泥沙淤積對(duì)電廠取水口影響研究

張緒進(jìn)，張金林，周 勤，張 湛

(1.重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶400016;2.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶400074)

為了保證火電廠冷卻水的正常供應(yīng)，需要對(duì)冷卻水的取水口做合理的規(guī)劃布置，在這個(gè)過(guò)程中取水口泥沙運(yùn)動(dòng)特性及沖淤變化分析是首要問(wèn)題［1］，該問(wèn)題的研究對(duì)電廠今后安全運(yùn)行至關(guān)重要。

自1958年我國(guó)開始自主研究火電廠發(fā)電以來(lái)［2］，伴隨著火力發(fā)電的快速發(fā)展，對(duì)電站取水口泥沙問(wèn)題的研究也取得了一定的成果，但這些都是對(duì)于天然河流、水庫(kù)等取水口的泥沙問(wèn)題的研究，對(duì)處于變動(dòng)回水區(qū)內(nèi)取水口泥沙問(wèn)題的研究則很少。回水變動(dòng)區(qū)內(nèi)［3-6］，水庫(kù)運(yùn)行引起該河段水位壅高，水流速度減小，水流挾沙能力降低，河段將出現(xiàn)累積性淤積，淤積量隨著水庫(kù)運(yùn)行年限而增大，河床不斷抬高，向高灘深槽方向發(fā)展。取水口位置泥沙的淤積、河床演變、水流條件的變化都有可能影響到電廠的正常取水，而泥沙淤積是影響電廠冷卻水工程布局的主要問(wèn)題［7］。因此，為了保證電廠的正常運(yùn)行，對(duì)變動(dòng)回水區(qū)內(nèi)取水口位置泥沙淤積的研究顯得十分必要。

1 工程河段概況

華能江津電廠新建工程位于重慶市江津區(qū)油溪鎮(zhèn)境內(nèi)的長(zhǎng)江左岸，電廠取水口初步選定位于江津油溪鎮(zhèn)境內(nèi)的長(zhǎng)江挖斷山河段，目前工程河段為天然河道，多年來(lái)河床基本保持沖淤平衡狀態(tài)，取水口河段下游距規(guī)劃建設(shè)的長(zhǎng)江小南海樞紐壩址僅約58 km，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料顯示［2］，小南海樞紐正常蓄水位為197 m(吳淞高程)，回水長(zhǎng)度約60 km，因此小南海樞紐建成后，電廠取水口工程將位于小南海庫(kù)區(qū)回水變動(dòng)區(qū)上段，其水流條件及泥沙沖淤情況均會(huì)發(fā)生重大變化，并對(duì)電廠的正常取水造成重要影響。而且擬建工程河段為“S”型彎曲河道，其中上段孝順灘(距宜昌航道里程為765 km)至金剛背(距宜昌航道里程為760 km)河道彎曲，左岸有勝中壩、陡沙坎、關(guān)刀磧相連，岸線規(guī)則，但關(guān)刀磧磧翅伸出江中較開，枯水期河道較窄，右岸有孝順灘、密灘盤等大小礁石，岸線不規(guī)則，其下9塊田磧壩深入江中，與左岸金剛背相對(duì)，航槽彎窄，在金剛沱凹岸一側(cè)，經(jīng)水流長(zhǎng)年累月的淘刷，形成深水沱，該處有回流汛后有淤沙，在河道左岸為凸岸淤積區(qū)，部分泥沙會(huì)在此沉積下來(lái)形成寬闊的磧壩燕壩;中段狗扒巖(距宜昌航道里程760 km)至燕壩尾(距宜昌航道里程758 km)為過(guò)渡段，河道相對(duì)順直，其中左岸有狗扒巖、螃蟹石，岸線不規(guī)則，右岸則為燕壩，岸線順直，水流平緩;下段葫蘆磧(距宜昌航道里程758 km)至油溪鎮(zhèn)(距宜昌航道里程753 km)河道彎曲，左岸為葫蘆磧，岸線規(guī)則但較彎，其下有龍磧子等突出，岸線不規(guī)則，右岸有雞公灘，石旺子等礁石、突咀，岸線極不規(guī)則，流急水亂。河段河勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 工程河段河勢(shì)Fig.1 River regime of engineering reach

