基于抽水蓄能電站的下游河道水利特性優(yōu)化分析

李?；?/p>

(華北電力大學(xué),北京 100096)

0 引 言

現(xiàn)實(shí)地質(zhì)條件的限制會(huì)促使抽水蓄能電站的布置形式發(fā)生變化,其設(shè)計(jì)布局通常會(huì)影響到下游河道的水流沖刷等[1-2]。同時(shí),下水庫(kù)建成后,與下游河段的水位相差很大,若不采取相應(yīng)的防護(hù)措施,可能會(huì)對(duì)水工建筑物和下游河道造成嚴(yán)重的損害[3-4]。為此,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。周望武[5]對(duì)梅州的抽水蓄能電站進(jìn)行了深入分析,并對(duì)消能率進(jìn)行了探討,為降低下游河道沖刷提供了幫助。Alfredsen K等[6]將巴西、加拿大等國(guó)家的水電開(kāi)發(fā)進(jìn)行了比較分析,為減少水電發(fā)展中的生態(tài)破壞提供了建設(shè)性意見(jiàn)。孟健[7]對(duì)泄洪隧洞的消能特性進(jìn)行了分析,從而有效提升了泄洪洞的消能效率。

在此背景下,本文對(duì)抽水蓄能電站的下游河道水力特性進(jìn)行研究與優(yōu)化,旨在減少下游水流流態(tài)紊亂、偏轉(zhuǎn)等不利情況的出現(xiàn),降低對(duì)下游河道的破壞,并改進(jìn)水庫(kù)的建設(shè)。

1 基于抽水蓄能電站的下游河道水利特性優(yōu)化研究

1.1 抽水蓄能電站的水庫(kù)水利特性分析

針對(duì)設(shè)計(jì)與運(yùn)行偏差導(dǎo)致的泄洪道下泄水流流態(tài)紊亂的問(wèn)題,本研究在物理模型的基礎(chǔ)上,對(duì)撫寧抽水蓄能電站的下游河道水利特性進(jìn)行研究?jī)?yōu)化分析,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。抽水蓄能電站是指在電網(wǎng)處于低谷時(shí),將電力輸送至上游水庫(kù),在高峰時(shí)段將其排入下游發(fā)電的電站。其可以在電網(wǎng)負(fù)荷較低的情況下,在高峰期間把多余的電力轉(zhuǎn)化為高附加價(jià)值的電力,并可用于調(diào)頻、穩(wěn)態(tài)周波、電壓等,同時(shí)可作為應(yīng)急備用以及提高火力發(fā)電廠和核動(dòng)力裝置的工作效率[8-9]。根據(jù)不同的情況,可以將抽水蓄能電站分為不同的類(lèi)型,其內(nèi)容見(jiàn)圖1。

圖1 抽水蓄能電站分類(lèi)類(lèi)型內(nèi)容

從圖1可以看出,根據(jù)有無(wú)自然徑流的存在,將抽水蓄能電站劃分為純抽水和混合抽水蓄能電站;根據(jù)調(diào)節(jié)能力的不同,可分為日調(diào)節(jié)、周調(diào)節(jié)、季節(jié)調(diào)節(jié);根據(jù)所安裝的抽水蓄能裝置的種類(lèi),可劃分為四機(jī)分置式、三機(jī)串聯(lián)式和二機(jī)可逆式;按排列特征可將其劃分為首部、中部、尾部;按照其運(yùn)行工況,可以分為靜止、發(fā)電、抽水、發(fā)電調(diào)相以及抽水調(diào)相;按照啟動(dòng)方式,可分為靜止變頻啟動(dòng)和背靠背啟動(dòng)。抽水蓄能電站在調(diào)整電網(wǎng)的運(yùn)行過(guò)程中,主要依靠電站上下兩個(gè)水庫(kù)的流量進(jìn)行交換,因此在設(shè)計(jì)中必須考慮到兩個(gè)方向的流量。如果上水庫(kù)漏水,可造成大量的水資源流失、抽水以及電力損耗,因此在抽水蓄能電站上進(jìn)行水庫(kù)的防滲是十分必要的。

