豐寧抽水蓄能電站泥沙淤積及防沙措施研究

劉書寶

(中國水電顧問集團(tuán)公司北京勘測設(shè)計研究院 ，北京 100024)

1 抽水蓄能電站泥沙問題

豐寧抽水蓄能電站位于灤河干流，泥沙問題十分突出。豐寧抽水蓄能電站利用灤河干流上已建成的豐寧水電站水庫為下水庫，下水庫正常高水位1 061 m，死水位1 042 m，裝機(jī)3 600 MW。根據(jù)2008年實(shí)測的水庫淤積橫斷面估算水庫多年平均入庫沙量為171萬m3，正常蓄水位庫沙比為34，屬泥沙淤積非常嚴(yán)重水庫。庫尾豐寧專用水文站2007年實(shí)測最大含沙量為152 kg/m3，2008年實(shí)測最大含沙量為219 kg/m3，根據(jù)淤積計算，如果不采取工程措施豐寧抽水蓄能電站下水庫到2020年剩余有效庫容將不能滿足電站正常運(yùn)行所需要的有效庫容，過機(jī)含沙量年平均最大為0.73 kg/m3，年最大為12.7 km3，因此必須采取工程措施處理豐寧抽水蓄能電站下水庫的泥沙問題，才能保證電站正常運(yùn)行。

2 下水庫入庫沙量的估算

豐寧抽水蓄能電站下水庫入庫沙量采用兩種方法估算，一種是利用豐寧水庫實(shí)測淤積橫斷面估算，另一種方法是利用豐寧專用水文站水沙關(guān)系估算。

1）利用豐寧水庫實(shí)測淤積橫斷面估算

自2006年以來，豐寧水庫庫區(qū)共進(jìn)行了5次水庫淤積橫斷面測量，利用水庫淤積斷面計算的豐寧水庫剩余庫容見表1。

從表1可見，自2000年11月18日豐寧水庫下閘蓄水至2006年10月，水庫總淤積量為1 042萬m3，多年平均淤積量為174萬m3，至2007年11月總淤積量為1 172萬m3，多年平均淤積量為167萬m3，至2008年11月總淤積量為1 366萬m3，多年平均淤積量為171萬m3。

2）利用豐寧專用水文站水沙關(guān)系估算

豐寧專用水文站水沙關(guān)系見圖1。

表1 豐寧水庫剩余庫容表 萬m3

圖1 豐定專用水文站 外溝門水文站水沙關(guān)系

豐寧水庫上游約80 km處建有西山灣水庫，西山灣水庫為一多年調(diào)節(jié)水庫，西山灣水庫的建成，改變了其下游徑流的天然狀態(tài)。在逐日徑流系列計算時，考慮了西山灣水庫的調(diào)節(jié)作用，即豐寧入庫徑流為西山灣出庫流量與西山灣～豐寧區(qū)間流量相加即為受西山灣調(diào)節(jié)影響的豐寧入庫徑流過程。利用豐寧專用水文站水沙關(guān)系，估算得豐寧水庫多年平均入庫沙量為203萬t，泥沙干容重取1.3 g/cm3，則多年平均入庫沙量為156萬m3。推移質(zhì)按照懸移質(zhì)入庫沙量的3%考慮，多年平均入庫沙量為161萬m3。

豐寧專用水文站2007年6月至2008年5月實(shí)測入庫沙量為162萬m3，2008年6月至2009年5月實(shí)測入庫沙量187萬m3，兩年平均為175萬m3，加上推移質(zhì)總?cè)霂焐沉考s為180萬m。兩種方法計算的沙量相差不大，且與實(shí)測資料相近，為了工程安全取下水庫多年平均入庫沙量為 171 萬 m3。

3 下水庫泥沙淤積計算

3.1 泥沙淤積計算數(shù)學(xué)模型

泥沙淤積計算數(shù)學(xué)模型采用武漢大學(xué)一維不平衡輸沙數(shù)學(xué)模型，基本方程如下：

上式中Q為流量；A為過流面積；As為河床變形面積；B為河寬；Z為水位；Jf為能坡；q1為側(cè)向單位河長入流量；Sk和S*k分別為懸移質(zhì)分組含沙量和水流挾沙力；Gk和G*k分別為推移質(zhì)分組輸沙率和有效輸沙率；為分組沙沉速；恢復(fù)飽和系數(shù)，淤積時取0.25，沖刷時取1.0；推移質(zhì)恢復(fù)飽和系數(shù)；Pk混合層床沙組成；Pok天然河床床沙組成；Em為混合層厚度；ε1和 ε2為標(biāo)記，純淤計算時 ε1=0，否則 ε1=1，當(dāng)混合層下邊界波及到原始河床時ε2=1，否則ε2=0；K為非均勻分組序數(shù)，且滿足

3.2 泥沙淤積計算成果分析

豐寧抽水蓄能電站下水庫泥沙淤積計算的原始斷面為2008年11月實(shí)測斷面，計算的不同淤積年限剩余庫容見表2，不同淤積年限過機(jī)含沙量成果見表3，不同過機(jī)含沙量歷時統(tǒng)計表見表4。

