川西南山区河流引水式电站取水防沙设计探讨

王晓东，王党在

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 概述

我国川西南山区河流一般具有河道平均比降大、洪枯流量悬殊、河谷深切、河道及地形复杂等特点，河流输沙量年内分布不均匀，主要集中在汛期，沙峰随洪峰出现。河流的水电开发多采用修建拦河闸坝、引水式开发，近些年来多采用“以库代池”的方案，利用水库沉沙，汛期不定期停机敞泄冲沙。由于其避沙时间短且又在汛期，能量损失较少，较沉沙池方案具有经济比较优势。电站运行一定时期后水库内将沉积较多的泥沙，沙头随水流逐渐向取水口缓慢推移，因此，取水防沙是首部枢纽设计中的关键内容之一。

2 取水口的布置选择

川西南山区河流上修建的引水式电站一般采用“侧向取水、正向冲沙”的布置型式，多采用改进印度式引水，即取水口与拦河闸坝轴线呈105°～110°，实践证明这种布置的防沙效果较好。取水口多布置于河道的凹岸，利用弯曲河道的横向环流作用，在表层少沙水流取水，同时将河底挟沙量较高的水流推向凸岸，使淤沙远离取水口。也有一些电站受引水线路的制约将取水口布置于凸岸，一般采用在凹岸上游设置导水墙布置，也有的工程采用人工开挖改道的措施，调整河道主流至取水口一侧。

表1 川西南山区部分引水式电站引水防沙设计相关数据表

取水高程的合理选择对取水防沙亦起到重要的作用。一般而言，取水口底板设置越高，越利于防沙;但设置过高，将带来取水口宽度或高度的增加，往往不经济，因此，需根据取水需求、取水水位、冲沙槽底板高程以及其它防沙、排沙措施等综合确定。表1列举了一些水电站取水口设计的数据。

从以上电站的布置资料、模型试验及运行情况看，由于川西南山区河流比降陡、泥沙含量高、汛期利用洪水敞泄冲沙运行，取水口底高程一般较冲沙槽底板高3.5～4.5m以上，防沙效果较好。

3 冲沙闸的合理布置

在多泥沙河流上，冲沙闸是首部枢纽排沙的重要建筑物，一般紧邻取水口布置，敞泄冲沙时，将取水口门前所沉的粗沙冲至下游，形成“门前清”。

3.1 冲沙闸底高程

冲沙闸的底高程应根据河床比降及河床冲淤变化状态确定，一般以取多年平均枯水期的河槽平均高程为宜。当河流含沙量较大、河床本身也经常处于淤积情况时，底板可适当抬高0.5～1.5 m，以便把泥沙冲到远离建筑物的地方［1］。由于川西南山区河流比降陡，冲沙闸多布置于河流深槽部位。为增加冲沙槽内的水深和避免下游冲刷，很多电站的冲沙闸底高程选择为枯水期河槽的最低高程。

3.2 冲沙闸的尺寸

(1)根据流量频率计算。根据河流的水文、泥沙、河道断面等资料，分析确定冲沙闸的设计流量，有的采用多年平均流量、或采用50%频率的日平均流量，还有的采用2.5% ～3%的多年日平均流量［1］。

(2)根据河相关系和泥沙特性计算。其基本理论是:冲沙闸的宽深关系应与进水口所在河段多年平均流量的河道宽深关系相适应。冲沙闸的设计流量选用河道多年平均流量，冲沙闸的宽度、水深、流速及纵坡使用河相关系、推移质输沙率公式、水流运动方程和连续方程四个关系式联立求解［2］。

(3)根据限制过机泥沙的沉沙和冲沙流量计算。取水口正常取水时，为使过机限制最小粒径止动，确定沉沙槽的宽度，计算冲沙槽内的冲沙流速，根据冲沙水位进而确定冲沙闸的设计流量，最后根据宽顶堰公式确定冲沙闸的宽度及高度。

