濰坊抽水蓄能電站過機(jī)泥沙預(yù)測研究

席偉彥，劉 欣，趙海鏡，張艷紅

(1.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761；3.隆化縣水務(wù)局，河北 承德 068150)

目前，我國正在大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，各地已建、在建或規(guī)劃了大量抽水蓄能電站。抽水蓄能電站具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、緊急事故備用等作用，機(jī)組啟動與停機(jī)過程較頻繁、負(fù)荷變化大，其運行包括水輪機(jī)工況和水泵工況，這些運行特點與常規(guī)電站水輪機(jī)或水泵不完全一樣。抽水蓄能電站的水頭一般都很高，通過電站水輪機(jī)的水流流速很大，水流中挾帶泥沙，水流和泥沙共同作用于水輪機(jī)，對水輪機(jī)產(chǎn)生較大的破壞作用，因而對過機(jī)泥沙控制的要求特別高[1-3]。抽水蓄能電站進(jìn)、出水口水流泥沙流態(tài)復(fù)雜，給過機(jī)泥沙的分析帶來一定難度。目前，該方面雖有一定的研究進(jìn)展[4- 6]，但尚無成熟的確定方法。寶泉抽水蓄能電站曾委托武漢大學(xué)進(jìn)行了物理模型試驗，試驗的目的是研究抽水蓄能電站運行過程、水輪機(jī)過機(jī)泥沙情況。通過研究，建立了不同的來水來沙條件下，入庫含沙量與抽水時過機(jī)含沙量的關(guān)系曲線；在此基礎(chǔ)上，綜合分析各種影響因素，提出了一種估算過機(jī)泥沙的方法[7]。濰坊抽水蓄能電站位于山東省濰坊市臨朐縣，設(shè)計過程中需對其過機(jī)泥沙進(jìn)行預(yù)測。本文借鑒寶泉抽水蓄能電站的過機(jī)泥沙估算方法，經(jīng)過工程類比，對其進(jìn)行改進(jìn)以計算濰坊抽水蓄能電站過機(jī)泥沙。

1 工程概況

濰坊抽水蓄能電站裝機(jī)容量1 200 MW(4×300 MW)，滿發(fā)利用小時為5 h。電站建成后，在山東電網(wǎng)系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)。電站上水庫正常蓄水位628.00 m，死水位598.00 m；下水庫正常蓄水位289.00 m，死水位266.00 m。為保證抽水蓄能電站正常發(fā)電，在下水庫內(nèi)設(shè)置抽水蓄能電站保證發(fā)電庫容，相應(yīng)保證發(fā)電水位為273.50 m。下水庫利用已建嵩山水庫，控制流域面積154 km2，現(xiàn)狀正常蓄水位289.00 m，死水位266.00 m，汛期限制水位284.50 m，防洪高水位為290.46 m，是一座以防洪、灌溉為主，兼有養(yǎng)殖、發(fā)電等綜合利用的中型多年調(diào)節(jié)水庫。

2 電站下水庫泥沙特征

2.1 流域產(chǎn)沙概況

濰坊抽水蓄能電站下水庫無泥沙監(jiān)測資料，根據(jù)2017年4月實測的嵩山水庫庫區(qū)地形計算庫容曲線，并與建庫前原始庫容曲線相比，嵩山水庫47年總淤積量為146.4萬m3，水庫排沙比按5%計，則水庫47年總?cè)霂焐沉繛?53.7萬m3。淤積主要集中在庫內(nèi)中前部，死水位266.00 m下淤積量為131.7萬m3，占總淤積量的90%，正常蓄水位289.00 m至死水位之間的淤積量為14.7萬m3。

根據(jù)現(xiàn)場查勘，嵩山水庫庫尾泥沙顆粒較細(xì)，粗顆粒泥沙含量較少，推移質(zhì)沙量按總沙量的5%考慮，則年入庫懸移質(zhì)沙量為3.11萬m3，年入庫推移質(zhì)沙量為0.16萬m3。水庫泥沙懸移質(zhì)干容重1.30 t/m3，推移質(zhì)干容重1.65 t/m3，則年入庫懸移質(zhì)沙量為4.04萬t，年入庫推移質(zhì)沙量為0.27萬t，年入庫總沙量4.31萬t，多年平均含沙量為1.59 kg/m3。

2.2 下水庫泥沙特征

下水庫所在的五井石河為山區(qū)性河流，流域植被覆蓋率高，水土保持狀況良好，河流水量較小。根據(jù)鄰近流域的黃山水文站1960年～2000年水沙資料統(tǒng)計，多年平均流量過程與輸沙量過程對應(yīng)關(guān)系良好，水沙過程基本同步，具有水大則沙大，水小則沙小的特點；水沙年內(nèi)分配不均，水沙均主要集中在汛期6月～9月。

