江边水电站首部枢纽引水防沙设计研究

水力发电　第３７卷第８期　２０１１年８月　

江边水电站首部枢纽引水防沙设计研究　

黄　维，陆　欣，史彬　

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州Ｉ　３１００１４）　

摘要：江边水电站的泥沙问题突出。通过水工模型试验对该枢纽的相关泥沙问题展开了研究。试验结果表明：在　原枢纽布置方案的基础上增设扰沙坎，可以有效地降低沙面高程，保证进水口“门前清”；汛期限制水位运行，当流　量或淤积达到一定程度时停机拉沙，可以保证水库淤积平衡后调节库容最大；电站可不设置沉沙池。库尾张家沟泥　石流的主要影响是增大干流局部时段的含沙量，在敞泄拉沙情况下，淤积的泥沙可以被冲出库外。　关键词：引水防沙；扰沙坎；水库运行方式；泥石流；江边水电站　

Ｄｅｓｉｇｎ　ＯＨ　Ｓｅｄｉｍｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ｗａｔｅｒ　Ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｊｉａｎｇｂｉａｎ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　Ｈｕａｎｇ　Ｗｅｉ，Ｌｕ　Ｘｉｎ，Ｓｈｉ　Ｂｉｎ　

（ＨｙｄｒｏＣｈｉｎａ　Ｈｕａｄｏｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１００１４，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ｔｈｅ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　Ｊｉａｎｇｂｉａｎ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｔｅｓｔｓ　ａｒｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅｓｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ：（ｉ）ａｄｄｉｎｇ　ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　ｂａｒｒｉｅｒ　ｃａｎ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｓａｎｄ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｔｒａｎｃｅ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｆｌｕｓｈｉｎｇ　ｓｌｕｉｃｅ　ａｎｄ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｃｌｅａｒ　ｉｎ　ｆｒｏｎｔ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｉｎｔａｋｅ；（ｉｉ）　Ｌｉｍｉｔｉｎｇ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｌｅｖｅｌ　ｉｎ　ｆｌｏｏｄ　ｓｅａｓｏｎ　ａｎｄ　ｆｌｕｓｈｉｎｇ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ａｆｔｅｒ　ｓｈｕｔｔｉｎｇ　ｄｏｗｎ　ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ　ｕｎｉｔｓ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｏｒ　

ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｒｅａｃｈｉｎｇ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｓｃａｌｅ，ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅｎｓｕｒｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｂａｌａｎｃｅｄ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｓｉｌｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｃｏｒｉｎｇ；ａｎｄ（ｉｉｉ）Ｔｈｅ　ｓｉｌｔ　ｂａｓｉｎ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｎｅｃｅｓｓａｒｉｌｙ　ｔｏ　ｓｅｔ．Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｚｈａｎｇｊｉａｇｏｕ　Ｓ　ｍｕｄｓｌｉｄｅｓ　ｉｓ　ｔｏ　ｅｎｌａｒｇｅ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｓｔｒｅａｍ　ａｔ　ｓｏｍｅ　ｌｏｃａｌ　ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ　ｓａｎｄ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｆｌｕｓｈｅｄ　ｏｕｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｗｈｅｎ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｇ　ｓａｎｄ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｕｎｇａｔｅｄ　ｆｌｏｗ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ；ｓａｎｄ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　ｂａｒｒｉｅｒ；ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ；ｄｅｂｒｉｓ　ｆｌｏｗ；Ｊｉａｎｇｂｉａｎ　

Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　

中图分类号：ＴＶ１４５（２７１）；ＴＶ６７３　文献标识码：Ａ　文章编号：０５５９—９３４２（２０１１）０８—００２８—０３　

江边水电站是一座以发电为主的低闸高水头引　水式电站．是雅砻江一级支流九龙河流域５个梯级　中最下游的一个水电站，位于四川省甘孜藏族自治　

州九龙县境内。电站共装３台ｌ１０　ＭＷ水轮发电机。　

电站正常蓄水位１　７９７．００　１ＴＩ，淤积前、后相应库容　分别为１３３万、９９．３万ｍ　，死水位１　７８９．Ｏ０　１１３，最　

大闸高３２　ｍ　坝址处多年平均流量１０７　ｍ３／ｓ，设计　

洪水流量９４７　ｉｎ。／ｓ，校核洪水流量１　３００　ｉｎ　／ｓ。坝址　处悬移质多年平均含沙量为０．５８２　ｋｇ／ｍ。，悬移质多　

年平均输沙量为ｌ９７万ｔ，汛期ｆ６月～９月）输沙量　

占全年的９１．９％，推移质年平均输沙量ｌ６．７万ｔ。　

电站库小沙多，水库泥沙问题严重。因此，解　

决好电站首部的取水防沙问题和保持有效的调节库　

容是ｌＴ程设计的重点。同时，水库库尾张家沟为活　

动泥石流沟．水库运行期间泥石流最大入库量为　

２３．５９万～３８．０８万ｍ。。约占水库库容的１／３，泥石流　

魁蠹Ｗ　ｒ　Ｐ¨ｗＰ　ｒ　ｔ＇ｏ１．３７　Ｎｏ．８　对工程的影响主要表现为加剧水库泥沙淤积，这对　

水库的冲沙排沙提出了更高的要求。　

１首部枢纽布置优化　

１．１　首部枢纽原布置方案　

江边水电站首部枢纽由冲沙闸、泄洪闸、进水　

口及左右岸挡水坝段组成。为保持原河道的走势和　泄流、冲沙顺畅，泄洪闸、冲沙闸等主要泄水建筑　

物布置于河床干流上。电站进水口布置于左岸，在　

进水口下游设置一孔冲沙闸，冲沙闸右侧布置二孔　

泄洪闸，形成“侧向取水，正向泄洪、排沙”的布　

置形式。　

收稿日期：２０１１－Ｏ１—１２　作者简介：黄维（１９７ｏ＿Ｊ），男，浙江诸暨人，教授级高：Ｌ，一级　注册结构工程师．主要从事水工结构设计工作．

　第３７卷第８期　黄维，等：江边水电站首部枢纽引水防沙设计研究　

为阻止大量泥沙进入进水口，在进水口前沿设　置底坎，底坎前设置冲沙槽和导沙坎，在冲沙闸与　

泄洪闸之间的前沿设置一道束水墙（见图１）。　水工模型试验成果显示，原布置方案基本能保　

证“门前清”，即推移质不会进入进水口前冲沙闸正　对区域，但该区域落淤悬移质或受不确定因素影响　

进入该区域的少许推移质不能被有效冲走。主要原　

因是该区域在敝泄拉沙时底部流速较小，如枢纽在　流量为３５０　ｍ３／ｓ敞泄拉沙时，该区域底部流速仅为　

０．７～０．８　ｍ／ｓ：枢纽在宣泄设计洪水与校核洪水时，　该区域底部最大流速也只能达到０．９　ｍ／ｓ。　

模型试验验证表明，如果该区域淤积高程达到　

ｌ　７８０　ｍ．枢纽进行敞泄拉沙．基本上不能降低沙面　

高程。　

１．２方案优化　

为解决上述底部流速较小的问题，设计人员在　原枢纽布置的基础上，在束水导墙与导沙坎之间增　

设一曲线形扰沙坎（见图１），其主要功能为加强扰　

动、增加局部流速。　水工模型试验结果表明，增加扰沙坎后，如果　

该区域淤积高程达到１　７８１　ｍ，枢纽进行敞泄拉沙，　

能有效地降低该区域沙面高程，使扰沙坎与束水导　

墙间淤积高程降低到１　７７６　１ＴＩ（即底板顶高程），扰　

沙坎与导沙坎问淤积高程降低到１　７７８　ｒｎ。因此，　

增加扰沙坎后，能有效保证进水口“门前清”。　

２敞泄拉沙试验　

枢纽敞泄拉沙试验结果表明。当流量达到３５０　

ｍ。／ｓ进行敞泄拉沙时，由于闸前水位降低，淤积泥　沙洲面和前坡比降大．闸前区平均流速达４　ｍ／ｓ左　右．淤积泥沙能全部启动并以悬移质形式被水流挟　

带出库。冲淤过程中，沿主流两侧淤沙逐渐垮塌，主　槽随之拓宽。根据试验成果，敞泄拉沙６　ｈ，基本能　