(4)根据洪水资料综合确定泄洪闸、冲沙闸尺寸，并经模型试验验证。

不论采取何种方法，都必须综合考虑天然河道的稳定宽度及防沙、冲沙要求，使冲沙槽中的流态适应引水口的要求，确保正常情况下的防沙、冲沙效果，有条件时在水工模型试验中验证。

4 防沙结构

4.1 束水墙

山区河流在冲沙闸前多设置束水墙，与取水口及上游翼墙组成沉沙、冲沙槽，加大泄洪时冲沙闸前的水流流速，形成束水攻沙，确保取水口“门前清”。

束水墙的典型布置为垂直坝轴线呈直线布置，如瓦斯河龙洞电站、革什扎河吉牛电站、宝兴河出居沟电站等;也有呈弧线布置的，如二瓦槽电站，因其闸址上游革什扎河弯道角度大，取水口布置于主流对岸，泄洪时闸前呈明显横向流，因而将束水墙布置成向河道内的圆弧形，以增加冲沙闸的过闸流量;也有呈折线向内侧布置的，如黑水河色尔古电站，取水口位于河道凹岸，设计初期束水墙布置为直线，模型试验过程中发现敞泄拉沙时在取水口前形成一定强度的回流运动，有粗颗粒泥沙被带进电站进水口内，因而将束水墙布置成向内的折线，并在上游侧设置一道导沙墙，优化方案有效地阻止了拉沙过程泥沙入侵电站取水口门内。

一般为减少绕流，束水墙头部宜做成有一定坡度的“鱼咀”形，也有的电站布置成台阶状。

从川西南十余座山区河流电站的布置、模型试验情况及运行情况看，束水墙的平面和立面布置对防沙和排沙非常重要。由于上游河势、闸址处河道断面情况、泥沙情况、运行方式等的不同，其布置应综合考虑。

4.2 拦沙坎

山区多泥沙河流水电站取水口前一般均设置有拦沙坎，其既可以防止上游淤沙推移至取水口，又可以在敞泄冲沙时防止经过冲沙槽内的底沙翻入取水口，拦沙坎的布置对防止粗沙进入取水口关系很大。

拦沙坎一般布置成折线形，多为开口状，敞泄冲沙后期的下泄水流亦可将拦沙坎内的泥沙带走，如图1中龙洞电站的布置。也有的电站为减少敞泄冲沙时大量底沙随局部旋流倒灌入拦沙坎内，下游端与排污闸或冲沙闸边墩相连，底部设置排沙孔，如图2中民治电站的布置。

图1 龙洞电站拦沙坎布置示意图

图2 民治电站拦沙坎布置示意图

拦沙坎上游段与取水口翼墙或岸边导墙的角度宜取30°～40°。角度太大，阻水作用明显，易造成取水口前流态混乱搅起底部泥沙翻入拦沙坎内;角度太小，拦沙坎距离取水口太近，防沙能力有限。拦沙坎的顶高程一般与取水口底板高程相近，以能够阻止泥沙翻过且不妨碍取水口取水为宜。表1中列举了部分电站拦沙坎的布置数据。

5 运行方式

合理的调度运行方式是延长水库寿命、减少淤积、确保电站安全、提高工程效益的重要手段之一。山区河流电站的水库一般为河道型，在汛期闸前，水位多控制在排沙运行水位;当上游形成较大洪水或入库流量达到适宜的冲沙流量时，电站停机避峰敞泄冲沙。当泥沙淤积造成调节库容减少、沙洲洲头推进到特定位置时，利用电站日负荷低谷期，停机敞泄冲沙，造成库内强烈的溯源冲刷，将库内的泥沙大部分冲出，恢复调沙库容。宜开展库区泥沙监测断面观测，及时掌握入库水文情势﹑库区泥沙冲淤变化等与上、下游梯级联合调度，共同泄水冲沙，并根据电站引水防沙效果在实际运行中积累经验，逐渐优化调度运行方式。

