碧口大坝下游尾水区域泥沙淤积与处理.doc

碧口大坝下游尾水区域泥沙淤积与处理何录合大唐碧口水力发电厂 提要：碧口电站在投运后，由于泄洪排沙，尾水下游河床出现泥沙淤积。泥沙局部堆积束窄河道、抬高河床，致使正常尾水位被迫抬高造成电能损失。至2005年底，下游水位比设计正常尾水位高近2米。2006年对下游淤积体进行了开挖处理，共开挖砂砾石10万立方米，下游水位平均降低1.7米，取得较好的水头效益。关键词：水电厂 下游尾水 淤积 开挖一、概况碧口水电站位于甘肃省文县碧口镇上游3km的白龙江干流上，控制流域面积26000km2，占全流域面积的80%。工程以发电为主，兼有防洪、灌溉、渔业等效益。装机容量3100MW，总库容5.21亿m3。为大（2）型工程，主要建筑物按2级设计。枢纽工程由土石坝、溢洪道、右岸泄洪洞、左岸泄洪洞、排沙洞、引水洞、调压井、钢管道、厂房和开关站等组成。枢纽自建成投产以来，左岸排沙洞、右岸泄洪洞、溢洪道先后投入泄洪沙运行，左岸泄洪洞至1990年移交电厂。碧口水电站在1976年至2006年间，最大入库流量41900m3/s（1998.8.20），最大的下泄流量30900m3/s（1998.8.20），未遇特大洪水。二、尾水区域淤积及尾水抬高情况碧口水电站尾水渠下游河床在两个部位出现淤积，一是尾水区回流中心淤积丘，自电站运行以来淤积位置及形态变化不大，淤丘高程维持在616.00m左右，潜没水下，属细颗粒淤积丘。二是消能区下游堆积丘，为泄洪冲刷物堆积而成，经长期冲刷砂砾石逐步粗化，堆积体均为粗颗粒，堆积体表面可见体积较大的块石及卵漂石，堆积高程在617米高程以上面积近7000平方米，水流在沙丘两侧分道汇入下游河床。1998年8月汛后淤积体最大高程619.0m620.0m左右。水流在堆积丘两侧分道汇入下游河床，主流在右岸，堆积体主要由右泄泄洪形成。1998年汛期以后至今，由于枢纽未遭遇较大洪水，淤积体高程基本稳定，2004年3月实测淤积体最大高程620.35m，但淤积体的范围较1998年汛后增加较多，下游河道束口断面继续减小。由于堆积体的存在，堵塞河道起壅水作用，使主河道的过水断面减小，使电站正常尾水位被抬高，造成了电能的大量损失。 碧口水电站近三十多年来对电站尾水水位进行了观测，与设计尾水位曲线（根据天然河道断面推测）相比，正常发电尾水位高于设计值，而汛期排沙洞或右泄等泄流情况下，尾水位又低于设计值。从碧口电厂测量的历年来电站非汛期尾水位流量关系曲线图可以看出尾水位的变化过程：其中，76年、77年及78年非汛期尾水位与设计值相比，抬高幅度近0.64m0.72m左右；1980年尾水位大幅抬高，较设计值相比，最大抬高值为1.80m1.51m;1982年和1984年尾水位继续抬高但抬高幅度较小。以后尾水位又开始持续升高，其中1990年尾水位较设计值抬高0.460.92m;1995年抬高1.12m1.54m;在1998年8月20日洪水过后实测尾水位较设计值抬高约1.52m1.63m左右，从1998年以后历年来的尾水位流量关系曲线图中可以看出，2001年2004年电站尾水位较1998年相比又普遍抬高0.30m左右，呈缓慢增长趋势，2004年电站一台机、二台机和三台机满发情况下电站尾水位分别抬高1.98m、1.94m和1.67m。尾水位的升降与河床的淤积及开挖密切相关。历年来尾水位变化情况比较见下表。近年尾水位变化情况表实测年份1台机满发流量Q160（m3/s）2台机满发流量Q320（m3/s）3台机满发流量Q480(m3/s)尾水位（m）增幅（m）抬高值（m）尾水位（m）增幅（m）抬高值（m）尾水位(m)增幅（m）抬高值（m）设计值616.40617.24617.921998年618.03+1.63618.80+1.56619.44+1.522002年617.86-0.17+1.46618.72-0.08+1.48619.43-0.01+1.512004年618.38+0.52+1.98619.18+0.46+1.94619.59+0.16+1.672005年618.570.192.17619.350.172.11619.670.081.75备注1. 