電站預(yù)可行性研究階段在嵩山水庫庫尾河床取得懸移質(zhì)落淤泥沙沙樣，并進(jìn)行了顆粒級配和礦物成分分析試驗(見表1、2)。

表1 濰坊抽水蓄能電站下水庫懸移質(zhì)泥沙顆粒級配

表2 濰坊抽水蓄能電站下水庫懸移質(zhì)泥沙礦物成分及含量 %

3 下水庫泥沙淤積及回水計算成果

3.1 下水庫泥沙淤積計算

3.1.1 下水庫泥沙淤積計算方法

濰坊抽水蓄能電站下水庫沒有實測水文、泥沙資料，不具備詳細(xì)沖淤計算的基本條件，本文依據(jù)嵩山水庫2017年實測地形資料對嵩山水庫淤積進(jìn)行了估算。將嵩山水庫在2017年實測的水位庫容曲線和建庫前的水位庫容曲線進(jìn)行對比，得到建庫以來嵩山水庫庫容曲線變化規(guī)律，按時間比例估算電站建成后淤積50年的庫容曲線。

3.1.2 下水庫泥沙淤積計算成果

(1)淤積量估算。嵩山水庫已運行47年，現(xiàn)狀泥沙淤積問題不嚴(yán)重，且?guī)焐潮容^大。根據(jù)施工組織設(shè)計，濰坊抽水蓄能電站下水庫施工期在進(jìn)出水口處設(shè)置圍堰，不影響水庫正常運行，濰坊抽水蓄能電站規(guī)劃水平年2025年，電站建成后運行50年，即從現(xiàn)狀庫區(qū)地形測量時間(2017年)起淤積58年，總淤積量為189.7萬m3。其中，懸移質(zhì)180.2萬m3，推移質(zhì)9.5萬m3。

(2)剩余庫容與淤積高程估算。嵩山水庫作為濰坊抽水蓄能電站下水庫以后，不改變水庫的運行方式，因此水庫泥沙將按現(xiàn)狀淤積形態(tài)繼續(xù)淤積。根據(jù)建庫以來嵩山水庫庫容曲線變化規(guī)律，按時間比例估算電站建成后淤積50年的庫容曲線，成果見圖1。

圖1 嵩山水庫淤積50年庫容曲線

嵩山水庫水位266.00～273.50 m之間為電站下水庫專用庫容。根據(jù)電站建成后淤積50年庫容曲線，266.00 m以下淤積量為162.5萬m3，占現(xiàn)狀死庫容的40.5%；266.00 m至273.50 m水位之間的淤積量為19.7萬m3，占現(xiàn)狀專用庫容的2.46%。

電站下水庫進(jìn)出水口位于水庫右側(cè)，距離壩線306.0 m，進(jìn)出水口附近的實測斷面DM6深泓高程為256.40 m，進(jìn)出水口處現(xiàn)狀地面高程為267.10 m。電站建成50年后，水庫庫容在260.50 m高程以下全部淤滿，壩前淤積高程為260.50 m，適當(dāng)預(yù)留安全裕度，取進(jìn)出水口斷面淤積高程為262.00 m。另按壩前段主要為懸移質(zhì)，采用平衡比降法，懸移質(zhì)泥沙淤積比降取河床比降的50%，推算至進(jìn)出水口的淤積高程為261.80 m，推算的嵩山水庫壩址泥沙淤積形態(tài)圖(電站建成50年)見圖2。嵩山水庫現(xiàn)狀放水洞的底板高程為262.00 m，因此進(jìn)出水口處泥沙淤積長期保持在262.00 m以下是有保證的。

圖2 嵩山水庫壩址泥沙淤積形態(tài)(50年)

3.2 下水庫回水計算成果

采用基于天然河道恒定非均勻漸變流的基本方程進(jìn)行計算。根據(jù)庫區(qū)不同淹沒對象防洪標(biāo)準(zhǔn)采用不同頻率(P=3.33%、5%、20%)設(shè)計洪水，對應(yīng)洪峰流量下的水庫回水尖滅點距壩址約4.68～4.86 km。

4 電站過機(jī)泥沙估算

鑒于目前尚無成熟的抽水蓄能電站過機(jī)泥沙計算方法，且不同抽水蓄能電站的工程特性有一定差別；因此，在進(jìn)行濰坊抽水蓄能電站過機(jī)泥沙估算時，不能照搬其他已有成果。本文先對濰坊和寶泉抽水蓄能電站進(jìn)行工程類比，分析工程特性差別對過機(jī)泥沙的影響，對寶泉抽水蓄能電站的過機(jī)泥沙計算采用“寶泉公式”進(jìn)行改進(jìn)，來計算濰坊抽水蓄能電站過機(jī)泥沙。

4.1 類比條件

寶泉和濰坊抽水蓄能電站特性比較情況如表3所示。

表3 寶泉和濰坊抽水蓄能電站特性比較

4.2 寶泉抽水蓄能電站物理模型試驗成果

文獻(xiàn)[7]試驗成果表明：除床面泥沙起懸影響外，過機(jī)含沙量的大小取決于上游來水來沙量、進(jìn)出水口高程、沿程淤積等主要因素。根據(jù)觀測結(jié)果建立不同淤積水平年條件下，入庫含沙量與抽水過機(jī)含沙量關(guān)系式。在進(jìn)、出水口淤積高程可事先預(yù)測的前提下，分析各式間的系數(shù)變化關(guān)系如

