陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站泥沙淤積及防排沙措施研究

劉 娜,武金慧,杜志水

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概況

陜西鎮(zhèn)安抽水蓄能電站位于鎮(zhèn)安縣境內(nèi)的月河上，樞紐工程主要由上、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站組成[1]，屬純抽水蓄能電站。上水庫位于月河右岸支溝——金盆溝，利用溝谷地形筑壩形成，下水庫位于月河干流上，電站裝機(jī)容量1 400 MW，額定水頭430 m。電站一般在用電低谷時(shí)段作抽水填谷工況運(yùn)行[2]，在用電高峰時(shí)段作發(fā)電調(diào)峰工況運(yùn)行，日抽水歷時(shí)平均為8 h，平均抽水流量297 m3/s，日抽水量855萬m3。工程施工總工期67個(gè)月，第1臺機(jī)組投運(yùn)工期58個(gè)月。

月河地處鎮(zhèn)安縣西部地區(qū)，是旬河流域在鎮(zhèn)安縣境內(nèi)最大的一級支流，降水多集中在汛期，該流域位于秦嶺南麓淺山區(qū)，由于降水較多，地表植被較好，多為林木、灌木、雜草所覆蓋。流域內(nèi)無明顯降水時(shí)，河道水流清澈，含沙量很??；當(dāng)降水較大時(shí)，水流含沙量明顯增加，流域泥沙主要來源于降水對地表的沖刷。

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站較近且有較長系列泥沙資料的水文站為旬河柴坪站，以柴坪站作為工程設(shè)計(jì)依據(jù)站。根據(jù)柴坪水文站泥沙資料統(tǒng)計(jì)分析，上庫、下庫壩址多年平均懸移質(zhì)輸沙量分別為0.053 1萬t、6.86萬t，多年平均推移質(zhì)輸沙量分別為0.007 97萬t、1.03萬t，多年平均含沙量均為1.06 kg/m3，汛期(6—10月)平均含沙量1.42 kg/m3，懸移質(zhì)中值粒徑約為0.022 mm。

2 下庫泥沙問題初步分析

(1) 調(diào)節(jié)庫容

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站上庫正常蓄水位1 392.00 m，相應(yīng)庫容996萬m3；死水位1 367.00 m，相應(yīng)庫容139萬m3，調(diào)節(jié)庫容857萬m3；下庫正常蓄水位945.00 m，相應(yīng)庫容1 308萬m3，死水位910.00 m，相應(yīng)庫容324.1萬m3，調(diào)節(jié)庫容983.9 萬m3。鎮(zhèn)安抽水蓄能電站裝機(jī)容量為1 400 MW時(shí)發(fā)電所需有效庫容約為846萬m3，水損備用庫容約110萬m3(由下庫承擔(dān))，則下庫需要的調(diào)節(jié)庫容約956萬m3，由于上下水庫設(shè)計(jì)的調(diào)沙庫容余度較小，泥沙淤積可能損失調(diào)節(jié)庫容，將影響電站的正常調(diào)節(jié)運(yùn)行。

(2) 過機(jī)含沙量

鎮(zhèn)安電站設(shè)計(jì)的下庫多年平均入庫含沙量為1.06 kg/m3，汛期(6—10月)平均含沙量1.42 kg/m3，最大月(8月)平均含沙量2.21 kg/m3。抽水蓄能電站水頭一般都很高，通過轉(zhuǎn)輪流道的水流流速很大，水流中攜帶泥沙，水流和泥沙共同作用于水輪機(jī)，對水輪機(jī)產(chǎn)生巨大的磨損作用，因而抽水蓄能電站對過機(jī)泥沙控制的要求特別高。根據(jù)不同抽水蓄能電站允許過機(jī)含沙量類比分析，鎮(zhèn)安抽水蓄能電站允許過機(jī)平均含沙量不宜超過35 g/m3，允許過機(jī)泥沙中值粒徑小于0.03 mm。對于上述入庫水沙條件和水庫情況，在不考慮避峰敞泄排沙運(yùn)行情況下，僅依靠水庫沉沙以降低過機(jī)含沙量并達(dá)到鎮(zhèn)安抽水蓄能電站過機(jī)含沙量要求是難以做到的，而避峰敞泄排沙運(yùn)行方式對系統(tǒng)影響較大，在電站實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中實(shí)行難度較大。過機(jī)含沙量相對較大,對機(jī)組磨損問題比較嚴(yán)重。

因此，解決鎮(zhèn)安抽水蓄能電站工程泥沙問題是保持調(diào)節(jié)庫容，降低過機(jī)含沙量，滿足發(fā)電機(jī)組的要求。

3 工程防排沙措施設(shè)計(jì)