抽水蓄能電站的特點(diǎn)與一般水電站有較大區(qū)別,它通過(guò)輸水建筑物在上下兩個(gè)水庫(kù)之間進(jìn)行流量的交換。電站上下水庫(kù)的水位在正常水位和正常水位之間變化,如果在發(fā)電過(guò)程中遇到洪水,自然洪峰和發(fā)電站的水量就會(huì)相互影響,尤其是水庫(kù)的調(diào)節(jié)能力不強(qiáng),自然洪峰的流量又較大的情況下,其安全問(wèn)題尤為突出。因此,與傳統(tǒng)的水電站相比,蓄能電站的蓄水調(diào)整和排水結(jié)構(gòu)的設(shè)置要復(fù)雜得多。在抽水蓄能電站下水庫(kù)泄水建筑物的布局中,一般采用岸上溢洪道和小型泄洪洞相結(jié)合、壩體溢洪道和大流量泄洪洞結(jié)合、大型泄洪洞獨(dú)立泄洪。另外,抽水蓄能電站的特點(diǎn)還有產(chǎn)能增長(zhǎng)大、發(fā)展速度快、發(fā)電系統(tǒng)中作用重要、技術(shù)成熟等。

在實(shí)際水利工程中,抽水蓄能電站的作用主要是電力調(diào)動(dòng)管理。首先是解決電網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題日趨突出的情況;其次是充分發(fā)揮調(diào)壓調(diào)相的功能,確保電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定;最后則是保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行,充分發(fā)揮應(yīng)急后備功能。此外,抽水蓄能電站的可逆水泵-電力電動(dòng)機(jī)組運(yùn)行工況、監(jiān)控對(duì)象、自動(dòng)化元件都比較多,信息量較大,其運(yùn)行要求也較傳統(tǒng)的水電站控制系統(tǒng)要高。目前,已建成的抽水蓄能電站在運(yùn)行和管理上均達(dá)到較高的水準(zhǔn),主要體現(xiàn)在人員精簡(jiǎn),基本實(shí)現(xiàn)無(wú)人或少人工作;總體效率較高,總體綜合效率約75%;設(shè)備的可用率和啟動(dòng)成功率都比較高。

1.2 物理模型實(shí)驗(yàn)理論方法研究

為了直觀地分析抽水蓄能電站下游河道的水利特性,本研究采用物理模型的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)操作。在物理模型中,重要的泄洪建筑物分別為岸邊側(cè)槽溢洪道和泄洪放空洞。側(cè)槽溢流設(shè)計(jì)方案為溢流式,包括溢流堰、消力池段等,其具體設(shè)計(jì)內(nèi)容見(jiàn)圖2。

圖2 側(cè)槽溢流具體設(shè)計(jì)內(nèi)容

從圖2可以看出,溢洪道從溢流堰到消力池段總計(jì)321.1m。其中,溢流堰總計(jì)50m,高5m;側(cè)槽的首部底寬約2.5m,高程約218m,底板厚度1.5m,而出口的底寬和高程分別為5和213m。側(cè)槽的底坡設(shè)置為11%,側(cè)槽內(nèi)側(cè)的坡比設(shè)定為1:0.6。溢洪道下泄最大流量210.6m3/s。當(dāng)處于全開(kāi)工況時(shí),其流量系數(shù)計(jì)算公式如下:

(1)

式中:m為溢洪道全開(kāi)時(shí)的流量系數(shù);P為泄量;B為閘孔的寬度;g為重力加速度;H為溢流堰堰頂以上的水頭。

當(dāng)處于局部打開(kāi)時(shí),其流量系數(shù)計(jì)算公式如下:

(2)

