CCS 水電站大流量高含沙水流減排沙系統(tǒng)研究

邢建營，謝遵黨

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州450003）

1 工程概況

科卡科多·辛克雷（Coca Codo Sinclair，簡稱CCS）電站工程位于亞馬遜河二級支流科卡河（Coca River）上，距離厄瓜多爾首都基多130 km，電站建成后年均發(fā)電量約87億kW·h，能夠滿足厄瓜多爾全國三分之一以上的電力需求，結(jié)束該國進口電力的歷史[1-2]。

CCS電站為高水頭特大型沖擊式水輪機組電站，總裝機容量為1 500 MW，設(shè)計最大凈水頭618 m，是世界上總裝機規(guī)模最大的沖擊式水輪機組電站[3]。其中沖擊式水輪機噴嘴出口流速110 m/s，斗葉相對流速51 m/s，高速高壓水流中摻雜的顆粒極易導(dǎo)致噴嘴或者水斗等重要部件被磨蝕，降低設(shè)備的服務(wù)年限。

對于沖擊式水電站[4]，水輪機的磨損與水中泥沙含量、泥沙粒徑、水頭、水輪機制造工藝水平、水流相對流速、泥沙的磨損能力綜合系數(shù)、機組實際運行時間、水輪機制造材質(zhì)的耐磨系數(shù)等諸多因素有關(guān)，為了防止水中有害泥沙對水輪機的磨損，影響發(fā)電效益，通常工程設(shè)計中采用沉沙池、攔沙坎等進行處理。

針對該工程的泥沙問題，考慮在工程樞紐布置上考慮多級減沙排沙措施，即把首部樞紐布置在寬淺庫區(qū)下游，充分發(fā)揮水源水庫庫區(qū)沉沙功能；取水口布置在河道右岸，避開在主河槽流速較大的位置取水，采用側(cè)向引水、正向沖沙的方式，降低取水口水源的含沙量；取水口附近布設(shè)沖沙閘，保證“門前清”，減少泥沙淤積對取水口的影響；將大流量低耗水可調(diào)節(jié)連續(xù)式沉沙池作為CCS水電站多級減沙排沙系統(tǒng)的核心；采用經(jīng)驗公式法確定淤積總量、數(shù)值分析法模擬泥沙淤積分布，據(jù)此在調(diào)蓄水庫內(nèi)選擇合適的清淤方式進行精準清淤。

2 水源水庫沉沙

2.1 流域概況

Coca流域位于厄瓜多爾北部地區(qū)，水系及水文站網(wǎng)見圖1，流域面積4 004 km2，屬亞馬遜河水系。Coca干流是Napo河的支流，發(fā)源于Antisana火山東麓，由Coca河和Quijos河組成，支流Salado河與干流交匯口以上河段稱Quijos河，以下河段稱Coca河。Coca干流河道長160 km，天然落差為5 200 m左右，Quijos河長約85 km，流域面積2 677 km2，Coca河長約75 km。支流Salado河發(fā)源于安第斯山脈Cayambe火山東麓，發(fā)源地海拔5 790 m，西北東南流向，在Reventador火山南側(cè)匯入Quijos河，河口以上流域面積920 km2，河長約70 km。流域內(nèi)分布有高山氣候區(qū)、熱帶草原氣候區(qū)及熱帶雨林氣候區(qū)，降雨量由上游地區(qū)1 331 mm（Papallacta站）向下游逐漸遞增到 4 834 mm（San Rafael站）、6 122 mm（Reventador站）。

圖1 Coca河流域水系及水文站網(wǎng)

2.2 電站調(diào)度要求

根據(jù)水電站動能分析結(jié)果和國家電網(wǎng)對CCS水電站的調(diào)度要求，電站裝機容量需要1 500 MW，多年平均發(fā)電量87億kW·h，根據(jù)凈水頭分析，平均流量需要220 m3/s以上，考慮生態(tài)流量的下放要求，取水口應(yīng)在Salado河與Coca河匯合口下游。