3.1 工程防排沙措施的提出

本次采用一維泥沙數(shù)學(xué)模型[3]對鎮(zhèn)安抽水蓄能電站下水庫泥沙淤積計(jì)算分析。

(1) 計(jì)算方法

根據(jù)鎮(zhèn)安抽水蓄能電站日調(diào)度原則，將1 d內(nèi)水庫的運(yùn)行分為4個(gè)階段：抽水階段、靜水沉降階段、發(fā)電放水階段和再次的靜水沉降階段。抽水階段以及發(fā)電放水階段下水庫均作一維分匯流水沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算，下庫上邊界條件為入庫水沙，下邊界條件為下水庫壩前水位，在進(jìn)/出水口[4]上下游附近虛擬分匯流節(jié)點(diǎn)，以沿程分匯流的方式近似模擬抽放水時(shí)進(jìn)/出水口附近水沙運(yùn)動(dòng)。

上下水庫泥沙因抽放水發(fā)生交換，抽水時(shí)下庫分水含沙量為進(jìn)/出水口斷面含沙量；泥沙抽入上庫后在靜水階段沉降，上庫淤積量為該部分沉降泥沙；經(jīng)沉降后的含沙水流在放水發(fā)電時(shí)匯入下庫，參與下庫泥沙淤積[5-6]。

(2) 典型年的選取

根據(jù)柴坪站的水文系列資料統(tǒng)計(jì)分析，選擇P=5%、P=25%、P=50%、P=75%、P=95%共5個(gè)典型年，計(jì)算的壩址平均流量為2.11 m3/s，與設(shè)計(jì)的壩址長系列多年平均流量2.04 m3/s相近。

(3) 電站抽、放水過程

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站上水庫正常蓄水位1 392.00 m、死水位1 367.00 m，下水庫正常蓄水位945.00 m、死水位910.00 m。運(yùn)行方式按日調(diào)節(jié)考慮[6]，電站日抽放水過程見表1。表1為1 d內(nèi)24 h 流量過程，負(fù)數(shù)表示抽水(即從下水庫抽水至上水庫)，正數(shù)表示發(fā)電(即從上水庫發(fā)電至下水庫)。

表1 鎮(zhèn)安抽水蓄能電站日抽、放水過程表

(4) 計(jì)算結(jié)果

鎮(zhèn)安抽水蓄能電站多年平均入庫含沙量1.06 kg/m3，水庫運(yùn)行不同年限淤積計(jì)算成果見表2，電站進(jìn)/出水口斷面淤積高程見表3，抽、放水發(fā)電時(shí)平均過機(jī)含沙量及相應(yīng)泥沙中值粒徑D50見表4，過機(jī)泥沙級配變化見表5、6。

表2 水庫泥沙淤積成果表

表3 電站下庫進(jìn)/出水口斷面淤積高程表

表4 不同運(yùn)行年限過機(jī)含沙量及中值粒徑成果表

水庫運(yùn)行50年有效庫容損失率約6%，進(jìn)/出水口淤積高程為896.63 m，較電站下庫進(jìn)/出水口底板高程894.00 m高2.63 m，較攔沙坎高程896.00 m高0.63 m；經(jīng)水庫淤積后，隨著運(yùn)行年限延長、平均過機(jī)含沙量增大，從20年平均過機(jī)含沙量0.043 5 kg/m3上升至100年平均過機(jī)含沙量0.048 6 kg/m3。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，水頭在200～500 m范圍時(shí)，限制平均過機(jī)含沙量0.1～0.03 kg/m3，水頭越高，機(jī)組轉(zhuǎn)速越大，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)更高。因此，計(jì)算的過機(jī)含沙量無法滿足鎮(zhèn)安抽水蓄能電站允許過機(jī)含沙量要求，過機(jī)水流含沙量較大，對水輪機(jī)磨損較嚴(yán)重[7]，影響電站正常運(yùn)行。

通過模型計(jì)算分析，不采取工程防排沙措施，電站運(yùn)行過機(jī)含沙量較大，難以滿足鎮(zhèn)安抽水蓄能電站允許過機(jī)含沙量要求。為了減少庫內(nèi)泥沙淤積，減輕機(jī)組的泥沙磨損，保證電站正常運(yùn)行，在工程樞紐布置上，采取在下水庫電站進(jìn)/出水口上游設(shè)置攔沙壩。

3.2 工程防排沙措施布置

攔沙壩距下庫壩址約2.0 km，壩上設(shè)置溢流堰，壩前設(shè)置1孔泄洪排沙洞(1號泄洪排沙洞)，排沙洞進(jìn)口高程與天然河床基本一致，排沙洞出口位于下庫壩址下游。排沙洞能夠下泄20年一遇的洪水(設(shè)計(jì)20年一遇洪水流量765.00 m3/s)，滿足攔沙壩水庫泄洪排沙要求。