式中:μ為溢流堰局部打開(kāi)時(shí)的流量系數(shù);e為閘門(mén)的開(kāi)啟高度。

工程導(dǎo)流階段的泄洪放水孔是無(wú)壓力的,而在操作階段工作閘門(mén)前是有壓力的[10]。泄洪洞為短壓進(jìn)口結(jié)構(gòu),包括導(dǎo)流段、底流消能段和護(hù)坦段等。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容見(jiàn)圖3。

圖3 泄洪放空洞具體設(shè)計(jì)內(nèi)容

從圖3可以看出,泄洪放空洞從進(jìn)口閘室開(kāi)始至消力池為止,全長(zhǎng)總計(jì)448.5m。其中,進(jìn)口閘室選用岸塔式的方式進(jìn)行布置,其閘室底部的高程總計(jì)180m,段長(zhǎng)總計(jì)26m,底坡4.7%,下泄最大流量743.6 m3/s。在物理模型數(shù)據(jù)中,洪水起始水位是在最低發(fā)電量與正常水位之間的任何一種可能水位。撫寧抽水蓄能電站在滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求的前提下,在調(diào)整時(shí)充分考慮到機(jī)組在不同的發(fā)電量和洪水之間的相互影響。同時(shí),在天然洪水進(jìn)入下游水庫(kù)后,要及時(shí)開(kāi)閘泄洪,將庫(kù)水排出,并嚴(yán)格控制下庫(kù)水位,以保證蓄能電站正常運(yùn)行時(shí)的調(diào)蓄能力,防止發(fā)電量過(guò)多和人為洪峰。

為了防止人為洪災(zāi),調(diào)整期間,洪峰前的下泄水量不得超過(guò)入庫(kù)洪水;洪峰過(guò)后,下游的下泄水量不會(huì)超過(guò)最大的洪水。同時(shí),要確保水庫(kù)的發(fā)電量,防止出現(xiàn)過(guò)多的洪水。在考慮到洪峰和機(jī)組的出力時(shí),應(yīng)采取不同的操作模式。在出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)200年或更高的特別洪水、下水庫(kù)水位超出設(shè)計(jì)洪峰水位并有繼續(xù)上升的趨勢(shì)時(shí),電站必須停止運(yùn)行,利用泄洪設(shè)備進(jìn)行泄洪。因此,抽水蓄能電站的特征水位和泄量見(jiàn)圖4。

圖4 抽水蓄能電站的特征水位和泄量

從圖4可以看出,物理模型實(shí)驗(yàn)工況總計(jì)4個(gè),分別為校驗(yàn)洪水并將泄洪洞閘門(mén)全開(kāi)(工況1)、設(shè)計(jì)洪水并將泄洪洞閘門(mén)全開(kāi)(工況2)、泄洪洞閘門(mén)的局開(kāi)并設(shè)計(jì)防沖洪水(工況3)以及洪水常遇并將泄洪洞閘門(mén)局開(kāi)(工況4)。

在校驗(yàn)洪水并將泄洪洞閘門(mén)全開(kāi)中,最大泄洪總量954.2 m3/s。溢洪道為210.6 m3/s,泄洪洞為743.6m3/s,水庫(kù)內(nèi)最高水位224.59m,而下游水位168.04m。在設(shè)計(jì)洪水并將泄洪洞閘門(mén)全開(kāi)中,最大泄洪總量728.2 m3/s。溢洪道為0m3/s,泄洪洞為728.2m3/s,水庫(kù)內(nèi)最高水位223m,而下游的水位167.29m。泄洪洞閘門(mén)的局開(kāi)并設(shè)計(jì)防沖洪水中,最大泄洪總量為642m3/s。溢洪道為0m3/s,泄洪洞為642m3/s,水庫(kù)內(nèi)最高水位223m,而下游水位166.99m。洪水常遇并將泄洪洞閘門(mén)局開(kāi)中,最大泄洪總量為53 m3/s。溢洪道為0 m3/s,泄洪洞為53m3/s,水庫(kù)內(nèi)最高水位2 239m,而下游水位163.84m。

