淤技術(shù)中心，其原因在于，20世紀(jì)80年代挪威水電開(kāi)發(fā)末期，挪威工程師們被迫尋找海外工作機(jī)會(huì)，他們雖然水電工程經(jīng)驗(yàn)豐富，但在泥沙工程技術(shù)方面卻缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。

為此，挪威科技大學(xué)(特隆赫姆校區(qū))將泥沙技術(shù)列入水電學(xué)科課程與研究的重要內(nèi)容，包括SediCon公司技術(shù)創(chuàng)始人T.杰克森在內(nèi)的博士們最終研發(fā)出了一系列泥沙技術(shù)及產(chǎn)品。隨后，T.雅克布森于2001年成立了SediCon公司，主打研發(fā)SediCon疏浚機(jī)和SediCon除沙器等產(chǎn)品。目前，公司在哥斯達(dá)黎加和墨西哥開(kāi)設(shè)了分公司，在厄瓜多爾和日本設(shè)立了代表處。

(董耀華 編譯)

2014-11-19

1006-0081(2015)01-0029-02

TV747

A

董耀華，男，長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究工作。)