将坝前２００　ＩＴＩ区域的淤积高程降低到１　７８０　ｍ以下，　

将２００～５００　ｉｎ区域淤沙高程降低到１　７８２　ｍ以下。　

３水库运行方式优选　

为减少江边水电站水库库区泥沙淤积，保持必　

要的调节库容，初拟水库汛期降低至汛限水位１　７８９　ｍ运行，１０月～５月按水库调度运行（即１　７８９～　１　７９７　ｍ）。为保持长期有效库容以及确保取水口　

“门前清”，在主汛期设置敞泄拉沙流量，并初拟了　

６月～９月汛期４个方案进行比选。方案①，按汛限　

水位１　７８９　ｍ运行；方案②，汛限水位１　７８９　ｍ运　

行，当流量大于４５０　ｍ３／ｓ，全闸敞泄排沙（平均每　

年２　ｄ左右）；方案③，汛限水位１　７８９　ｍ运行，当　流量大于４００　ｎｌ　／ｓ。全闸敞泄排沙（平均每年４　ｄ左　

右）；方案④，汛限水位１　７８９　１１１运行，当流量大于　

４００　ｍ３／ｓ，全闸敞泄排沙；且保证汛期每月选择流量　大于３００　ｍ３／ｓ敞泄冲沙６　ｈ．以及当坝前１００　１ＴＩ区域　

平均淤积高程达到１　７８１　ｍ时。亦要求停机拉沙６　ｈ　

（平均每年４　ｄ左右）。　

模型试验成果显示，按照方案④运行，水库泥　沙淤积量、正常蓄水位以下库容损失和调节库容损　

失均最小．达到淤积平衡后调节库容最大。因此，　选择方案④为水库运行方式。各方案水库泥沙淤积　

纵剖面见图２。　

４水库过机泥沙特征值　

通过模型试验对汛期（库水位１　７８９．０　ｍ，流量　

图１　首部枢纽布置方案（单位：ｍ）

　图２水库泥沙淤积纵剖面　

分别为１００、２００、３００、４００　ｍ３／ｓ）和非汛期（库水　

位１　７９７．０　ｍ，流量分别为５０、１００　ｍ３／ｓ）的水库过　

机含沙量及粒径进行了测量。不同流量下过机含沙　量与入库含沙量比值实测结果见表１，过机粒径见　

表２　

表１　不同流量下过机含沙量与入库含沙量比值　

流量　ｓ　流　值／％　比值，％　５０　—　９　３００　４５．５　—　１００　１９．５　９　４００　５８．５　一　

表２过机泥沙的特征粒径（汛限水位工况）　过机泥沙小于某粒径ｆｄ／ｍｍ）的沙重百分数／％　流量／ｍ　・ｓ————　Ｏ．０ｌ　０．０２５　０．０５　０．１０　０．２５　０．５　

根据模型试验成果，各种运行工况下ｄ≥０．１　ｍｍ泥沙颗粒过机累积百分比最大为１３＿３％。因此，　

根据ＳＬ　２６９－－２００１《水利水电工程沉沙池设计规　

范》，电站可不设置沉沙池。　

５张家沟泥石流的影响　

张家沟河段的来沙主要是由上游输送下来的泥　

沙落淤而成，而这部分落淤泥沙更可能是泥石流挟　带进入干流的。因此，泥石流级配以河床覆盖层级　

配为参照．并在此基础上适当增加大粒径石块的含　量以模拟张家沟泥石流堆积区调查发现的５～６　ｎｑ直　

径的巨石运动情况。　

试验以输沙量最大的１００年一遇泥石流总量为　

控制条件，并以泥石流运动速度换算得到的模型加　

沙量和加沙时间进行综合控制。考虑到支流来泥石　

流时相应干流流量一般也将因暴雨而增大，为安全　

计．控制相应干流流量为３０年一遇洪水。　

试验发现，由于张家沟泥石流入汇区干流河道　

比降较陡，河道断面宽度较小，干流流速较高，因　

此．并未观察到堵江现象。但受支流人汇影响，干　

Ｅ　Ｗ　ｒ　１　Ｐ　ｒ　Ｖ　３７　８　流上游一定范围内，尤其是交汇区范围内水面受到　

一定程度的抬高。在泥石流入汇初期，干流水体受　

泥石流侧向作用，上游水位壅高，交汇口位置处水　体被挤压向对岸，在交汇口下游则形成一定的同流　

区．但由于干流本身河道比降较大．泥石流入汇的　

影响很快消弱，与干流充分掺混的高含沙水体。一　起向下游运动。受交汇区两股水体的强烈紊动掺混　的影响．在交汇区并未形成明显的成型淤积。泥石　

流所携带的泥沙被携带到下游干流坡度相对平缓的　

区段分散淤积，并最后在河道弯道凸岸形成累计性　淤积。由此可见，张家沟泥石流的主要影响在于增