径流式水电站模型试验与运行中水库调度管理的复核

李炯

（大唐（云南）水电联合开发有限责任公司，云南 昆明 650000）

摘 要：本文介绍了DAPEIN（Ⅰ）水电站在可行性研究阶段进行的泥沙、排漂及水工模型试验过程及成果结论，并根据近十年实际生产运行中的水库调度管理总结，将模型试验结论和生产实践总结进行复核验证。

关键词：DAPEIN（Ⅰ）；泥沙模型试验；排漂模型试验；水工模型试验；立轴螺旋；回流上溯

一、工程概况

1、工程简介

DAPEIN（Ⅰ）水电站项目位于缅甸克钦邦境内紧邻中缅边境的DAPEIN（太平）江上。DAPEIN（Ⅰ）属伊洛瓦底江水系，为其左岸一级支流；工程河段河道束窄，水流湍急，落差集中，水力资源丰富。库区长约2.1km，无库容，为单一发电工程，电站总装机容量240MW。

DAPEIN（Ⅰ）（大盈江）流域位于高黎贡山以西南，属亚热带季风湿润气候区域，汛期河道漂浮物较多。

水库固体径流主要来自上游入库水流携带的泥沙、库区冲沟洪积物以及库岸再造过程中的坍岸和滑坡物质。DAPEIN（Ⅰ）电站坝址多年平均悬移质输沙量为361×104t，泥沙主要集中于汛期6～10月，占年输沙量的90%。

2、枢纽布置

工程首部枢纽由混凝土重力坝（包括冲沙泄洪孔、排漂孔、溢流坝段和非溢流坝段）、下游消力池、电站进水口等建筑物组成。坝顶高程257.50m，坝轴线处坝顶全长204m，最大坝高45.50m。大坝自左至右依次布置为左岸非溢流坝段、溢流坝段、排漂孔坝段、冲沙泄洪底孔坝段和右岸非溢流坝段。

溢流坝段共设3孔，布置于河床中部；排漂孔坝段为1孔，布置在溢流坝和冲沙底孔之间；冲沙底孔坝段，共1孔，布置在右岸非溢流坝和排漂表孔之间，工作闸门均为弧形闸门。下游消能方式采用底流消能，在消力池内布设消力墩，底板布置排水孔和锚筋。消力池末端设有浆砌石和干砌石海漫。

电站装机四台，总引用流量386m3/s。布置两条引水隧洞。电站进水口布置在首部枢纽大坝右岸上游50m处，由拦污栅闸段和进水闸段组成。

3、设计标准

主要建筑物按3级设计，次要建筑物按4级设计。

大坝正常蓄水位255.00m，死水位250.00m。电站消能防冲洪水标准为30年一遇（P=3.33%），相应洪峰流量Q=3540m3/s。设计洪水标准为50年一遇（P=2%），相应洪峰流量Q=3870m3/s；校核洪水标准为500年一遇（P=0.2%），相应洪峰流量Q=5350m3/s。

二、模型试验

1、试验内容

试验共包括三个内容，即： DAPEIN（I）水电站泥沙整体模型试验研究；首部枢纽排漂模型试验；首部枢纽水工模型试验。

2、DAPEIN（I）水电站泥沙整体模型试验研究

（1）试验研究内容主要是电站取水防沙问题。

1）水库出现泥沙淤积后，验证导流洞改造为冲沙洞及冲沙底孔的冲沙效果是否能有效保证电站进水口“门前清”。

2）通过对项目（1）的研究，进一步优化冲沙建筑物的布置、运用方式及拦沙坎的布置。

3）根据试验，提出最优泄洪冲沙运行方式建议。

（2）试验模拟范围：本试验的主要目的在于取水防沙，同时还要顾及水工试验的需要。

（3）模型试验原则：水工泥沙模型采用正态、动床，模型比尺λ= 60；根据水库运行的特点，模型以推移质为主设计；动床模型必须满足泥沙起动相似及河床变形相似。

（4）模型试验过程：电站“门前清”问题主要是优选取水防沙方案。试验采用白矾石粉沙，以确保电站取水达到“门前清”的最终目标。因此，试验模拟推移质运动，试验过程中模拟进口加沙量，试验流量采用1500m3/s，坝前采用正常蓄水位255.00m控制。