最后,依據(jù)物理水工模型中的實(shí)驗(yàn)規(guī)程,將模型的初擬比尺取值為50。因此,整體的物理水工模型范圍包含上下游兩個(gè)的要求設(shè)計(jì),分別為上游段必須是來(lái)流平滑段,下游段要包含消能區(qū)下游段的水流通暢段?？傮w采用泄洪排水孔,從0～200m的上游至0～890m的泄洪洞,模型總長(zhǎng)度為218m。泄洪洞和進(jìn)水塔、溢流堰、消力池等均為有機(jī)玻璃材料。模型按設(shè)計(jì)單位提出的要求,將防沖速度設(shè)定為1～2m/s,平均設(shè)置為15m/s。

2 下游河道水利優(yōu)化效果分析

在已有數(shù)據(jù)分析結(jié)果下,將進(jìn)行常規(guī)的消能防沖性能測(cè)試。該測(cè)試通常以水工模型為基礎(chǔ),但由于河道水利優(yōu)化,應(yīng)將在建工程作為考慮,因此將進(jìn)行基于河工動(dòng)床模型的參數(shù)修正,從而代替既定的水工消能防沖。以某市境內(nèi)某蓄電站為例,進(jìn)行河工動(dòng)床模型修改實(shí)驗(yàn),修改后的結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 改造后河道分布

從圖5可以看出,原河道的地形建模中,針對(duì)河道左岸的深泓運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),下游的防護(hù)段前部的沖刷會(huì)疊加主流頂沖,會(huì)對(duì)左岸的防護(hù)進(jìn)行沖擊。這種情況會(huì)在水流經(jīng)過(guò)左面橋墩的情況下,對(duì)大橋下游的彎道頂點(diǎn)承載造成威脅,會(huì)直接影響到其安全性能。在修正結(jié)果中,將護(hù)底長(zhǎng)度縮減60m,且右岸的邊界與定床相連,右岸邊坡也被取消。此外,鑒于下游的護(hù)底深度僅1m,護(hù)坦難以抵擋沖刷。本研究還對(duì)下游沖刷深坑進(jìn)行處理,在完整的河工動(dòng)床模型下,對(duì)改進(jìn)前后的河道沖刷情況進(jìn)行性能測(cè)試,測(cè)試具體情況見(jiàn)表1。

表1 改進(jìn)前后沖刷性能測(cè)試結(jié)果

表1的原方案和改進(jìn)方案1的沖刷面積大于方案2和方案3。這是因?yàn)樗魇艿较芏沼绊?發(fā)生了二次跌落,左側(cè)的護(hù)坦會(huì)造成水流單寬流量增加,從而導(dǎo)致一部分水流沖刷下游邊坡,形成擾流沖刷;另一部分會(huì)隨主道水流沖刷,增加沖刷面積和深度。方案2和方案3的數(shù)據(jù)中,左岸430-480段沖刷面積遠(yuǎn)大于其他地帶。這是因?yàn)榉桨竷H保留了左岸的護(hù)坦下游面,沒(méi)有定床貼坡將加劇水面的二次跌落,原有動(dòng)床將被破壞,隨著沖刷進(jìn)行,深度能到6.5以上,存在安全隱患。

為了測(cè)試防沖性能,本研究記錄了各個(gè)位置的水位情況,結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 各個(gè)方案的河流水位情況

在圖6的水岸線情況中,隨著沖刷過(guò)程進(jìn)行,水位能達(dá)到總體下降。圖6(a)的左岸情況顯示,改進(jìn)方式均能改善護(hù)坦末的水位;圖6(b)的水位情況顯示,改善措施并未對(duì)右岸水位有所影響。因此,在各個(gè)方案下,能確保消能防沖條件的水流通過(guò)大橋,但護(hù)坦下游左岸以及下游右岸頂點(diǎn)處容易造成沖刷情況,扭面和下游河道銜接過(guò)程還需進(jìn)行基礎(chǔ)防護(hù)。

