一、电站基本情况

　　1.1　枢纽概况
　　刘家峡水电站位于甘肃省永靖县境内的黄河干流上，总装机容量1225MW，设计年发电量55亿kW．5h。电站自1968年10月蓄水至1966年底，库区共淤积泥沙16.53亿m³，总库容损失29.0%。淤积测量断面布置见图1，泄水建筑物见表1。

图1　淤积测量断面布置图

表1　电站泄水建筑物概况

(m)

750

　　水库由黄河干流，支流洮河和大夏河库区组成，多年平均入库水量286亿m³，沙量8940万t，干流与支流大夏河的来沙全部淤积在永靖川大库，今后若干年内对电站安全运行不会产生大的影响。泥沙危害主要来自洮河，洮河多年平均入库水量51.7亿m³，沙量2860万t，其水沙特性为：
　　(1)产沙区集中在下游段3750km²范围内，该区间占洮河流域面积的15%，水、沙量分别占洮河入库总量的5.5%和70.1%。
　　(2)6～8月份入库沙量占年入库沙量的74.3%，而且主要集中在几场洪水中。
　　(3)高含沙水流由局部暴雨形成，峰高，量小，历时短，每年都有几次甚至十多次日入库沙量大于100万t的情况出现，例如：1976年8月3日、1979年8月11日和1986年6月26日洮河日入库沙量分别高达1149万t、1261万t和1538万t。
　　(4)入库泥沙中值粒径0.023mm，大于0.05mm的泥沙中，石英和长石的含量分别占41.2%和56.5%。
　　由以上水沙特性加之洮河库容仅占全库的2%，水面宽仅120m左右，河床纵比降坝前段达12‰，汇入口距大坝仅1.5km等特点，自1978年洮河死库容淤满后，泥沙很容易潜入库底以异重流的形式直抵坝前，在坝前段产生大量淤泥，威胁着电站的安全运行。所以说，刘家峡电站的泥沙危害主要来自洮河，处理好洮河来沙至关重要。
　　1.3　泥沙危害
　　由于洮河来沙的前述特性，泥沙对电站安全运行造成以下危害：
　　洮河口沙坎阻水：由于洮河口沙坎高程经常在1695m以上，在电站低水位运行下调峰负荷增加时，出现坝前水位骤降，沙坎过水能力不足的阻水现象。
　　机组过流部件严重磨损：曾多次发生制动环开裂，导叶大量漏水，冷却水管路堵塞，转轮引水板、迷宫环脱落，推力瓦温度急骤升高，机组导叶被泥沙卡死无法调整负荷的现象。
　　泄水建筑物门前泥沙淤堵：迫使闸门启动频繁和启闭困难。例如：1988年低水位拉沙前泄水道与泄洪洞门前淤积面分别高出其底坎高程17.3m和11.5m，排沙洞被淤堵，提门后56天未出水，低水位拉沙期才将其冲开；1992年提门冲沙68次，不仅造成闸门频繁启动，同时还发生过排沙洞淤堵，提门17天不出水的严重现象。

二、减缓泥沙危害的措施与运用实践

　　2.1　洮河异重流排沙
　　异重流排沙一直是水库主要排沙措施，从1974年至1996年利用异重流排沙，泄水道96次，排沙量1.4亿t，排沙洞53次，排沙量0.102亿t，机组133次，排沙量1.01亿t，总计2.51亿t，对坝前段的泥沙淤积起到了明显的缓解作用。
　　实践中由于未能把握好排沙时机或出库流量偏小，也多次出现过坝前段大量淤积的现象。
2.1.1　影响异重流排沙效果的原因
　　1.未及时提门的影响
　　1995年以前，有约70%没有及时提门排沙，不仅使排沙效果较正常情况降低约30%，增加了排沙用水，影响了发电效益，而且还会使坝前段产生大量泥沙淤积。
　　影响及时开门主要有以下原因：①洮河沟门村水文站沙情漏报，晚报次数约占30%。②采用的异重流传播时间为以往根据当时淤积面分析成果，与目前淤积情况不符。③系统调度不尽人意。水库异重流排沙时要影响到下游梯级水电站及厂矿用水，牵涉到各部门间的协调，由于以前缺乏该方面操作规程，且所定的排沙标准偏高，影响了调度员的迅速决策。
　　2. 出库流量不足的影响
　　当异重流进入坝前段后，如果出库流量偏大，则弃水增加，影响发电效益，出库流量小，则坝前水流挟沙能力不足，泥沙很容易在坝前段落淤。所以，在闸门开启时，必须把握好与水流挟沙力相适应的出库流量。例如：1987年由于上游龙羊峡电站蓄水，使水库5～8月平均水位仅1716.25m，使洮河库区泥沙产生大量冲刷，该期间洮河沟门村水文站入库沙量1388万t，出库沙量1460万t，排沙比大于1。由于入库沙量主要集中在几场洪水中，有7天总入库沙量791万t，最大日入库沙量241万t，沙峰期未打开泄水道与排沙洞，出库流量仅437～730m³/s，均为发电流量，出库沙量517万t，使大量泥沙在坝前段落淤。由汛后实测得：坝前黄河段共淤积泥沙158万t，平均淤积厚度7.8m，坝址处的黄0断面最大淤积厚度达12m，排沙洞被淤堵，造成危及安全发电的被动局面，迫使电站进行第四次大规模的低水位拉沙工作。所以，在电站水位较低时，沙峰期如果出库流量偏小，虽然整个运行期排沙比仍较高，但往往会形成泥沙向坝前段的搬家现象，见图2。

