呼和浩特抽水蓄能電站攔沙庫(kù)設(shè)計(jì)

魯紅凱， 趙 軼， 陳建華

(中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

呼和浩特抽水蓄能電站攔沙庫(kù)設(shè)計(jì)

魯紅凱， 趙 軼， 陳建華

(中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024)

呼和浩特抽水蓄能電站下水庫(kù)每年入庫(kù)沙量為3．42萬(wàn)t。為避免泥沙對(duì)機(jī)組的磨損，導(dǎo)致機(jī)組頻繁檢修，影響電站的安全運(yùn)行，在上游設(shè)置攔沙壩，將下水庫(kù)分隔為攔沙庫(kù)和蓄能電站專用下水庫(kù)。通過(guò)攔沙庫(kù)負(fù)責(zé)攔洪排沙，蓄能電站下水庫(kù)專職發(fā)電的方式，可徹底解決下水庫(kù)的泥沙問(wèn)題。同時(shí)攔沙庫(kù)還可作為電站初期充水和運(yùn)行期補(bǔ)水時(shí)的蓄水池。

抽水蓄能電站；泥沙；攔沙庫(kù)；設(shè)計(jì)

1 工程概況

呼和浩特抽水蓄能電站下水庫(kù)位于哈拉沁溝上，其上游建有以防洪為主兼顧農(nóng)業(yè)灌溉和供水的哈拉沁水庫(kù)。下水庫(kù)的入庫(kù)沙量由哈拉沁水庫(kù)下泄沙量和區(qū)間沙量構(gòu)成，多年平均入庫(kù)全沙量為

3．42萬(wàn)t。為避免泥沙對(duì)機(jī)組的磨損，電站庫(kù)盆采用封閉型式，由上游攔沙壩和下游攔河壩圍筑形成。設(shè)置攔沙壩后在上游自然形成攔沙庫(kù)，其主要任務(wù)是攔蓄上游的洪水，汛期開啟左岸泄洪排沙洞，使上游洪水和泥沙不進(jìn)入蓄能專用下水庫(kù)，保證蓄能專用下水庫(kù)內(nèi)始終為一庫(kù)清水，還作為電站初期充水和正常運(yùn)行期補(bǔ)水時(shí)的蓄水池。攔沙庫(kù)正常補(bǔ)水水位、設(shè)計(jì)洪水位(P=0．2%)、校核洪水位(P=0．05%)均為1 400 m，冬季最高庫(kù)水位1 398 m。攔沙庫(kù)長(zhǎng)約2 km，正常補(bǔ)水水位時(shí)水面寬約200 m、水面面積24．34萬(wàn)m2、庫(kù)容為23

3．4萬(wàn)m3。

攔沙庫(kù)平面布置見圖1。

圖1 攔沙庫(kù)平面布置圖

2 設(shè)置攔沙庫(kù)的必要性

哈拉沁水庫(kù)流域面積621 km2，多年平均懸移質(zhì)沙量為5

3．2萬(wàn)t。呼和浩特抽水蓄能電站下水庫(kù)的入庫(kù)沙量由哈拉沁水庫(kù)下泄沙量和區(qū)間沙量構(gòu)成，多年平均入庫(kù)全沙量(含懸移質(zhì)和推移質(zhì))為

3．42萬(wàn)t。

哈拉沁水庫(kù)位于呼和浩特抽水蓄能電站攔河壩上游約2．6 km處?？紤]到哈拉沁水庫(kù)對(duì)洪水的調(diào)蓄作用，攔河壩處的洪水由哈拉沁水庫(kù)下泄過(guò)程和哈拉沁水庫(kù)－攔河壩區(qū)間洪水疊加組成。當(dāng)哈拉沁水庫(kù)以上發(fā)生P=0．05%洪水時(shí)，下泄流量為412 m3/s；發(fā)生P=0．2%洪水時(shí)，下泄流量為402 m3/s。加上區(qū)間同頻率的洪水，則攔河壩處0．05%和0．2%洪峰流量分別為744 m3/s和657 m3/s。

