探索三峡水利枢纽的水电站建设

三峡水利枢纽电站属高水头电站，其引水防沙问题通过电站布置、利用泄洪建筑物泄洪排沙，以及设置排沙底孔加以解决。以下根据坝区泥沙实体模型试验成果［1］，简述三峡水利枢纽电站泥沙问题的解决措施。

（一）水电站的布置

根据三峡水利枢纽的总体布置，溢流坝位于主河槽，其两侧为左电站和右电站，均为坝后式电站，电站进水口底高程为110m（技术设计阶段改为108m）。右岸白岩尖山体内，布置后期修建与右电站相毗邻的地下电站，进水口底高程为116m。

溢流坝设泄洪深孔23个和表孔22个。深孔底高程90m，坝前水位145m和175m时过流能力分别为37880m3/s和48680m3/s，表孔的堰顶高程为158m，坝前水位175m时过流能力为23540m3/s。

对于上述电站布置方案电站前的水流流态和泥沙淤积情况，在坝区泥沙模型上进行了试验研究。

1.水流的状态

三峡枢纽运用后，坝区上游段的河势逐步向规顺、微弯调整，主流正对溢流坝。汛期一般情况下坝前水位为145m，洪水从泄洪深孔下泄，左、右电站前形成两个方向相反的大回流区。非汛期坝前水位抬高至175m，左、右电站前回流强度大为减弱。当右岸地下电站运用时，右电站前的回流受地下电站引水影响，范围有所缩小。

2.电站前的泥沙淤积

在坝区泥沙模型上进行了电站没有设置排沙设施条件下的电站前泥沙淤积试验。试验采用的上游来沙条件没有考虑三峡水库上游干支流新建水库和水土保持工程的拦沙效果。试验成果表明，枢纽运用初期30年末，左电站前缘30m处最大淤积高程为107.8m，右电站最大淤积高程为91.99m，地下电站前缘30m处最大淤积高程为119.4m，一般淤积高程约为115.6～119.4m^[18]。

枢纽运用中期54年末，左电站已有2台机组（即1号、2号机组）前缘30m处的淤积高程超过进水口底板高程110m，其最大淤积高程为112m。右电站前缘30m处最大淤积高程为103.2m。地下电站前缘30m处最大淤积高程为119.8m，整个地下电站前缘30m处的淤积高程均超过进水口底板高程116m。

枢纽运用初期76年末，左电站前缘30m处最大淤积高程为114.3m，有5台机组（即1～5号机组）前缘的淤积高程超过进水口底板高程110m。右电站前缘30m处最大淤积高程达112.6m，有6台机组（即21～26号机组）前缘的淤积高程超过进水口底板高程110m。整个地下电站前缘30m处的淤积高程均超过进水口底板高程116m，其中最大淤积高程为120.3m。

左、右电站前的淤积物粒径一般为0.031～0.035mm。而地下电站远离主流，其引水渠进水形式又为侧向进水，电站前的泥沙主要为水流中上层较细的悬移质，因此电站前淤积物粒径较左、右电站前的淤积物更细，粒径一般为0.022～0.028mm。

综上所述，电站布置在溢流坝段左、右两侧是可行的。汛期坝前水位为145m时，电站前形成回流区，由于溢流坝深孔底高程为90m，低于电站进水口18m，泄流能力近4万m3/s，而且电站进水口底高程为108m，低于汛期坝前水位37m，故在不设置排沙设施条件下，枢纽运用54年，电站前缘虽略有淤积，但不影响电站正常取水。

（二）水电站排沙孔工程的研究

1.工程布置

电站进水口排沙措施采用排沙孔（洞）形式，左、右电站段下设7个尺寸为4m×5.5m的排沙孔，其中左电站3个，右电站4个，孔底高程靠枢纽左、右侧的2孔为85m，中间5孔为75m，在水位145m时单孔过流量为500m3/s。地下电站排沙洞布置研究过两种形式：一种为集中布置方案，即在电站中间（3号与4号机组之间）下设一个直径为5m的排沙洞，洞口底板高程为93m，引流量为350m3/s；另一种为分散布置方案，即在每两台机组之间设一条直径为3m的排沙支洞，洞口底板高程为107.4m，6台机组共设3条支洞，3条支洞后接一条排沙总洞，每条支洞过流量为120m3/s。

2.排沙孔（洞）的排沙效果分析

在坝区泥沙模型上对排沙孔（洞）的排沙效果进行了试验研究。左右电站在枢纽运用中期54年末和枢纽运用远期76年末，分别两次开启7个排沙孔，排沙孔总流量为3500m3/s，排沙历时各为35h。排沙后，左、右电站前缘的淤积高程均低于110m高程，电站前淤积物有所冲刷，并形成较稳定的冲刷漏斗，冲刷漏斗纵坡一般为1∶8.3～1∶13.8，横坡为1∶3～1∶3.8（图4-61）。说明7个排沙孔的排沙效果显著，能保证电站进水口长期正常取水。