试验比选方案为原初拟设计方案、原初拟调整方案、设丁坝方案、长围堰方案、设置喇叭口及导流洞加长方案、冲沙底孔前伸及导流洞加长方案、冲沙底孔前伸并向上游开口的方案等7个方案，并依试验结果提出5个比选优化方案，针对前4个优化方案存在的进水口“立轴螺旋”、粗沙沉积、冲沟“挑流挑沙”、箱涵河心侧淤积等问题，进行了进水口下游4格设2.4米拦沙坎、右岸边坡削坡、冲沙底孔箱涵向右岸靠拢、箱涵进水口布置成阶梯型等优化措施，形成第5个最优推荐方案。

针对推荐方案的最优方案，进行了不同流量的适应性试验。试验了Q=2000 m3/s、3500 m3/s、4500 m3/s、5350 m3/s校核流量，随着流量的增大水流紊乱剧烈、流态更加复杂，但电站进水口内沉积的泥沙并未见明显增多。还发现冲沙底孔箱涵侧壁与排漂孔间底部形成了一个死水区，会随时间推移而产生淤积。

（5）模型试验结论

1）确定冲沙底孔前伸方案为推荐方案即第五推荐方案；

2）应对冲沙底孔前的淤积情况进行定期监测，小流量时，冲沙底孔应定期开启，尽量避免推移质泥沙淹没冲沙底孔进口并进入电站。汛前、汛末必须开启冲沙底孔，或采用疏浚等运行管理措施，以确保冲沙底孔箱涵的通畅；

3）有弃水时，排漂孔和冲沙底孔应优先开启，其余洪水经泄洪表孔下泄。泄洪表孔的开启顺序推荐为从左到右顺序开启；

4）冲沙底孔的排沙能力有限，不适合水位短时大幅度下降的运行方式。

3、DAPEIN（I）水电站首部首部枢纽排漂模型试验

（1）试验内容及试验工况

对坝前500m范围内的库区进行流态和流速观测，观测拦污栅前的流速分布，并通过定量计数（纸片）的方式观测排漂效果，排漂试验工况及其控制参数按照流量不同（1000、1500、2500、3540、3870、5350 m3/s）设置6个工况，进行不同方式的闸门开启调整：

（2）试验过程及结果

1）、库区流速、流态的试验观测

各种工况下的主流均贴近右岸，至坝前约150m左右时再向左折转分别通过排漂口和泄洪表孔宣泄。流量Q=1500m3/s时，右岸回流上溯； Q≤2500m3/s时，库区均存在较大的回流区，随着流量的增大，回流范围逐渐减小，校核洪水时，回流仍然存在。电站进回口是否存在回流以及回流的范围和强度与河道来水量有直接的关系。

各工况下库区最大表面流速均发生在流速始测断面（即坝前约473m），流速随流量增大而增大，由Q=1000m3/s时的0.52m/s，增加至Q=5350m3/s时的3.73m/s。

2）、排漂计数结果

不同流量级开启的泄水建筑物不同，试验所涉及的六级流量共9个工况，排漂口和泄洪表孔的表面漂浮物排出率为76~98%，电站运行工况的表面漂浮物最大排出率为93%。

（3）试验结论

1）各种工况的主流均贴近右岸，至坝前约150m左右时再向左折转分别通过排漂口和泄洪表孔宣泄；

2）流量Q≤2500m/s时，库区均存在较大的回流区。随着流量的增大，回流范围逐渐减小；

3）进水口的回流强度和范围受上游来流量的影响明显。流量小时，拦污栅前流速较均匀。随着流量的增大，电站进水口拦污栅闸段产生回流，且范围逐渐扩大至整个进水口，强度也不断增加；

4）试验所涉及的各级流量下，排漂口和泄洪表孔的表面漂浮物排出率为76~98%，电站运行工况的表面漂浮物最大排出率为93%。

4、DAPEIN（I）水电站首部枢纽水工模型试验

（1）试验目的

验证枢纽泄洪建筑物的泄流能力，对泄洪建筑物的流量分配、运行组合提出意见及建议；观测泄洪消能时的上、下游流态，对下游河岸、河床的冲刷淤积情况，提出改善措施，并对设置消能工及消能工结构布置形式提出建议；根据上游流态及下游冲淤情况，提出校核、设计洪水及常年洪水工况的泄洪建筑物泄流运行方式。