尾水位增长幅度是以当年尾水位与上年尾水位的差值；2. 尾水位抬高值是当年尾水位与尾水位设计值之间的差值。三、尾水区域淤积原因分析1. 泄洪建筑物工程布置因素。在建坝前尾水区天然河道为峡谷型河道，平水期河面宽约60米，洪水期可达140米左右，河床砂砾石覆盖层最深达34米，河床易冲淤变形。建坝后两岸分设泄洪排沙建筑物，河床消能区拓宽至190米左右，与下游河道成束口型连接。尾水区河岸线略成圆弧型。泄水建筑物均为河岸式或隧洞型，其轴线与河道夹角较大，其中右泄为490，溢洪道为330，左泄为270，且均采用挑流在河床利用水垫消能，各泄水建筑物在河床部位冲坑较深，河床冲淤变形较大。是河床发生冲淤变形的主导因素。2. 水力条件因素。在电站发电情况下，水流流速小，尾渠水流平稳。排沙洞投入运行后，出现顺时针大回流，电站尾水绕过左导墙，随回流流动。右泄投入运行后，右泄水流动量大，排沙洞水流被顶托。使尾水渠下游水域形成逆时针回流，上述两种流态对河床冲淤起主要作用。3. 泄洪排沙运用方式原因。碧口水电站在投运后，由于泄洪排沙，尤其是右泄水流进入河床后，冲淤变化较大，形成冲刷坑。冲坑下游出现粗化淤丘，局部堆积束窄河道、抬高河床，使下游尾水位被迫抬高。且淤积物粗化，形成一个抗冲能力较强的堰坎，控制着电站尾水位。堰坎的成因主要是泄流时冲刷坑后的水力搬运与筛选，堰坎是由块石与粗砾石组成。施工期弃渣，其他工程废渣向下游尾水倾倒，也使下游淤积物增加，进一步造成下游河床抬高。四、尾水开挖1. 开挖方案选择。按照水工模型试验及水力计算成果，尾水区域开挖范围确定为淤积体进口断面开始至下游400米处，对淤积体开挖进行了615.0米、616.0米、617.0米三个方案比较，淤积体右侧开挖至与主河槽相连，淤积体右侧按照河势确定。三个方案的开挖量如下：开挖高程（米）开挖量（万立方米）备 注砂砾石石方615.016.371.64按10考虑超径石工程量。616.013.481.35617.010.311.03通过获得电站水头和施工难度及经济效益比较综合分析，推荐采用方案二（606.0方案），开挖工程量14.83万立方米，可以获得水头1.631.71米。2. 具体实施。经有关专业人员现场查看、研究，对原论证报告方案研究，认为采用开挖高程615方案，以使电厂得到最大经济效益，但由于615方案投资较大，经研究讨论，现场对615方案进行优化调整，以在获得最大效益的同时，尽量减少工程投资。最终尾水区域开挖疏竣范围确定为按照616方案的开挖高程，减少开挖长度和宽度，淤积体开挖从进口束口断面开始至下游260m处，左右开挖基本为河道中间淤积区域，宽度约60米。为防止开挖淤积体后泄洪时水流冲刷左侧岸堤，自回水湾起砌筑大约260米长浆砌石护坡，护坡剖面尺寸为上口宽50cm，下口宽250cm，高度6米。3. 开挖效果。工程于2006年2月15日开工，5月20日完工。按照优化后的开挖方案施工，开挖砂砾石10万立方米，修砌浆砌石河堤280米。开挖后尾水区域过水面积明显扩大。经过开挖后电站下游尾水位明显降低，提高了发电水头，增加了发电效。经实测对比下游尾水位变化如下 ：尾水开挖尾水位降低情况表机组出力（万kWh）0（全停）102026（30）616方案616.75617.53（617.88）开挖前尾水位（m）61615618576193561967开挖后尾水位（m）61560616886175961801提高水头（m）055169176166注：开挖前尾水位为2005年尾水水位按以上数据统计，机组在运行时发电水头平均提高了1.7m，达到了预期效果，降低