2 模型設(shè)計(jì)與制作

2.1 模型比尺

由于本試驗(yàn)河段屬山區(qū)河流，河道邊界條件較為復(fù)雜，水流三維性強(qiáng)，且試驗(yàn)的主要任務(wù)是研究取水口附近泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)取水的影響，根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)要求，綜合考慮試驗(yàn)場(chǎng)地、供水能力等因素，模型范圍和模型相似條件選用平面比尺λL=200，垂直比尺λh=100，變率η=2的變態(tài)模型。

2.2 模型制作

模型地形根據(jù)長(zhǎng)江干線瀘渝段納溪至婁溪溝航道圖測(cè)量工程項(xiàng)目部2007年4月施測(cè)的工程河段1∶5 000地形圖，采用斷面板法進(jìn)行縮制。平面上用三角網(wǎng)和主、副導(dǎo)線進(jìn)行控制，斷面間距60～70 cm(模型值)。全河段共塑造了95個(gè)斷面，對(duì)于局部復(fù)雜地形采用加密斷面板法進(jìn)行復(fù)制。制模河段為長(zhǎng)江距宜昌航道里程765～753 km全長(zhǎng)約12.0 km的河段。

2.3 模型相似

試驗(yàn)重點(diǎn)研究電廠取水口工程附近水沙條件，模型設(shè)計(jì)除確保水流條件相似外，還須確保泥沙運(yùn)動(dòng)、河床沖淤的相似［7］。因此，要求模型水流須同時(shí)滿足阻力相似和重力相似;懸沙須同時(shí)滿足沉降相似，揚(yáng)動(dòng)相似和挾沙能力相似;底沙須同時(shí)滿足起動(dòng)相似、沉降相似和輸沙量相似［8］。

2.4 模型沙的選擇

合適的模型沙是確保模型沖淤相似的重要條件。精煤性能穩(wěn)定，比重適中，便于加工，是目前廣泛采用的材料之一［1］。本泥沙模型試驗(yàn)選用榮昌精煤作模型沙，其容重為1.33 t/m3，具有比重輕、性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，加工后其粒徑范圍可滿足模型沙級(jí)配要求，模型沙起動(dòng)特性是在長(zhǎng)50 m，寬0.6 m，高0.8 m的變坡水槽內(nèi)進(jìn)行的，試驗(yàn)水深范圍為3.3～28.56 cm，中值粒徑為0.03 ～1.65 mm，模型沙沉降流速及容重委托長(zhǎng)江水利委員會(huì)上游水文水資源勘測(cè)局進(jìn)行檢測(cè)。模型沙與原型沙有關(guān)特性見(jiàn)表1。

表1 原型沙與模型沙(煤粉)特性Table 1 Characteristics of prototype sand and model sand/(t·m －3)

3 研究方法

本泥沙試驗(yàn)采用20世紀(jì)90年代減沙后的來(lái)水來(lái)沙系列(1991—2010系列)進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，考慮到規(guī)劃的小南海樞紐尚未開工建設(shè)，其開工到建成尚需一定時(shí)日，而天然情況下工程河段為典型的山區(qū)河流，其年內(nèi)雖有一定的沖淤變化，但年際沖淤基本保持平衡狀態(tài)，因此本模型渾水泥沙試驗(yàn)將在模型上首先模擬10 a天然情況水沙變化過(guò)程，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行小南海水庫(kù)運(yùn)行后水沙試驗(yàn)，小南海建成后將施放30個(gè)水文年，放水系列見(jiàn)表2。