图2　坝前与洮河库区实测库底平均纵剖面

3.库水位对异重流排沙的影响
　　实践证明：在目前淤积面下进行异重流排沙时，库水位过高，泥沙很容易在洮河库区中、上段落淤，影响排沙效果，运行水位过低，会在坝前段形成浑水水库，也影响排沙效果，实测资料分析认为：库水位在1717～1720m时，异重流排沙效果最好。
2.1.2　对异重流排沙的改进
　　根据以往异重流排沙中存在的问题，近几年对异重流排沙工作重新进行了分析研究，提出了改进措施，从1995年开始执行，主要有：
　　(1)加强了洮河沟门村水文站水沙情测报和自动传递。
　　(2)将排沙标准由以往的洮河含沙量30kgm³，相应洪峰流量200m³/s以上时，开启泄水道排沙，改为洮河流量大于100m³/s时，即可根据情况开启泄水道闸门排沙，当泄水道出库含沙量小于4kgm³时，关闭闸门，这样就包括了洮河200m³/s以下流量的异重流。
　　(3)从95年起，省局明确了将异重流排沙列入水库调度正常工作，规定沙峰期发电服从排沙，为调度员的迅速决策提供了保障。
　　(4)将异重流排沙研究成果中的开门时机、时间、出库流量大小等，用于排沙实践。
2.1.3　改进后的异重流排沙效果
　　采用上述异重流排沙改进措施后，使异重流排沙效果明显提高，1994年至1996年异重流排沙中，泄水道21次，排沙洞29次，年排沙比分别为123%、149%、109%。较1994年以前多年平均排沙比提高35.8%，不但将洮河来沙排出库外，而且能将洮河库区冲刷下来的泥沙排出库外，基本上保持了坝前淤积面的动态平衡。
　　2.2　汛前低水位拉沙
　　异重流排沙不能解决坝前黄河段的泥沙淤积问题。当坝前段淤积严重，影响机组正常发电时，采用低水位拉沙是刘家峡水电站行之有效的另一种排沙手段。低水位拉沙就是汛初将库水位降至接近1700m时，选择有利时机，开启泄洪洞，泄水道与排沙洞闸门加大泄量，出库流量保持2000m³/s左右，使坝前水位迅速下降，减少过水面积，增加流速。将坝前段的前期淤积泥沙排出库外。
　　刘家峡水库曾进行过四次低水位拉沙，共排出淤积沙量3240万t。每次拉沙后坝前段冲出长1.5km,宽约120m，深约5m的深槽，可使洮河口沙坎高程降低4～6m，见表2。
　　低水位拉沙，虽然对降低沙坎高程，排除坝前泥沙淤积是行之有效的，但由于每次低水位拉沙梯级电站要损失约2亿kW.h的电量，而且，拉沙期间给系统供用电平衡带来许多困难。因此，在坝前段淤积不十分严重时，一般不宜采用低水位拉沙方式；搞好水库调度和异重流排沙，尽量使坝前段不产生大量泥沙淤积，保持冲淤平衡，才是解决水库泥沙问题的上策。

表2　历次低水位拉沙情况表

6.26～7.3

96.5

133.2

39.0

52.6

未开

(万t)