地下电站在枢纽运用30年末、54年末和76年末，分别三次开启排沙洞，排沙历时各为35h。排沙洞分散布置方案，排沙总流量为360m3/s，电站前淤积物有所冲刷，冲刷后的泥沙淤积高程均低于电站进水口底板高程116m，并能形成3个比较稳定的冲刷漏斗，冲刷漏斗横坡一般在1∶3～1∶4之间，纵坡一般在1∶7～1∶10之间，排沙效果显著，能保证地下电站长期正常取水。排沙洞集中布置方案的单个排沙洞开启后，排沙流量350m3/s，电站前淤积物也有所冲刷，也能形成比较稳定的冲刷漏斗，冲刷漏斗纵坡一般在1∶8～1∶12之间，横坡在1∶3.2～1∶4.1之间，排沙后仍有部分电站前缘的淤积物高程高于进水口底板高程116m，其中枢纽运用30年末为靠左侧1台机组；枢纽运用54年末和76年末为靠左、右两侧各1台机组。两种布置方案的排沙洞在开启后均有一定的排沙效果，且集中布置方案冲刷漏斗纵坡和横坡均略缓于分散布置方案，但因集中布置方案的横向影响范围有限，其排沙效果不如分散布置方案。

图4-61　三峡枢纽运用76年末排沙孔开启前后水电站前的地形变化（高程单位：m）

（a）左电站；（b）右电站

此外，还在局部泥沙模型上研究了地下电站的排沙措施，考虑到模型相似律和不同模型沙水下休止角对冲刷漏斗的影响，局部模型采用木屑作为模型沙，局部模型的地形按坝区泥沙模型长系列年试验的淤积地形塑造。在枢纽运用30年末，分散布置方案电站前冲刷漏斗横坡为1∶3.7～1∶4，纵坡为1∶7～1∶9.8，冲刷后电站前泥沙淤积高程均低于电站进水口底板高程；集中布置方案电站冲刷漏斗横坡为1∶3.8～1∶4.2，纵坡为1∶8～1∶11.8，仅左侧1台机组前泥沙淤积高程超过电站进水口底板高程。枢纽运用54年末，分散布置方案的冲刷漏斗横坡为1∶3.3～1∶3.9，纵坡为1∶7～1∶9.5，冲刷后泥沙淤积高程均低于电站进水口底板高程；集中布置方案的冲刷漏斗横坡为1∶3.4～1∶4，纵坡为1∶8～1∶11.6，仅左右两侧各1台机组前泥沙淤积高程超过电站进水口底高程。枢纽运用76年末，分散布置方案的冲刷漏斗横坡为1∶2.9～1∶3.7，纵坡为1∶6.8～1∶9.3，冲刷后泥沙淤积高程均低于电站进水口底板高程；集中布置方案的冲刷漏斗横坡为1∶3～1∶3.9，纵坡为1∶7.5～1∶11.7，仅左右两侧各1台机组前泥沙淤积高程超过电站进水口底板高程。以上说明局部泥沙模型的试验结果与坝区泥沙模型基本一致。

3.模型试验成果的可靠性分析(www.xing528.com)

排沙洞冲刷漏斗的横向坡度（垂直主流流向）和纵向坡度（平行主流流向）与水库运用方式、来水来沙条件、坝前地形、排沙洞过流量、电站前泥沙淤积物的厚度、粒径、沉积历时和密实度等有密切关系。葛洲坝电站等11座电站的冲刷漏斗坡度统计值列于表4-32，各电站冲刷漏斗横向坡度虽有一定差别，但大多数缓于1∶3，个别陡于1∶3是因漏斗发展受到基岩和建筑物边界的限制所致。图4-62为葛洲坝大江电站1986年7月和10月部分排沙底孔开启后两次实测厂前地形；图4-63为葛洲坝二江电站1982年部分排沙底孔试运行后厂前的地形，其冲刷漏斗的坡度值列于表4-32。大江电站8号机组前的单一冲刷漏斗，其左侧边坡受纵向围堰导墙的限制，不能自由发展，两次测图的总坡度为1∶4.7和1∶5.3；右侧边坡能自由发展，总坡度为1∶6和1∶10；漏斗纵坡为1∶6.8和1∶7.5。上述实测资料分析和许多学者的室内试验成果均表明，排沙底孔前形成的冲刷漏斗，其纵坡较横坡平缓，而横坡均等于或缓于淤积物的水下休止角。

表4-32　深孔口门前局部冲刷漏斗的实测资料

续表

图4-62　葛洲坝大江电站排沙底孔的冲刷范围（高程单位：m）

（a）1986年7月31日测；（b）1986年10月18日测

三峡水利枢纽左、右电站排沙孔进口与机组进水口高差为25～35m，地下电站排沙洞进口与机组进水口高差也达8.6m。若不考虑排沙孔（洞）开启后孔口附近的冲刷深度和冲刷平台宽度，只要冲刷漏斗横坡为1∶3，各机组进水口即基本上处于冲刷漏斗范围内。排沙孔（洞）每年汛末开启排走的是当年汛期落淤的泥沙，电站前是缓流淤积区，淤积物大部分粒径为0.03mm，干容重较小。据汉江丹江口水库实测资料，蓄水初期淤积物干容重为0.691tf/m3，故相应的水下休止角（以坡度表示）约为1∶4。综合分析认为，采用左、右电站排沙孔布置方案和地下电站排沙洞分散布置方案，并在电站运行中合理运用排沙孔（洞），能保持电站正常取水。