為較好地解決電站泥沙問(wèn)題，選擇經(jīng)濟(jì)合理的樞紐布置方案，在可行性研究階段設(shè)計(jì)時(shí)專門進(jìn)行了下水庫(kù)設(shè)攔沙壩和不設(shè)攔沙壩方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，擬定不同的樞紐布置型式，分析相應(yīng)的下水庫(kù)補(bǔ)水方式、機(jī)組過(guò)機(jī)泥沙情況、電站運(yùn)行方式等因素，并與類似工程加以對(duì)比。經(jīng)分析認(rèn)為:

(1)哈拉沁水庫(kù)建成后，雖攔截了河道的大部分泥沙，但呼和浩特抽水蓄能電站下水庫(kù)入庫(kù)懸移質(zhì)含沙量仍高達(dá)15．3 kg/m3。根據(jù)下水庫(kù)預(yù)測(cè)來(lái)沙情況，在不設(shè)攔沙壩時(shí)，即使采用在碾壓混凝土重力攔河壩上設(shè)置泄洪排沙底孔、上下水庫(kù)進(jìn)/出水口設(shè)置沉沙池和擋沙坎等措施，但在哈拉沁水庫(kù)泄洪時(shí)，這些工程措施對(duì)減少過(guò)機(jī)泥沙作用不大。發(fā)生洪水時(shí)若電站采取不避沙方式運(yùn)行，過(guò)機(jī)含沙量約為1．46 kg/m3～1．97 kg/m3，遠(yuǎn)超過(guò)0．15 kg/m3的設(shè)計(jì)控制要求，對(duì)額定水頭521 m的呼和浩特抽水蓄能電站來(lái)說(shuō)，其空蝕磨損應(yīng)比常規(guī)電站嚴(yán)重得多，水泵水輪機(jī)本身的措施已難以解決泥沙磨損危害，磨損會(huì)相當(dāng)嚴(yán)重。若采用下水庫(kù)蓄清排渾的措施，洪水期水期機(jī)組停止運(yùn)行，電站又起不到日調(diào)峰、事故備用的作用，會(huì)大大降低電站的經(jīng)濟(jì)效益。加之上、下水庫(kù)進(jìn)/出水口為雙向水流，流態(tài)復(fù)雜，變化頻繁，其附近沉積的泥沙會(huì)被揚(yáng)起，長(zhǎng)期的過(guò)機(jī)泥沙造成對(duì)機(jī)組的嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致機(jī)組頻繁檢修。

(2)雖從列明的分項(xiàng)建筑物直接投資來(lái)看，下水庫(kù)不設(shè)攔沙壩方案比設(shè)攔沙壩方案節(jié)省1．6億元，采用不避沙方式運(yùn)行，除四臺(tái)機(jī)50年增加更換轉(zhuǎn)輪投資約1．5億元外，每年僅水泵水輪機(jī)大修一項(xiàng)至少也將造成調(diào)峰電量直接損失3 500萬(wàn)千瓦時(shí)左右，約1 750萬(wàn)元；而為解決過(guò)機(jī)泥沙機(jī)組磨損問(wèn)題，采用避沙方式運(yùn)行，每次洪水考慮泥沙沉清時(shí)間，電站在4天內(nèi)將無(wú)法運(yùn)行，影響電站直接發(fā)電效益1339萬(wàn)元，最多一年可能多達(dá)上億元損失。當(dāng)然，這還不包括對(duì)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行造成的間接損失、每年多出的24萬(wàn)m3～30萬(wàn)m3的補(bǔ)水費(fèi)用以及下水庫(kù)庫(kù)盆范圍深厚覆蓋層下可能滲漏點(diǎn)處理將增加的費(fèi)用。