348

441

359

440

　　2.3　用合理的水库调度增发电量和减少淤积
2.3.1　水库基本运行方式
　　水库运行的基本方式为：每年6月与12月前放空。10月及3月未在来水量允许时蓄满。6～9月库水位控制在防洪限制水位1728.0m以下运行，该期间是泥沙入库的高峰期，按调度原则，既要充分利用汛期来水，多发电量，又要防沙减淤，是全年调度的最难时期。
2.3.2　汛期采用高、中、低水位相兼的合理调度
　　高、中、低水位分别指1724m以上、1720～1724m和1715～1720m。高水位运行，虽然可降低发电耗水率，增发电量，但容易在洮河库区中、上段产生大量泥沙淤积，造成隐患。中水位运行，容易加快淤积三角洲向坝前推移。低水位运行，不但增加发电耗水率，若遇象1992年那样的大沙年份，大量的洮河来沙与洮河库区冲刷下来的泥沙直抵坝前，对刘家峡与下游盐锅峡的安全运行均造成威胁。
　　实践认为：当干流来水较多且洮河库区淤积不十分严重时，从多发电考虑，汛期可采用高水位运行，让泥沙淤积在洮河库区中、上段，当洮河库区淤积严重时，汛初降低水位，用洮河来水对淤积床面和三角洲顶部进行冲刷。当洮河遇枯水多沙情况，采用中水位运行，既避免在洮河库区产生大量淤积，又避免产生大量冲刷对电站安全运行造成危害。汛末洮河来沙一般较少，可尽量采用高水位运行，这样的运行原则，既可使整个运行期多发水电，又可减轻泥沙对电站安全运行的危害。实践证明：这样的运行原则是合理的，见表3。
　　1987年以前，刘家峡单库运行时，汛期平均运行水位1712.0m左右，1988年低水位拉沙后，1989、1990年采用高水位运行，洮5断面以上产生大量淤积，1991年汛期采用低、中水位运行，使洮河上段产生冲刷。1993、1994年采用高水位运行，大发水电，1995、1996年按汛初低水位，汛期中水位运行，除洮4断面略有淤积外，大部分泥沙排出库。运行中，同时加强了异重流排沙工作，使坝前淤积面基本上保持了1988年低水位拉沙后的床面。

表3　水库运行水位与泥沙淤积情况表

1726.42

1727.14

1722.46

1719.14

1728.66

1726.03

1719.77

1720.60

(10⁴m³)

三、结　语

　　刘家峡电站的泥沙问题是比较突出的，在加强异重流排沙的同时，电站采用高、中、低相兼的水位运行，必要的低水位拉沙，是解决近期刘家峡水库泥沙问题的有效途径。
　　为从根本上解决刘家峡电站的泥沙问题，近年来还对结合扩机在洮河口增建排沙洞，洮河流域下游主要产沙区进行水土保持等措施进行过研究。
　　拟建的洮河口排沙洞位于刘家峡大坝左岸，全长1438m，泄水流量600m³/s，进口底坎高程1665m，分别在水库死水位和正常蓄水位以下29m和70m，在淤泥高程以下20～25m，物理模型试验结果^［1，2］。洮河悬沙异重流能在库底穿越干流，持续稳定地进入对岸排沙洞，排沙比达到70%左右，可明显减缓坝前段泥沙淤积，可使机组避免洮河发生常遇洪水时的过机泥沙磨损，大洪水时可成倍地减少过机泥沙总量。
　　洮河流域下游的东峪，中孚等11条沟道是洮河流域主要产沙区，流域面积2406km²，年输沙量1860万t，分别为全流域的9.6%和65%，根据甘肃省定西地区关川河流域水土保持治理的效果与经验，对这些沟道进行治理是完全可行的，不失为解决刘家峡水库泥沙危害的治本措施。
　　由目前的水库管理调度措施，如果再加上增建排沙洞及搞好洮河下游的水土保持工作，可以认为，能解决困扰多年的刘家峡电站泥沙问题。后两项措施由于资金等问题，目前暂时还不能实施。

参考文献

［1］　水利水电科学研究院泥沙所，刘家峡水库洮河口排沙洞排水效果模型试验报告，1987年9月。
［2］　西北勘测设计研究院，刘家峡水电站洮河口排水洞岩塞爆破可行性研究总结报告，1992年9月。