表5 不同運(yùn)行時(shí)段抽水工況平均懸移質(zhì)泥沙顆粒級配成果表

表6 不同運(yùn)行時(shí)段發(fā)電工況平均懸移質(zhì)泥沙顆粒級配成果表

下庫壩址處設(shè)有泄洪排沙洞(2號泄洪排沙洞)，洞徑4.0 m，底檻高程880.00 m，主要任務(wù)為泄洪排沙和放空水庫，1、2號泄洪排沙洞同時(shí)開啟，可使100年一遇洪水順利下泄，滿足下水庫排沙對泄流規(guī)模的要求，為下庫泄洪排沙和有效控制庫區(qū)泥沙淤積創(chuàng)造了條件。

下庫電站進(jìn)/出水口位置距壩址約1.3 km，底板高程較進(jìn)水口斷面天然河道高出約7 m。由于其上游河道上設(shè)攔沙壩，結(jié)合排沙運(yùn)行方式[8]，一般情況下保持清水進(jìn)入下庫，使下庫成為有利于抽水蓄能電站運(yùn)行的清水水庫。

為防止含沙洪水進(jìn)入上水庫而形成渾水上庫，影響電站正常發(fā)電運(yùn)行，上庫庫周設(shè)置排洪溝，汛期發(fā)生洪水時(shí)，含沙水流不入上水庫，直接從排洪溝排走。

3.3 采取工程措施后水庫淤積計(jì)算及結(jié)果

(1) 上水庫

上水庫周邊設(shè)置排洪溝，洪水泥沙不入庫，僅抽水挾沙進(jìn)入上庫，由于下庫長期保持清水水庫運(yùn)行，抽水挾沙可忽略不計(jì)，因此，上水庫可不考慮泥沙淤積問題。

(2) 下水庫

設(shè)計(jì)中考慮超過20年一遇的洪水部分入庫水沙才能翻過攔沙壩進(jìn)入下庫。經(jīng)對柴坪站洪水資料分析，39 a實(shí)測資料中，僅2002年特大洪水洪峰流量超過20年一遇，其流量大于20年一遇洪峰的歷時(shí)約4.5 h，泥沙淤積不嚴(yán)重，因此，下水庫可不考慮泥沙淤積問題。

(3) 攔沙壩

攔沙壩水庫采用汛期開閘敞泄排沙運(yùn)行方式，水庫運(yùn)行后將逐步形成以造床流量控制的淤積平衡床面。采用2年一遇洪水作為造床流量，考慮以推移質(zhì)為主淤積平衡比降，取天然河道比降的1/2,即1%。

根據(jù)分析的水庫泥沙淤積形態(tài)，采用水庫三角洲沖淤經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停M(jìn)行水庫泥沙淤積計(jì)算。淤積平衡后，庫內(nèi)共淤積9.4萬m3，淤積河段長度389.00 m，壩前平均淤積高程927.60 m。

鎮(zhèn)安下水庫庫尾設(shè)置攔沙壩的主要目的是泄洪排沙和給下庫補(bǔ)充清水。根據(jù)水庫排沙運(yùn)行方式，超過20年一遇的洪水部分水沙才能翻過攔沙壩進(jìn)入下庫，泥沙淤積對電站運(yùn)行影響甚微，除初期蓄水進(jìn)出下水庫的泥沙外，后期運(yùn)行幾乎無泥沙進(jìn)出下庫。因此，下水庫庫水清澈，能夠滿足抽水蓄能電站對過機(jī)含沙量的要求。

4 結(jié) 語

(1) 抽水蓄能電站水量在上下庫之間往復(fù)循環(huán)，所需要的水庫庫容往往較小，泥沙淤積會造成調(diào)節(jié)庫容的損失；且常規(guī)抽水蓄能電站均為高水頭電站，鎮(zhèn)安抽水蓄能電站額定水頭為446 m，對過機(jī)含沙量的要求很高。

(2) 本文通過水庫淤積一維數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析，不采取工程防排沙措施，有效庫容損失率隨著電站運(yùn)行年限增加而增大，且電站運(yùn)行過機(jī)含沙量較大，難以滿足鎮(zhèn)安抽水蓄能電站允許過機(jī)含沙量要求，對水輪機(jī)磨損較嚴(yán)重，影響電站正常運(yùn)行。

(3) 為了長期保持有效庫容，保證電站取水的水質(zhì)要求，提出防排沙工程措施，利用有利的地形條件，在下水庫攔河壩上游設(shè)置攔沙壩，壩前設(shè)置泄洪排沙洞，能夠下泄常遇洪水，保持清水進(jìn)入下庫，使下庫成為有利于抽水蓄能電站運(yùn)行的清水水庫，滿足抽水蓄能電站對過機(jī)含沙量的要求。

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