(3)呼和浩特抽水蓄能電站泥沙問(wèn)題較突出，必須采取攔沙、治沙、排沙等各種措施，盡量減少過(guò)機(jī)泥沙，并從樞紐布置及水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式上來(lái)減少入庫(kù)和過(guò)機(jī)含沙量。若不采取攔沙或主汛期停機(jī)避沙運(yùn)行等措施，其過(guò)機(jī)泥沙問(wèn)題將嚴(yán)重影響電站機(jī)組選型、設(shè)計(jì)、制造和今后的運(yùn)行，機(jī)組大修周期將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于8～10年的基本要求，機(jī)組將長(zhǎng)期停機(jī)檢修，否則水輪機(jī)效率嚴(yán)重下降，甚至無(wú)法停機(jī)危及電站運(yùn)行安全。而主汛期停機(jī)避沙運(yùn)行，將嚴(yán)重影響呼和浩特抽水蓄能電站對(duì)蒙西電網(wǎng)的作用。借鑒山西西龍池抽水蓄能下水庫(kù)岸邊庫(kù)從根本上解決多泥沙河流泥沙問(wèn)題的布置型式，在呼和浩特抽水蓄能電站下水庫(kù)設(shè)置攔沙壩，將下水庫(kù)分隔為攔沙庫(kù)和蓄能電站專用下水庫(kù)，攔沙庫(kù)負(fù)責(zé)攔洪排沙，蓄能電站下水庫(kù)專職發(fā)電的方式，可徹底解決下水庫(kù)的泥沙問(wèn)題。

綜上所述，呼和浩特抽水蓄能電站下水庫(kù)設(shè)攔沙壩方案與不設(shè)攔沙壩方案相比，具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，樞紐布置簡(jiǎn)單，電站建設(shè)和運(yùn)行綜合費(fèi)用相對(duì)較低，運(yùn)行安全，維護(hù)簡(jiǎn)單，管理方便，真正能承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰、事故備用的任務(wù)?？梢姡诤艉秃铺爻樗钅茈娬鞠滤畮?kù)設(shè)置攔沙壩是必要的，將下水庫(kù)分隔為攔沙庫(kù)和蓄能電站專用下水庫(kù)，通過(guò)攔沙庫(kù)負(fù)責(zé)攔洪排沙，蓄能電站下水庫(kù)專職發(fā)電的方式，可徹底解決下水庫(kù)的泥沙問(wèn)題。

3 攔沙庫(kù)設(shè)計(jì)

3．1 攔沙庫(kù)布置

庫(kù)區(qū)兩岸多為呂梁期片麻狀黑云母花崗巖，局部有透鏡狀斜長(zhǎng)角閃巖和團(tuán)塊狀大理巖展布，地形坡度30°～40°，坡腳分布崩坡積和崩洪積土夾碎石，厚3 m～20 m。河床為沖積洪積砂卵礫石漂石層，厚20 m～22 m。兩岸局部發(fā)育有Ⅰ級(jí)階地，高于現(xiàn)河床2 m～4 m，水磨灣一帶還殘存有少量的高階地。庫(kù)區(qū)主要有左二溝、左三溝、左四溝和石狐子溝，溝內(nèi)多有洪積和崩坡積物分布，山洪爆發(fā)時(shí)極易帶入攔沙庫(kù)，左二溝、左四溝溝口還發(fā)育有洪積扇。

庫(kù)區(qū)斷層較少且規(guī)模不大，主要結(jié)構(gòu)面為兩組高陡傾角的構(gòu)造裂隙，NEE組走向NE60°左右，以傾向SE為主，高陡傾角，密度約1條/m～3條/m。NW組走向NW320°～330°，以傾向SW為主，高陡傾角，密度2條/m～3條/m。物理地質(zhì)現(xiàn)象主要有卸荷、風(fēng)化作用及少量的崩塌。卸荷主要發(fā)育于凸出的小山梁。全強(qiáng)風(fēng)化較淺，一般為1 m～2 m，部分地段無(wú)全強(qiáng)風(fēng)化帶。崩塌體一般以小規(guī)模零星分布，為近代崩塌形成的碎塊石堆積，主要展布于支溝內(nèi)。庫(kù)區(qū)基本上不存在水庫(kù)滲漏、庫(kù)岸穩(wěn)定及浸沒(méi)等工程地質(zhì)問(wèn)題。