6 青龙水电站取水防沙设计

6.1 工程概况

青龙水电站属白水江水电规划一库七级方案中的第七级梯级电站，为引水式开发，单一发电工程。闸高16.5m，水库正常蓄水位高程1272m，汛期运行水位高程1270.5m，正常蓄水位以下库容为23.4万m3，调节库容7.8万m3。电站引用流量132.66m3/s，装机容量102MW。

6.2 泥沙资料

经统计，青龙闸址处多年平均悬移质年输沙量 93.5 万 t，多年平均含沙量 0.458kg/m3，汛期(5～10月)平均含沙量0.626kg/m3。实测悬移质颗粒级配成果见表3，其最大粒径0.868mm，中值粒径0.036mm。床沙中最大粒径230mm，中值粒径119mm，平均粒径129mm。

表3 悬移质颗粒级配成果表

6.3 取水防沙布置

白水江为山区性多泥沙河流，青龙水电站为河道型水库，库沙比非常小，库区泥沙淤积速率快，推移质淤积将很快抵达闸前，电站首部枢纽引水防沙问题十分突出，因此，青龙闸坝枢纽布置的重要任务之一是解决好取水、防沙的问题。

受引水线路选择的制约，青龙水电站取水口顺河侧向布置于冲沙闸前微弯河道的凸岸，与坝轴线呈105°交角，形成“侧向引水、正向冲沙”的布置型式。设6孔开敞式取水口，闸孔宽度为5 m，取水口底板高程1265m，较冲沙闸底板高3 m。根据洪水流量并与泄洪闸综合考虑后，冲沙闸最终采用宽2.5m、高4m的带胸墙平底宽顶堰，底板高程采用1262m。为改善冲沙效果，在冲沙闸上游设置束水墙，顺水流方向长45m，基本延伸至取水

口上游侧，将冲沙闸与泄洪闸水流分开;同时，为减少头部绕流以及避免妨碍取水，束水墙头部布置成坡度1∶2的“鱼咀”形。为防止敞泄冲沙时底部泥沙大量翻入取水口以及拦截到达取水口的推移质泥沙，在取水口前设拦沙坎，坎顶高程1265m，比冲沙闸底板高3m，折线布置，上游与取水口侧左岸导墙成32°角。取水口底坎与拦沙坎、拦沙坎与束水墙之间形成两道冲沙槽，可加大闸前束水攻沙能力，达到使取水口“门前清”的目的。

6.4 电站运行方式

根据白水江水沙特性和工程特点，青龙水电站采用不定期敞泄冲沙的调度方式:汛期(5～10月)，正常情况下，将闸前水位控制在汛期排沙运用水位，让入库泥沙在库内淤积，当取水口前沿淤积床面高程接近拦沙坎顶高程时，利用电站日负荷低谷期，开启冲沙闸﹑泄洪闸，敞泄排沙，恢复调沙库容，每次冲沙时间为6h。另外，当上游衔接梯级——双河水电站在入库流量大于180m3/s时，相应于青龙水电站210m3/s(约为两年一遇洪水流量)，电站停机敞泄冲沙运行。非汛期(11月～次年4月)，由于入库沙量较少，闸前水位可在正常蓄水位至死水位之间调度运用。

7 结论及建议

(1)河流泥沙运动的复杂性、上游河势的不同，决定了河道型水库低闸引水式电站取水防沙措施的多样性和综合性。

(2)川西南山区河流有其自身的特点，坡降陡、水流湍急、河势复杂、泥沙含量高，取水口底板高程宜高于冲沙槽3.5～4.5m，拦沙坎前段与上游结构的角度宜取30°～40°，顶高程一般与取水口底板高程相近;束水墙的布置对引水防沙效果也有较大影响，因此设计中须全面、综合考虑。

(3)由于取水防沙措施的多样性和综合性，有条件时应借鉴类似工程经验拟定初步布置，通过整体水工模型试验，确定适合工程特点的的布置方式。

［1］华东水利学院.水工设计手册，8灌区建筑物［M］.北京:水利电力出版社，1984.