表2 模型渾水泥沙試驗(yàn)放水系列Table 2 Model drainage of muddy water sediment test series

模型流量和尾門水位采用西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所自行研制的SX-1微機(jī)流量水位自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行可視化自動(dòng)控制，該系統(tǒng)反映靈敏，可迅速準(zhǔn)確地跟蹤峰谷流量和水位的變化過(guò)程。懸移質(zhì)含沙量通過(guò)渾度儀監(jiān)測(cè)并配合1 000 mL比重瓶稱重進(jìn)行控制，懸沙級(jí)配由光電測(cè)沙儀和Mastersizer 2 000粒度計(jì)分析確定，淤積地形用電阻式測(cè)淤儀測(cè)量，流速由西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所自行生產(chǎn)的DLS-2動(dòng)態(tài)流速測(cè)試儀測(cè)定。

4 試驗(yàn)成果及分析

4.1 天然情況

4.1.1 泥沙淤積量及分布

采用2001—2010年10 a水沙資料，模擬天然情況下工程河段的泥沙淤積過(guò)程，試驗(yàn)成果見(jiàn)表3。

表3 工程河段泥沙淤積(天然情況)Table 3 Sediment deposition of engineering reach(Natural)

根據(jù)試驗(yàn)成果分析，天然情況渾水試驗(yàn)5 a末，試驗(yàn)河段泥沙淤積部位主要在河段的邊灘磧壩及深沱回流區(qū)，試驗(yàn)河段主流區(qū)均未發(fā)生明顯的泥沙淤積。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，試驗(yàn)河段5 a末總淤積量為195.34 萬(wàn)m3，淤積強(qiáng)度為17.97 萬(wàn) m3/km，前5 a淤積速率為3.59萬(wàn)m3/(km·a)。天然情況渾水試驗(yàn)10 a末，試驗(yàn)河段泥沙淤積部位與5 a末基本相同，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，試驗(yàn)河段10 a末總淤積量為334.37 萬(wàn) m3，其中 5 ～10 a淤積方量約 139.03萬(wàn) m3，淤積強(qiáng)度為30.76萬(wàn) m3/km，5～10 a淤積速率為2.56萬(wàn)m3/(km·a)，與前5 a相比淤積速率略有降低。

4.1.2 取水河段泥沙淤積

根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果和物理模型試驗(yàn)成果，選定取水河段為狗扒巖附近河道左岸，距宜昌航道里程為759.8 ～759.1 km，取水河段(CS44—CS49)泥沙淤積斷面見(jiàn)圖2。

圖2 取水河段泥沙淤積斷面(天然情況)Fig.2 Cross-section of sediment deposition at engineering river reach(Natural)

由泥沙試驗(yàn)成果看，本工程取水工程位于左岸深槽區(qū)附近，由于此區(qū)域位于河道主流區(qū)流速較大，泥沙不易在此落淤，因此取水河段上游600 m至該河段下游600 m范圍近2 km的河段均為不淤區(qū)，且從泥沙淤積區(qū)域的發(fā)展情況來(lái)看，其上游金剛沱淤積區(qū)及下游葫蘆磧淤積區(qū)均未出現(xiàn)向下或向上發(fā)展的趨勢(shì)。

4.2 小南海成庫(kù)后

4.2.1 泥沙淤積量及分布

小南海水庫(kù)蓄水運(yùn)行后，非汛期其壩前水位將抬高至正常蓄水位197 m至消落水位195 m運(yùn)行，汛期則運(yùn)行水位保持為正常蓄水位197 m至汛限水位193 m間運(yùn)行。根據(jù)小南海水庫(kù)回水計(jì)算成果，在非汛期(10月—次年5月)，工程河段水位相應(yīng)抬高，其抬高幅度最大約12 m，汛期當(dāng)流量較小時(shí)，工程河段水位也有不同程度的抬高，僅當(dāng)入庫(kù)流量為較大洪水時(shí)，其回水才未到達(dá)本工程河段。