攔沙壩上游300 m以上為河道治理段，保證河道最小泄水底寬大于12 m，兩岸堆渣體迎水面緩于1∶1．75，表面設(shè)60 cm厚的漿砌石護(hù)坡，護(hù)坡底部采用60 cm厚的拋石護(hù)腳。攔沙壩上游20 m范圍內(nèi)庫(kù)底清理至1 374 m高程后與上游河道順接，兩岸從1 401．8 m高程順坡清理，陡于1∶1．75的河床覆蓋層削坡后采用60 cm厚的漿砌石護(hù)坡，庫(kù)坡堆渣體和覆蓋層開挖坡比為1∶3。

3．2 攔沙庫(kù)運(yùn)行調(diào)度方式

下水庫(kù)采用自流補(bǔ)水方案，在攔沙壩內(nèi)設(shè)置2根DN700的補(bǔ)水鋼管，進(jìn)口中心線高程1 385．5 m，縱坡1%，出口中心線高程1 385．3 m，鋼管斜長(zhǎng)19．83 m，管上設(shè)兩道電動(dòng)蝶閥和一道鴨嘴閥。攔沙庫(kù)非汛期作為電站初期充水和運(yùn)行期補(bǔ)水的蓄水池，正常補(bǔ)水水位為1 400 m。雖攔沙庫(kù)蓄水可導(dǎo)致地下水位上升，但庫(kù)尾距哈拉沁水庫(kù)砂壤土厚斜墻砂礫石壩壩腳還有約400 m的水平距離，且強(qiáng)透水砂卵礫石漂石層的地下水位上升有限，不會(huì)對(duì)哈拉沁水庫(kù)砂礫石壩的穩(wěn)定造成不利影響。

電站運(yùn)行期補(bǔ)水時(shí)，攔沙庫(kù)水位為1 400m～1 393m時(shí)可隨時(shí)向蓄能專用下水庫(kù)補(bǔ)水；攔沙庫(kù)水位低于1 393 m時(shí)，采用蓄能專用下水庫(kù)淹沒(méi)出流補(bǔ)水方式，或蓄能專用下水庫(kù)水位不低于1 385．3 m的自由出流補(bǔ)水方式。

電站初期充水時(shí)，為防止攔沙壩內(nèi)設(shè)置的補(bǔ)水管下泄水流掏刷壩腳或干砸下游壩面造成聚氨酯保溫保濕材料的破壞，攔沙庫(kù)水位達(dá)到正常補(bǔ)水水位并沉清后才能開始向蓄能專用下水庫(kù)初期充水，攔沙庫(kù)水位降至1 393 m后停止充水，需再?gòu)墓咚畮?kù)補(bǔ)水使攔沙庫(kù)水位升高并沉清后再充水。攔沙庫(kù)沉清時(shí)間按庫(kù)水中懸移質(zhì)含沙量低于20 g/m3的標(biāo)準(zhǔn)確定。

攔沙庫(kù)汛期負(fù)責(zé)攔洪排沙，泄洪排沙洞布置在左岸，進(jìn)口位于攔沙壩上游約210 m處。為確保哈拉沁水庫(kù)砂礫石壩的安全，泄洪排沙洞按宣泄攔沙壩址處2000年一遇洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)和校核洪水位采用與正常補(bǔ)水水位同高，汛期處于敞泄?fàn)顟B(tài)，攔沙庫(kù)內(nèi)的洪水和泥沙通過(guò)泄洪排沙洞排往攔河壩下游，不進(jìn)入蓄能專用下水庫(kù)。泄洪排沙洞進(jìn)口高程為1380 m，設(shè)一道7 m×9 m的事故檢修平板閘門和一道7 m×8 m的弧形工作閘門；洞身長(zhǎng)525．437 m，洞線縱坡為4．14%，洞身凈斷面尺寸為7．0 m×9．5(8．5)m，城門洞型；出口在攔河壩下游約140 m處，出口高程1 358 m，采用反弧挑流鼻坎消能。攔沙庫(kù)水位達(dá)1 400 m時(shí)，泄洪排沙洞最大下泄流量為764 m3/s。