2.3 泥沙防控措施

根據(jù)電站對徑流量的要求，首部樞紐布置在Salado河與Coca河匯合口下游1 km處，該處上游庫區(qū)河道寬淺，壩址處河道縮窄，并有河心島可以利用，從地形條件看是優(yōu)良的樞紐布置區(qū)。另外，庫區(qū)內(nèi)河道比降為0.50%，遠低于上游河道比降（0.89%），水流進入庫區(qū)后流速變緩，推移質(zhì)泥沙和部分懸移質(zhì)泥沙在庫內(nèi)沉積，有效降低了取水口附近的含沙量。

3 首部樞紐布置減沙

3.1 地形地質(zhì)條件

首部樞紐庫區(qū)[5]由Quijos河谷、Salado河谷及匯合后的Coca河谷組成，在兩河交匯一帶以相對寬廣的U形谷為主，谷底寬300～700 m，發(fā)育多處河心灘、河漫灘，河道縱比降0.27%～0.47%，河谷岸坡陡峻。壩址處的突出特征是河谷中間凸現(xiàn)一錐形花崗巖侵入體，受該侵入巖體控制，河道寬度縮窄形成了V形峽谷。河道在右岸形成一個彎道，河道左岸有一埡口，最低處高出河床僅約25 m。

3.2 布置研究

根據(jù)工程區(qū)地形地質(zhì)特點，并考慮排沙沖沙要求，進行了多種布置方案的經(jīng)濟技術(shù)比選，最終確定采用左岸集中泄水布置方案。該布置方案具有以下特點。

（1）充分利用混凝土面板堆石壩對地基適應(yīng)能力強的優(yōu)點，在主河道深厚覆蓋層上布置混凝土面板堆石壩，減少地基處理投資，方便施工，縮短工期。

（2）取水閘和沉沙池布置在中部侵入巖體下游側(cè)，充分利用河心島山體擋水，同時減少基礎(chǔ)土石方開挖量和基礎(chǔ)處理工程量。

（3）溢流壩和沖沙閘基礎(chǔ)置于深覆蓋層上，但地基土層已完成固結(jié)，密實程度較高，地質(zhì)條件優(yōu)于右岸主河道。采用左岸集中泄水布置方案是技術(shù)經(jīng)濟綜合選擇的結(jié)果。

（4）取水口布置在河道右岸，避開主河槽流速較大的區(qū)域，采用側(cè)向引水，降低取水口水源的含沙量。

（5）在取水口附近布設(shè)沖沙閘正向沖沙，保證引水口附近門前清，減少泥沙淤積對取水口的影響。

4 沉沙池沉沙

4.1 河道來水來沙情況及沉降要求

取水口河段多年平均流量291 m3/s，多年平均懸移質(zhì)含沙量為1.01 kg/m3。泥沙級配見圖2，中數(shù)粒徑為0.46 mm，粒徑大于0.25 mm的泥沙占68%。根據(jù)EPC合同要求，粒徑0.25 mm以上泥沙的沉沙效率達到99.9%，沖排流量不超過引水流量的10%。

圖2 沉沙池入池泥沙級配曲線

4.2 沖排沙布置研究

水利水電工程沉沙池的設(shè)計中[6]，沉沙池的沖排沙設(shè)施通常采用排沙閘、排沙廊道和排沙管道等，具體應(yīng)用往往根據(jù)工程實際需要，選擇單個或多個聯(lián)合組成完整的沖排沙系統(tǒng)，其形式、布置等因地形、地質(zhì)、引水流量、含沙量及運行要求的不同而不同。

根據(jù)沉沙池布置尺寸及水沙條件，采用一維非飽和輸沙法進行計算[7-8]，計算結(jié)果見表1。根據(jù)計算結(jié)果，沉沙池全沙沉降率為80.0%，粒徑大于0.25 mm的泥沙沉降率為99.9%，基本滿足沉沙要求。由此可知，沉沙池[9-10]單池槽寬13 m、深11.70 m、總長150 m滿足設(shè)計要求。