試驗(yàn)進(jìn)行了小南海水庫(kù)運(yùn)行后水沙試驗(yàn)共30個(gè)水文年試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)采用1991—2010年水文系列循環(huán)施放，并同小南海水庫(kù)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)一樣考慮了上游金沙江、岷江干流水庫(kù)的攔沙作用，試驗(yàn)分別實(shí)測(cè)了水庫(kù)運(yùn)行第5、第10、第15、第20、第25、第30 a末工程河段泥沙淤積量，試驗(yàn)成果詳見(jiàn)表4。

表4 小南海成庫(kù)后泥沙淤積參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Parameter statistics of sediment deposition after construction of Xiaonanhai Reservoir

由試驗(yàn)成果可見(jiàn)，小南海成庫(kù)運(yùn)行后，由于工程河段水位抬高，流速減緩，水流輸沙能力降低，工程河段泥沙淤積呈累積性增長(zhǎng)，其中水庫(kù)運(yùn)行初期淤積較快，隨著水庫(kù)運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，淤積邊灘的逐漸形成，雖然泥沙淤積量逐漸增大，但泥沙的淤積速率逐步放緩。

4.2.2 取水河段泥沙淤積

小南海成庫(kù)后取水河段(CS44—CS49)斷面泥沙淤積情況見(jiàn)圖3。

圖3 取水河段泥沙淤積斷面(小南海成庫(kù)后)Fig.3 Cross-section of sediment deposition at engineering river reach(after the construction of Xiaonanhai Reservoir)

由試驗(yàn)結(jié)果看，小南海蓄水運(yùn)行后由于水位抬高、流速減緩、挾沙能力下降，取水河段的淤積方量和淤積強(qiáng)度均有所增大，但同天然情況一樣該河段泥沙淤積區(qū)域主要為右岸燕壩，而本工程取水工程位于左岸深槽區(qū)附近，由于此區(qū)域位于河道主流區(qū)流速較大，泥沙不易在此落淤，因此取水河段上游600 m至該河段下游600 m范圍近2 km的河段仍為不淤區(qū)，且從泥沙淤積區(qū)域的發(fā)展情況來(lái)看，其上游金剛沱淤積區(qū)及下游葫蘆磧淤積區(qū)亦未出現(xiàn)向下或向上發(fā)展的趨勢(shì)。

5 結(jié)論

1)天然情況下，由于工程河段長(zhǎng)江河道多年來(lái)均基本保持河床穩(wěn)定狀態(tài)，盡管工程河段局部區(qū)域仍不斷發(fā)生淤積或沖刷變化，但總體沖淤變化幅度不大，且工程河段淤積區(qū)域主要集中在邊灘、深水沱回流區(qū)，取水河段位于主流附近，泥沙不易落淤，因此取水河段附近約2 km長(zhǎng)的河段為不淤區(qū)，且上游金剛沱淤積區(qū)及下游葫蘆磧淤積區(qū)亦未出現(xiàn)向下或向上發(fā)展的趨勢(shì)，說(shuō)明天然情況下泥沙淤積變化不會(huì)對(duì)取水工程造成不良影響。

2)小南海水庫(kù)按197 m方案運(yùn)行以后，工程河段位于水庫(kù)回水變動(dòng)區(qū)，由于汛期水位有一定壅高，加重了該河段的泥沙淤積。同時(shí)汛后水位較天然情況大幅升高，流速減緩，水流不能歸槽，使得部分河段在汛期淤積的泥沙不能及時(shí)沖走，造成該河段出現(xiàn)泥沙累積性淤積，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)河段泥沙淤積的主要部位包括：①?gòu)澋赖耐拱哆厼?取水河段右岸的九塊田、燕壩以及下游葫蘆磧尾等);②寬淺邊灘(試驗(yàn)河段上游的勝中壩、陡沙坎);③凹岸的回流緩流區(qū)(金剛沱、馬糞沱等沱內(nèi)泥沙的大量落淤)。盡管試驗(yàn)河段在小南海蓄水運(yùn)行后將產(chǎn)生累積性淤積，但電廠取水河段位于凹岸主流區(qū)附近，電廠取水河段一側(cè)均為不淤區(qū)，且該處深泓線與上下游深泓線相比低得多，該處地形變化大，水流紊動(dòng)強(qiáng)烈，取水河段在小南海蓄水運(yùn)行后不會(huì)被淤沙覆蓋，這對(duì)保證取水及水質(zhì)等較為有利。