(1)

式中，Dz為進(jìn)/出水口累計淤積厚度，m；S入庫為入庫含沙量，kg/m3；S抽水為抽水過機(jī)含沙量，kg/m3。

4.3 濰坊抽水蓄能電站過機(jī)含沙量估算

由表3可以看出，寶泉和濰坊抽水蓄能電站的多年平均入庫懸移質(zhì)含沙量比較接近，都是懸移質(zhì)沙量集中在汛期7月和8月；并且來沙從入庫到壩前已經(jīng)歷了約6 km長河段的淤積。其次，兩個電站抽水時段接近；而洪水歷時一般為24 h，洪峰期較短，洪峰本身不一定與抽水時間相遇。另外，電站發(fā)電時將會有大部分的由下水庫抽入上庫的泥沙自上庫返回，再加上一些防止泥沙過機(jī)的措施；因此兩個電站入庫泥沙有相近的條件。鑒于濰坊抽水蓄能電站下水庫進(jìn)出水口與壩址的距離小于寶泉抽水蓄能電站，本階段濰坊抽水蓄能電站過機(jī)含沙量先分析進(jìn)出水口與壩址的距離差可能帶來的過機(jī)含沙量差別，然后參考“寶泉公式”，采用一定的改進(jìn)措施進(jìn)行過機(jī)含沙量計算。

由泥沙擴(kuò)散理論中“懸浮指標(biāo)”[8]的概念：當(dāng)懸浮指標(biāo)Z(Z=ω/κU*。其中，ω為單顆粒泥沙在靜水中的沉速，m/s；κ為卡門常數(shù)，取κ=0.4；U*為摩阻流速，m/s)< 5.0時，某粒徑的泥沙顆粒能夠在相應(yīng)的河流里起懸；當(dāng)Z≥ 5.0時某粒徑的泥沙顆粒不能夠在相應(yīng)的河流里起懸。經(jīng)過計算，對于進(jìn)出水口處的水流，粒徑d=0.03 mm對應(yīng)的懸浮指標(biāo)值約為5.0；結(jié)合實測懸移質(zhì)泥沙級配成果可知，粒徑小于0.03 mm的沙重百分?jǐn)?shù)為約35%，即有約35%的懸移質(zhì)泥沙在進(jìn)出水口處可以起懸。而在距離壩前1.5 km處d=0.1 mm對應(yīng)的懸浮指標(biāo)值仍小于5.0，說明在距離壩前1.5 km處，小于0.1 mm的泥沙全部可以起懸。基于以上分析，本階段濰坊抽水蓄能電站過機(jī)含沙量取“寶泉公式”計算結(jié)果的0.35倍。

按式(1)計算結(jié)果的0.35倍估算濰坊抽水蓄能電站各月過機(jī)含沙量，即按式(2)估算濰坊抽水蓄能電站各月過機(jī)含沙量

(2)

根據(jù)推算得到的下水庫逐月入庫徑流成果、嵩山水庫建庫前和現(xiàn)狀水位-庫容曲線，經(jīng)過試算得到汛期(5月～10月)流量和輸沙率之間的關(guān)系如下

(3)

式中，Qs為懸移質(zhì)輸沙率，kg/s；Qm為洪峰流量，m3/s。

發(fā)生100年一遇(P=1%)、50年一遇(P=2%)、20年一遇(P=5%)、10年一遇(P=10%)、5年一遇(P=20%)洪水及多年平均流量情況下，可由式(2)得到不同頻率洪水對應(yīng)的入庫含沙量S入庫，然后采用式(3)可推算得到發(fā)生不同頻率洪水時的抽水含沙量作為過機(jī)含沙量，見表4。

表4 發(fā)生不同頻率洪水時的濰坊抽水蓄能電站過機(jī)含沙量成果

5 結(jié) 語

本文分析了濰坊抽水蓄能電站下水庫泥沙特性，開展了下水庫泥沙淤積及回水計算。借鑒寶泉抽水蓄能電站過機(jī)泥沙計算方法成果，根據(jù)泥沙紊動擴(kuò)散理論，在工程類比的基礎(chǔ)上，通過對“寶泉公式”進(jìn)行改進(jìn)，推算得到了濰坊抽水蓄能電站發(fā)生不同頻率洪水時的過機(jī)含沙量。遇到同類工程時，建議按以下方法預(yù)測過機(jī)泥沙。

(1)分析工程下水庫泥沙特性，開展下水庫泥沙淤積及回水計算。

(2)根據(jù)河流動力學(xué)相關(guān)理論，在工程類比的基礎(chǔ)上，分析具體工程和寶泉抽水蓄能電站的差別，對“寶泉公式”進(jìn)行改進(jìn)。

(3)利用改進(jìn)的“寶泉公式”進(jìn)行具體抽水蓄能電站過機(jī)泥沙預(yù)測。