表1 沉沙池沉降計算結(jié)果

5 調(diào)蓄水庫精準清淤

5.1 調(diào)蓄水庫簡介

調(diào)蓄水庫主要功能是對輸水隧洞引來的水量按電站運行要求進行調(diào)節(jié)，并進一步降低泥沙含量，減少其對水輪機的磨蝕，調(diào)蓄水庫布置見圖3。首部樞紐的引水通過輸水隧洞進入調(diào)蓄水庫，輸水隧洞出口位于庫區(qū)左岸接近庫尾，壓力管道進口塔架位于庫區(qū)右岸，與放空洞塔架并排布置。水庫正常蓄水位1 229.50 m，死水位1 216.00 m。按照電站運行要求，調(diào)蓄水庫為日調(diào)節(jié)水庫，調(diào)節(jié)庫容80萬m3。泥沙淤積不僅侵占調(diào)蓄水庫的調(diào)節(jié)庫容，而且不清理或清理不當將增大過機泥沙含量。為保證電站正常運行，需研究設(shè)置合適的減淤和清淤方式。

5.2 水庫淤積形態(tài)研究

調(diào)蓄水庫淤積來源主要包括輸水隧洞來沙和Granadillas流域來沙兩部分，調(diào)蓄水庫多年平均入庫流量187 m3/s，多年平均來水量為59億m3。調(diào)蓄水庫年均入庫懸移質(zhì)沙量為110萬t，其中通過輸水隧洞入庫泥沙107.5萬t、調(diào)蓄水庫Granadillas流域的天然來沙2.88萬t，泥沙干容重按1.33 t/m3考慮，約83萬m3/a。水庫年平均進口含沙量為0.2 kg/m3，中值粒徑為0.055 mm。汛期（4—9月）進口含沙量為0.247 kg/m3，非汛期（1—3月及10—12月）進口含沙量為0.187 kg/m3。進入調(diào)蓄水庫的泥沙級配見圖4。

5.3 調(diào)蓄水庫減淤和清淤布置

（1）擋渣壩設(shè)計研究。為了攔擋Granadillas流域的推移質(zhì)，防止河道內(nèi)推移質(zhì)進入調(diào)蓄水庫內(nèi)，調(diào)蓄水庫庫尾設(shè)置攔渣壩。為盡可能多攔擋Granadillas流域的推移質(zhì)，攔渣壩應(yīng)盡可能布置在Granadillas河谷的下游；攔渣壩的布置不能影響輸水隧洞出口閘的運行。根據(jù)Granadillas河谷的地形地質(zhì)條件，壩址選擇在河谷相對較窄的地方，攔渣壩布置在距離輸水隧洞出口閘上游50 m處。

圖3 調(diào)蓄水庫布置

圖4 調(diào)蓄水庫入庫泥沙級配

（2）清淤設(shè)計研究。根據(jù)調(diào)蓄水庫庫區(qū)形態(tài)、庫容、建筑物布置和環(huán)境保護等要求，該區(qū)域不適宜采用水力排沙設(shè)施（洞）排沙。為保證壓力管道進口前形成較穩(wěn)定的排沙漏斗以保證電站正常發(fā)電，采用了機械清淤方式。該清淤方式具有移動靈活、深水清淤、排漿濃度大和用水量小等特點，通過定時清淤可以保證水庫淤積不影響有效庫容。

6 結(jié) 論

針對該工程的泥沙問題，經(jīng)過研究采用優(yōu)化首部樞紐布置，加大水庫沉沙作用，首部樞紐減沙排沙布置設(shè)計，大流量低耗水可調(diào)節(jié)連續(xù)式沉沙池技術(shù)，調(diào)蓄水庫精準減沙排沙設(shè)計等多級減沙排沙系統(tǒng)，有效降低了過機泥沙含量。

經(jīng)現(xiàn)場檢測，尾水出口處泥沙含量為0.032～0.244 kg/m3，實現(xiàn)了過機泥沙含量減少70%以上。