（2）泄流能力试验

按建筑物开启情况不同将泄流试验分为6个工况，同一水位下，工况1至工况6的实测泄流能力与设计泄流能力基本吻合。

（3）水流流速、流态的试验观测

试验共设置了五种工况，包括泄洪表孔闸门对称开启的三种工况和非对称开启的两种工况。试验对各工况消力池内水跃的跃首、跃尾位置进行了观测，观测出泄洪表孔对称开启时，消力池内的水流较非对称开启时掺混均匀；泄洪表孔非对称开启时水跃长度较对称开启时大；泄洪表孔对称开启时，消力池内和海漫附近的流速较非对称开启时均匀。

（4）试验结论

1) 泄流试验表明, 冲沙底孔加箱涵后形成的管嘴效应，使其泄流能力明显大于设计泄流能力。

2） 实测最大过坝流速为18.91m/s，发生在消能防冲洪水条件下的泄洪表孔对称开启工况。

3） 海漫上的底部最大流速为6.11m/s。海漫下游200m范围内，最大底部流速为5.96m/s，发生在设计工况。

4）从消能效果的角度来看，泄洪表孔对称开启的情况更有利于坝下游水流的均匀分布。

5）泄洪建筑物的运行原则是：冲沙底孔（或排漂孔）优先开启，泄洪表孔（对称开启或左二孔均匀开启）。

四、运行中的水库调度总结

我站属径流无调节引水式单一发电电站，投产以来始终遵循“水调大于电调”、“防汛大于发电”、“动态水位控制”、“流域同步拉渣拉沙”等原则，同时兼顾发电；随着库水位逐步蓄至正常蓄水位，坝前及库区水流流态也随之有较大变化，大坝闸门开启顺序也随之调整，保证了防汛调度、冲沙调度、发电调度，并在拉渣、库区淤积治理取得较好成果。

1、防汛调度

运行人员通过水情测报系统、水文局日报、中长期预报、气象预报等提前预判汛情，给防汛调度留有一定的提前量，特别是可通过梁河、槟榔江测点流量提前6-8小时预判拉贺练流量，通过拉贺练流量提前10-12小时预判我站坝址流量。

运行人员根据汛期水位控制原则进行调度，确保大坝水位不超汛限水位，除发电流量外，通过排漂孔和表孔进行泄洪和排漂拉渣，底孔进行冲沙。

2、冲沙调度

当来水无大量夹渣时，优先开启底孔，并保证不在小开度运行（大于1米），同时维持大坝水位稳定，开度目前最大一般在4米；当河面大量来渣或者上游电站通知拉渣时，关闭底孔，开启表孔及排漂孔拉渣。

3、发电调度

在满足防汛要求下，运行人员做好电调，发电效益最大化。采取机组导叶全开（95%开限），压汛限水位运行，采用“轮停法”、“瞬时调整法”增大机组进水断面，最大限度提升机组效率。在毛水头74米，可满足“一洞双机”模式下，机组满发。

满足防汛安全的情况下，尽量做到大坝水位精准控制，减少机组负荷随水位波动影响，根据各闸门泄洪单宽流量，采用排漂孔进行水位调控，其他闸门开度相对固定的模式。

总之，防汛调度、冲沙调度、发电调度实际为一个协同又制约、同时又分步的综合性的水沙调度，要处理好拉渣与发电、拉沙与发电、拉沙与拉渣、坝前与坝后的关系。

（1）拉渣与发电：进水口拦污栅压差增大会导致发电效率大幅下降，机组被迫停机，甚至引水隧洞进气导致水工建筑物破坏；由于大坝水位逐步蓄正常蓄水位，进水口位置相对河面中心线靠后，3号、2号表孔相对靠近河面中心线，增加了其泄洪及携渣能力。