表2 豐寧抽水蓄能電站下水庫不同淤積年限水庫剩余庫容表

表3 豐寧抽水蓄能電站下水庫不同年限過機(jī)含沙量統(tǒng)計表

表4 豐寧抽水蓄能電站下水庫進(jìn)出水口不同過機(jī)含沙量歷時統(tǒng)計表

豐寧抽水蓄能電站運(yùn)行的基準(zhǔn)年是50年，正常運(yùn)行所需的調(diào)節(jié)庫容為4 148萬m3，由表2可見，下水庫運(yùn)行超過25年后，剩余有效庫容不能滿足電站運(yùn)行的要求。由表3、表4可見，豐寧抽水蓄能電站下水庫過機(jī)含沙量較大，含沙量大于40 g/m3的天數(shù)超過240 d，電站全年有2/3的時間不能正常運(yùn)行，因此只有解決好下水庫的泥沙問題，才能保證豐寧抽水蓄能電站正常運(yùn)行。

4 下水庫排沙措施研究

4.1 豐寧排沙措施研究

豐寧抽水蓄能電站下水庫為河道型水庫，利用地形條件在水庫中部布設(shè)攔沙壩，在右岸設(shè)置泄洪排沙洞。根據(jù)工程前期進(jìn)展情況，初擬2015年攔排沙系統(tǒng)建成，攔沙壩把豐寧抽水蓄能電站下水庫分成兩個庫，一個是專用下水庫，滿足電站正常運(yùn)行；另一個是攔沙庫，攔沙庫的作用是汛期排沙，非汛期給專用庫補(bǔ)水，攔沙庫和專用庫通過攔沙庫溢洪道連接。

4.2 專用下水庫庫容計算

專用下水庫庫容計算是在豐寧抽水蓄能電站下水庫泥沙淤積計算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，首先進(jìn)行下水庫泥沙淤積計算，然后從攔沙壩處斬斷統(tǒng)計專用下水庫庫容，根據(jù)初擬的工程進(jìn)度安排，計劃2015年下水庫攔排沙系統(tǒng)建成，用下水庫特征水位庫容統(tǒng)計成果見表5。

表5 豐寧抽水蓄能電站專用下水庫特征水位庫容統(tǒng)計表

由表5可見，2015年時豐寧專用下水庫剩余有效庫容為4 148萬m3，能夠滿足電站運(yùn)行要求。

4.3 攔沙庫泥沙淤積計算

攔沙庫初擬的運(yùn)行方式是6—9月汛期敞泄，根據(jù)擬定的水庫運(yùn)行方式進(jìn)行泥沙淤積計算，攔沙庫泥沙淤積形態(tài)呈帶狀淤積，剩余有效庫容見表6。

表6 豐寧抽水蓄能電站攔沙庫庫容曲線表

攔沙庫的主要任務(wù)是在水庫運(yùn)行基準(zhǔn)年內(nèi)淤積泥沙，同時向?qū)Ｓ孟滤畮煅a(bǔ)充蒸發(fā)滲漏損失水量。專用下水庫補(bǔ)水口和攔沙庫溢洪道布置在一起，進(jìn)口底板高程為1 056 m。由表6可見，攔沙庫運(yùn)行50年后，正常蓄水位1 061 m以下剩余庫容為912萬m3，1 056～1 061 m之間剩余庫容為546.58萬m3，能夠滿足專用庫補(bǔ)水的要求。

5 物理模型試驗(yàn)

為了進(jìn)一步論證豐寧抽水蓄能電站建設(shè)攔排沙系統(tǒng)后的排沙效果，委托北京水利科學(xué)研究院進(jìn)行了泥沙物理模型試驗(yàn)。采用變態(tài)模型，水平比尺150，垂直比尺75，為型相似，模型在遵循幾何比尺相似的同時，還滿足水流運(yùn)動、泥沙輸移和河床沖淤等方面相似準(zhǔn)則。

模型試驗(yàn)統(tǒng)計的專用下水庫2015年剩余有效庫容4 004萬m3，攔沙庫庫容曲線見表7。

表7 豐寧抽水蓄能電站攔沙庫庫容曲線表

模型試驗(yàn)成果與數(shù)學(xué)模型計算成果基本一致，驗(yàn)證了攔排沙系統(tǒng)建成后，可以有效地解決豐寧抽水蓄能電站下水庫的泥沙問題。

6 結(jié)語

1）抽水蓄能電站的水量在上下庫之間反復(fù)循環(huán)，所需要的水庫庫容往往較小，攔河壩建于多沙河流上,泥沙問題往往十分突出。為長期保持有效庫容,保證電站取水的水質(zhì)要求,必須考慮一定的排沙工程措施,并采取合理的調(diào)度運(yùn)用方式。

2）豐寧抽水蓄能電站利用有利的地形條件，建設(shè)攔排沙系統(tǒng)，在汛期攔沙庫敞泄，非汛期蓄水為專用庫補(bǔ)水，有效地解決了電站的泥沙問題，使電站的運(yùn)行不受汛期洪水的限制，運(yùn)行更靈活。

3）鑒于豐寧抽水蓄能電站下水庫泥沙淤積嚴(yán)重，對電站運(yùn)行所需的有效庫容影響很大，因此攔排沙系統(tǒng)早建設(shè)，對電站是非常有利的。