鑒于此,本研究將再進(jìn)行改進(jìn)實(shí)驗(yàn),以解決各種安全隱患問(wèn)題。本次實(shí)驗(yàn)將嘗試降低消力池底板,取消導(dǎo)墻和消力墩,護(hù)坦左岸扭面和貼坡也將被取消,以圍腳堰作為邊界;針對(duì)下游需防護(hù)問(wèn)題,將定制一個(gè)防護(hù)坡。在新的模型基礎(chǔ)上進(jìn)行防沖工況測(cè)試,以驗(yàn)證水利特性。工況設(shè)置將模擬洪水沖流參數(shù),工況1設(shè)置長(zhǎng)為40m、厚度為2m的護(hù)坦拋石;工況2將增設(shè)頂點(diǎn)防護(hù)拋石(12.5m×40m×2.5m);工況3對(duì)護(hù)坡末端增設(shè)3個(gè)拋石,左岸拋石與工況2拋石相仿,右岸拋石為15m×30m×5m。對(duì)新的優(yōu)化設(shè)置進(jìn)行消能防沖工況測(cè)試,水流情況見(jiàn)表2。

表2 洪水參數(shù)為1%的流速測(cè)試

表2中,洪水參數(shù)1%表示百年一遇洪水,這是所有洪水強(qiáng)度中最強(qiáng)的一種。在該條件下,流速最高能達(dá)到6.38m/s。工況2設(shè)置的拋石防護(hù)出現(xiàn)5.5m的沖刷坑,增大拋石厚度降低了沖刷坑的深度,并且當(dāng)流速過(guò)大時(shí),拋石將承受巨大沖擊。因此,改進(jìn)意見(jiàn)是舍棄密度較小的碎石堆積,選取柔性高強(qiáng)度的材料作為拋石。

另一個(gè)性能測(cè)試為河道的沖刷實(shí)驗(yàn),沖刷性能的變量為洪水強(qiáng)度,因此設(shè)置了各種力學(xué)參數(shù)沖刷實(shí)驗(yàn)。各條件下的流速數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 不同洪水參數(shù)條件下各地段的流速測(cè)試

表3工況測(cè)試中,包括強(qiáng)度最高的1%洪水沖刷測(cè)試,洪水能通過(guò)大橋,表明整體水利方案可行。在2%和5%的洪水強(qiáng)度下,水流直線流動(dòng),且水勢(shì)較猛,在此之下的洪水強(qiáng)度中水流會(huì)出現(xiàn)變向情況。上述導(dǎo)流組的強(qiáng)度與5%類(lèi)似,但下游的水勢(shì)演變結(jié)局較5%組別更緩。根據(jù)河道沖刷實(shí)驗(yàn)和工況測(cè)試結(jié)果,建議在下游40m處增設(shè)拋石,且拋石材料為柔性高強(qiáng)度,以抵御高強(qiáng)度沖擊;左岸的防護(hù)工程迎水面和下游右岸頂點(diǎn)處進(jìn)行加固防護(hù)。

3 結(jié) 論

抽水蓄能河道電站會(huì)在下水庫(kù)形成水位落差,在考慮洪水的情況下,需要進(jìn)行防護(hù)設(shè)置,使其水利特性容納泄洪與消能力。本研究針對(duì)原有的水工模型進(jìn)行分析,對(duì)消力池的各參數(shù)進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化,選擇將曲面挑坎和折流坎作為泄洪洞和溢洪入口的版型,并將優(yōu)化的河工動(dòng)床方案用于實(shí)際的水利特性優(yōu)化改進(jìn)實(shí)驗(yàn),在不同等級(jí)的洪水強(qiáng)度下,改進(jìn)方案能接受最高強(qiáng)度的洪水沖擊,最大流速出現(xiàn)在護(hù)坡末增設(shè)40m×2m拋石的沖擊條件,速度為6.38m/s?；谒匦詼y(cè)試結(jié)果,將在后續(xù)研究中增設(shè)防護(hù)方案優(yōu)化實(shí)驗(yàn),以增強(qiáng)消力池和下游河道的性能。