排漂时：闸门开启方式调整为：排漂孔+3号表孔（4米）/2号表孔；

拉渣时：闸门开启方式仍为：排漂孔（全开）+1号表孔（最大）/2号表孔/3号表孔。

（2）拉沙与发电：根据可研报告，我站坝址全年悬移质输沙量为361万吨，推移质输沙量为17.6万吨，且泥沙主要集中于汛期6～10月，占年输沙量的90%。因此，从水库安全角度，拉沙调度尤其重要，但因底孔导沙函位置在机组取水口之前，底孔开启后形成“立轴螺旋”，产生扬沙影响，较大沙石会经引水隧洞进入机组，当底孔开度5-6米时，4台机组钢管、蜗壳产生很大石块撞击声音，对引水隧洞内壁、机组过水部件将产生一定破坏，尤其是转轮抗磨涂层在撞击后剥离及其金属表面受损，导致过水部件在泥沙和汽蚀双重影响下的加速磨损，因此，根据运行经验，底孔开度在4米时，基本不会发生此现象；但从库区安全和机组过水部件磨损来看，底孔又必须尽可能的长期、大开度的运行，最大程度的将泥沙排至下游，达到取水防沙“门前清”的目的。

（3）拉沙与拉渣：库区无大量来渣时，排漂和拉沙工作可以同时进行，当来渣较多或上游电站拉渣时，底孔开启产生的“立轴螺旋”效应，会加速进水口拦污栅堵塞，影响引水隧洞安全及发电效率，因此需关闭底孔；又因悬移质泥沙的沉积效应及推移质泥沙影响，进水口拦污栅汛前测量淤积8.3-10.6米，致使进水断面降低37%-46%，导致进水口流速增大更易堵塞，同时，库区淤积降低防洪安全及表孔和排漂孔携渣能力，因此，从防洪安全、排漂、发电方面，在保证流量下，底孔必须尽可能的长期开启运行。

（4）坝前和坝后：因排漂孔、底孔位于大坝8、9坝段，在溢流坝段的右侧，当排漂孔、底孔开启时，下泄水流在坝后消力池形成逆时针回流，经底孔排至下游的沙石将在消力池内产生较大磨削，对消力池底板、消力墩、侧墙造成破坏；从水工模型试验看，洪水主流紧贴河道右侧，在坝前形成回流上溯，河道左侧形成较多淤积，降低了3号、2号表孔泄洪和携渣携沙能力，并随时间推移进一步恶化，因此，在开启底孔、排漂孔的同时，要首先开启3号表孔，一方面，将坝前主河道左侧淤积层层剥削，另一方面，经3号表孔下泄的水流与底孔和排漂孔下泄水流形成对流消能，达到洪水经消力池不发生逆时或顺时针回流直接敞泄至消力池海鳗后的河道。另外，当3号表孔开度超过4米时，下泄洪水在消力池内形成较大涌浪，涌浪升至消力池左侧护坡顶部，会造成护坡掏空，因此，今年3号表孔开度控制在4米以下运行。

综上，防汛、拉沙、发电三种调度方式，根据来水流量不同、性质不同，开启闸门顺序有差别，但总原则相同，即：

DAPEIN（Ⅰ）电站水库闸门开启顺序表

四、设计与运行的复核

泥沙淤积、水面漂浮物、水工模型试验是水电站可行性研究阶段重点试验和研究的课题，也是水电站投产运行后能否安全、可靠、经济运行的重要保障。缅甸DAPEIN（I）水电站投产十余年来始终按照设计、规程规范进行安全生产管理，水库调度管理依据每年的库区流态变化、水库水位、年径流量进行细化优化，在防洪、排沙、排漂、发电方面进行了综合调度，取得了成效。从水库调度管理总结来看，水库运行基本和设计模型试验结论相吻合，模型试验结论有效指导了电站投产后的安全经济运行，下一步，电站将进一步优化运行，以“防洪度汛”为安全前提，以“水沙调度”为运行管理中心，以“发电创效”为目标，做好水电站安全生产管理。

参考文献

[1] 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，缅甸DAPEIN（I）水电站水工、泥沙及导流整体模型试验研究，2008年；

[2] 谢鉴衡主编，河流模拟，水利电力出版社，1990年；

[3] 武汉水利电力学院河流泥沙工程学教研室编著，河流泥沙工程学，水利电力出版社，1982年；

[4] 南京水利科学研究院，水利水电科学研究院，水工模型试验，水利电力出版社，1985年。