3．3 支溝處理

攔沙庫(kù)內(nèi)出露的左三溝、左四溝溝口距泄洪排沙洞進(jìn)口和攔沙壩較近，有可能影響泄洪排沙洞正常運(yùn)行和攔沙壩施工期的安全，因此都進(jìn)行了處理。

左三溝大部分分布于陰坡，地表植被發(fā)育，洪水不易將覆蓋層帶入庫(kù)內(nèi)影響泄洪排沙洞的正常運(yùn)行，但溝左岸的崩積物及危巖崩塌后比較容易進(jìn)入庫(kù)內(nèi)，由于塊石較大，易堵塞泄洪排沙洞，將左三溝的崩積物、危巖、溝口附近的卵礫石予以清除。

圖2 左四溝回填典型斷面圖

左四溝溝口有少量裸露的卵礫石，覆蓋層展布區(qū)植被發(fā)育良好，且成分以懸移質(zhì)為主，因此，除溝口裸露的卵礫石外，其余地段覆蓋層不需清理，為避免施工期因雨水沖刷等原因引起坍岸危及攔沙壩安全，左四溝溝口1 384 m高程以下的河床覆蓋層予以清除，填筑石渣作為左岸環(huán)庫(kù)路基，頂寬11 m，臨庫(kù)側(cè)坡比為1∶1，采用1 m厚鋼筋石籠護(hù)坡；靠山側(cè)坡比為1∶1．2，溝底設(shè)置漿砌石擋渣墻和漿砌石護(hù)底，集水通過(guò)路基內(nèi)1 394．2 m高程埋設(shè)的兩根內(nèi)徑1 m的鋼筋混凝土涵管排入攔沙庫(kù)。

4 結(jié)語(yǔ)

呼和浩特抽水蓄能電站下水庫(kù)位于多沙的哈拉沁溝上，為減少泥沙對(duì)有效庫(kù)容的淤積，降低進(jìn)/出水口前泥沙淤積高程和過(guò)機(jī)含沙量，改善機(jī)組的磨損條件，設(shè)置攔沙壩將下水庫(kù)分隔為攔沙庫(kù)和蓄能專用下水庫(kù)。攔沙庫(kù)主要任務(wù)是攔洪排沙，通過(guò)泄洪排沙洞使上游洪水和泥沙不進(jìn)入呼和浩特抽水蓄能電站下水庫(kù)，保證下水庫(kù)內(nèi)始終為一庫(kù)清水，電站不因泥沙問(wèn)題而停止運(yùn)行；同時(shí)作為蓄水池，通過(guò)攔沙壩內(nèi)埋設(shè)的補(bǔ)水鋼管解決了電站初期充水和運(yùn)行期補(bǔ)水問(wèn)題。呼和浩特抽水蓄能電站這種攔沙庫(kù)的布置方式，可供類似工程參考。

［1］ 趙軼，錢玉英，等．《呼和浩特抽水蓄能電站樞紐布置簡(jiǎn)介》．《抽水蓄能電站工程建設(shè)文集2009》，ISBN 978－7－5083－9506－7．

TV743;TG802

B

1001-2184(2015)05-0152-03

魯紅凱(1982-)，男，河南太康人，畢業(yè)于河海大學(xué)水利水電工程專業(yè)，工程師，主要從事水工建筑物設(shè)計(jì)；趙 軼(1970-)，女，四川瀘州人，畢業(yè)于葛洲壩水電工程學(xué)院水利水電工程專業(yè)，教授級(jí)高級(jí)工程師，專業(yè)總工，主要從事水工建筑物設(shè)計(jì)；陳建華(1976-)，女，山西運(yùn)城人，畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院水工結(jié)構(gòu)專業(yè)，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，副設(shè)總，主要從事水工建筑物設(shè)計(jì)．

(責(zé)任編輯:卓政昌)

2015-08-28