綜上所述，天然情況下工程河段沖淤變化不大，小南海蓄水運(yùn)行后，取水口河段將出現(xiàn)泥沙累積性淤積，其分布在總體上符合水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)泥沙淤積的一般規(guī)律，隨著水庫(kù)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，該河段將進(jìn)一步向著順直、微彎、高灘深槽方向發(fā)展，直至達(dá)到新的沖淤平衡為止。根據(jù)試驗(yàn)預(yù)測(cè)，無(wú)論是天然河道情況還是水庫(kù)按197 m方案運(yùn)行以后的不同時(shí)段，取水河段均為不淤區(qū)，取水口附近河床均較為穩(wěn)定，取水條件好。

［1］陳惠泉，許玉麟，賀益英.火核電廠冷卻水試驗(yàn)研究50年進(jìn)展體驗(yàn)［J］.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2008，6(4)：288-295.Chen Huiquan，Xu Yulin，He Yiying.Progress and experience of 50 years，study on cooling water circulation of thermal nuclear power plants［J］.Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2008，6(4)：288-295.

［2］重慶交通大學(xué)，西南水運(yùn)科學(xué)研究所.重慶長(zhǎng)江小南海水電站預(yù)可行性研究報(bào)告［R］.重慶：重慶交通大學(xué)，2008.Southwestern Water Science Research Institute，Chongqing Jiaotong University.Chongqing Changjiang Xiaonanhai Hydropower Station Preliminary Feasibility Study Report［R］.Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2008.

［3］張曉明，安利，王召兵.重慶電廠東、西廠取水條件試驗(yàn)研究［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，25(2)：150-153.Zhang Xiaoming，An Li，Wang Zhaobing.Experiment study on intaking water condition of Chongqing east and west power plant［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2006，25(2)：150-153.

［4］章厚玉，楊德安，楊建.丹江口水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)泥沙沖淤規(guī)律研究［J］.長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，22(2)：5-7.Zhang Houyu，Yang Dean，Yang Jian.Research on the law of silt scouring in varying backflow zone of Danjingkou Reservoir［J］.Journal of Changjiang Engineering Vocational College，2005，22(2)：5-7.

［5］金煒，楊勝發(fā)，周華軍.川維廠取水口泥沙淤積研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，26(4)：132-137.Jin Wei，Yang Shengfa，Zhou Hunjun.Ressearch on suspended sediment of Chuanwei inlet［J］.Journal of Chongqing Jiaotong U-niversity：Natural Science，2007，26(4)：132-137.

［6］張鶴，郭維東，王智，等.哈爾濱第一熱電廠取水口模型試驗(yàn)研究［J］.水利水電科技進(jìn)展，2007，27(1)：53-59.Zhang He，Guo Weidong，Wang Zhi，et al.Ressearch on suspended sediment of Haerbing［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2007，27(1)：53-59.

［7］張瑋.廣西秀江變動(dòng)回水區(qū)河床演變規(guī)律研究［D］.南京：河海大學(xué)，2006.Zhang Wei.Study on Regularity of Riverbed Evolution in Fluctuating Backwater Area of Xiujiang River，Guangxi Province［D］.Nanjing：Hohai University，2006.

［8］陸航波.郁江西津水庫(kù)泥沙淤積對(duì)南寧電廠取水口的影響研究［J］.紅水河，2009，28(5)：17-20.Lu Hangbo.Study on how sediment deposition of Xijin Reservoir in Yujiang River affects water intake of Nanning power plant［J］.Hongshui River，2009，28(5)：17-20.