图4-63　葛洲坝二江电站排沙底孔的冲刷范围（高程单位：m）

排沙底孔冲刷漏斗的坡度与泥沙水下休止角有关。为了说明坝区泥沙模型试验使用的模型沙（株洲精煤）水下休止角与天然泥沙的相似程度，进行模型沙水下休止角测定试验。结果表明，影响细颗粒泥沙水下休止角的因素颇多，主要为泥沙的容重、级配及沉积固结状态等，其中沉积固结状态起着重要作用。用泥沙的干容重来反映其沉积固结状态，由表4-33可见，泥沙的固结状态越强，其水下休止角越大。

表4-33　株洲精煤水下休止角的试验成果（d50=0.031mm）

天然沙中值粒径为d50=0.05mm，容重为2.65t/m3，其水下休止角约为25°～30°。株洲精煤中值粒径为d50=0.031mm，容重为1.33t/m3，水下休止角约为36°～47°。株洲精煤水下休止角略大于天然沙，说明坝区泥沙模型试验测得的冲刷漏斗坡度较天然沙坡度略陡，模型试验成果偏于安全。

4.水电站过机泥沙的分析

三峡水库的库容较大，即使不考虑水库上游干支流新建水库和水土保持工程的减沙效果，在枢纽运用70～80年内，沙质推移质和卵石推移质仍未进入坝区，进入坝区的泥沙主要是悬移质。坝前水流的悬移质含沙量与粒径，在横向分布上为中间稍大、两侧较小；在垂向分布上为底部略大于上层，但由于坝前水流垂向交换较强，因此这种差异不明显。枢纽运用初期第26年，在流量55900m3/s、坝前水位145m条件下，通过水轮机的水流含沙量为1.55～1.58kg/m3，悬移质中值粒径为0.013mm左右；通过左、右电站的排沙孔和水轮机的水流含沙量的比值为1.0～1.02，悬移质中值粒径的比值为1.0～1.02，其中粒径大于0.05mm的泥沙占总量的12%；通过地下电站水轮机水流的含沙量为1.0kg/m3，悬移质中值粒径为0.012mm，其中粒径大于0.05mm的泥沙占总量的3.5%。枢纽运用中期第46年，通过水轮机的水流含沙量为2.72～2.81kg/m3，悬移质中值粒径为0.021mm；通过左、右电站排沙孔和水轮机的水流含沙量比值为1.0～1.01，悬移质中值粒径的比值为1.01，其中粒径大于0.05mm的泥沙占总量的21%；通过地下电站水轮机的水流含沙量为2.52kg/m3，悬移质中值粒径为0.018～0.020mm，其中粒径大于0.05mm的泥沙占总量的8%。枢纽运用远期第66年，通过水轮机的水流含沙量为4.07～4.1kg/m3，悬移质中值粒径为0.028～0.029mm；通过左、右电站排沙孔和水轮机的水流含沙量比值为1.0～1.03，悬移质中值粒径的比值为1.01～1.07，其中粒径大于0.05mm的泥沙占总量的29%；通过地下电站水轮机的水流含沙量为3.92～4.01kg/m3，悬移质中值粒径为0.025～0.027mm，其中粒径大于0.05mm的泥沙占总量的11%（表4-34）。

表4-34　三峡枢纽运用各时期过坝泥沙分析

电站每台机组容量为70万kW，采用混流式水轮机。据宜昌水文站悬移质泥沙矿物成分分析，石英所占比值较大，在粒径为0.05～0.5mm的泥沙中，石英含量占35.89%～46.32%，对水轮机叶片具有较大的磨损能力。如前所述，在枢纽运用初期，过水轮机水流含沙量较小，泥沙粒径较细，水轮机的磨损问题不会太大。但到枢纽运用中期和远期，过机水流的含沙量有所增大，泥沙粒径有所增粗，对水轮机磨损问题尚待进一步研究。

5.水电站排沙工程方案的选定

根据上述坝区泥沙模型试验研究结果，在不考虑上游新建水库和水土保持工程拦沙效果，以及左、右电站不运用排沙底孔条件下，枢纽运用30～50年，左、右电站进水口前淤积量较少，机组均能正常引水；水库运用76年，水库达到初步淤积平衡，部分进水口前缘30m以外，淤积高程高于进水口高程，但只要排沙孔开启运用，仍可保证电站正常引水。

三峡水利枢纽技术设计阶段经过综合分析，选定左、右电站布设7个排沙孔方案，其中左电站3个，右电站4个。排沙孔进口断面均为5.5m×7.5m，每孔流量400m3/s左右。除枢纽左、右两侧的排沙孔，进口孔底高程为90m外，其余5个排沙孔进口孔底高程均为75m。地下电站排沙洞布置采用分散布置方案，3条排沙支洞进口底高程为102.5m，另外，为施工需要，在右电站进水段与地下电站引水渠之间的白岩尖山梁挖一连通道，其底高程为140m，底宽164m。