尚義抽水蓄能電站下水庫泄洪排沙設(shè)計研究

摘要：尚義抽水蓄能電站下水庫所在東洋河，年平均輸沙量約223.3萬t，若不設(shè)攔、排沙措施，電站運行約12 a后上、下水庫將被淤滿，河水中較粗的泥沙顆粒將嚴重磨損水輪機。為有效減少洪水入庫泥沙量和過機泥沙對機組的磨損，在下水庫設(shè)置攔沙壩并在壩上游右岸設(shè)置泄洪排沙洞，攔沙壩下游為蓄能專用庫，蓄能專用庫采用“補清排渾”的運行方式。遇低于30 a一遇標準洪水時通過泄洪排沙洞敞泄；遇超30 a一遇洪水時通過泄洪排沙洞和溢流攔沙壩入蓄能專用庫。蓄能專用庫下游攔河壩泄洪設(shè)施采用“3表孔+1底孔”方案，該方案具有壩身開孔少，水流歸槽、消能、排沙效果好，水庫放空檢修、管理方便的優(yōu)點。經(jīng)分析計算，電站運行100 a后，約98.29%入庫沙量通過泄洪排沙洞排至下游河道，將大大減少水庫泥沙淤積量，過機沙量滿足水輪機安全運行要求。

關(guān) 鍵 詞：泄洪排沙；攔沙壩；蓄能專用庫；尚義抽水蓄能電站；東洋河

中圖法分類號：TV653 文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.030

0 引言

尚義抽水蓄能電站位于河北省張家口市尚義縣。電站總裝機容量1 400 MW，安裝4臺單機容量350 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機。樞紐工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)和地面開關(guān)站等建筑物組成，屬Ⅰ等大（1）型工程。下水庫為Ⅳ等工程，其主要建筑物級別為Ⅳ級建筑物。擋水及泄水建筑物設(shè)計洪水標準為200 a一遇，相應(yīng)洪峰流量為3 290 m³/s；校核洪水標準為1 000 a一遇，相應(yīng)洪峰流量為4 610 m³/s。消能防沖建筑物設(shè)計洪水標準為100 a一遇，相應(yīng)洪峰流量為2 740 m³/s。

下水庫位于東洋河主河道上，由攔沙庫和蓄能專用庫組成。壩址控制流域面積為3 658 km²，河床為沙質(zhì)河床。根據(jù)壩址區(qū)附近水文站1952～2016年實測資料，歷史上超過20 a一遇洪水4次，超過30 a一遇洪水1次。下水庫壩址多年平均流量4.19 m³/s，多年平均年徑流量1.32億m³。6～9月徑流占全年水量的65.4%，冬季（12月至次年2月）徑流量僅占年水量的4.2%。汛期洪水挾沙來沙量較大，6～8月泥沙占全年沙量的93.7%，有沙量較水量集中的特點。壩址區(qū)多年平均含沙量約為21.6 kg/m³，實測最大含沙量147 kg/m³，年平均輸沙量約223.3萬t（泥沙1.3 t/m³），泥沙問題突出。

1 問題的提出

經(jīng)分析計算^［1］，若不考慮攔、排沙措施，電站運行約12 a后，下水庫總?cè)霂焐沉窟_0.26億t，其中通過攔河壩總出庫沙量0.04億t，占總?cè)霂焐沉康?5.38%；下水庫總淤積量0.10億t，占總?cè)霂焐沉康?8.46%。下水庫淤積達到769萬m³，約占正常蓄水位以下庫容877萬m³的87.69%；上水庫總淤積量0.12億t，占下水庫總?cè)霂焐沉康?6.15%。上水庫累計淤積達到約923萬m³，約占上水庫正常蓄水位以下庫容930萬m³的99.24%，正常蓄水位以下庫容幾乎被淤滿。同時含沙量遠大于水輪機對過機沙量的要求（通常過機含沙量需小于0.05 kg/m³），對機組磨損十分嚴重，不滿足抽水蓄能電站機組對水質(zhì)的要求^［2-3］。

1.1 洪水特性和峰型

東洋河流域經(jīng)常出現(xiàn)局部地區(qū)短歷時暴雨，洪水也多為局部性洪水。流域內(nèi)河道坡度較大，各支流溝短坡陡，植被稀少，洪水具有源短流急、驟漲驟落的特點。年最大洪水多出現(xiàn)在7、8兩月，僅個別年份出現(xiàn)在6月。洪水年際變化特點與降雨量基本相同，實測年最大流量的最大值與最小值之比為82.7倍，具有年際變化大的特點。洪水主要以區(qū)間洪水為主，洪水峰高量大，以雙峰為主，洪水歷時一般1 d左右，100 a一遇洪水歷時約3 d。洪水入庫歷時較短，對泄洪消能不利。

1.2 入庫沙量計算

壩址上游約35 km處友誼水庫1964年12月建成后采用蓄洪運用，泥沙全部淤積在庫內(nèi)。根據(jù)實測泥沙資料，推算友誼水庫-壩址區(qū)間多年平均懸移質(zhì)沙量為203萬t。參考流域下游官廳水庫推懸比為9.38%^［4］，下水庫壩址推懸比取10%，則下水庫壩址推移質(zhì)沙量為20.3萬t，下水庫多年平均入庫總沙量為223.3萬t/a。

預(yù)計2088年起，友誼水庫淤積平衡后只攔截推移質(zhì)泥沙，懸移質(zhì)泥沙全部出庫。經(jīng)計算多年平均出庫懸移質(zhì)沙量為77.0萬t，則下水庫多年平均懸移質(zhì)沙量為280.0萬t，多年平均推移質(zhì)沙量為20.3萬t，多年平均入庫總沙量300.3萬t/a。

1.3 泥沙顆分與化學成分

根據(jù)懸移質(zhì)沙樣顆粒級配分析成果，懸移質(zhì)泥沙的平均粒徑為0.02 mm，中數(shù)粒徑為0.033 mm，見表1。河床質(zhì)泥沙級配見表2，中數(shù)粒徑為15.0 mm，平均粒徑為34.0 mm。

泥沙的主要礦物成分含量比較穩(wěn)定，不隨季節(jié)發(fā)生明顯的變化。莫氏硬度大于5的礦物成分主要是石英和長石，軟礦物主要是蒙脫石、云母、高嶺土和方解石，硬礦物約占總量的50.4%。較粗的泥沙顆粒對水輪機磨損嚴重^［5］。

1.4 下水庫設(shè)計

由于該河道泥沙問題突出，為有效減少洪水入庫泥沙量和過機泥沙對機組的磨損，下水庫需形成清水水庫。根據(jù)下水庫可選庫址區(qū)域地形條件，東洋河兩岸均為土質(zhì)陡岸，坡度一般為30°～45°，不具備修建岸邊式水庫條件^［6］。借鑒其他抽蓄項目成功經(jīng)驗，為保證“清水庫”需要，下水庫利用彎曲河道分別在上、下游設(shè)置攔沙壩、攔河壩^［7-9］。攔沙壩上游為攔沙庫，壩前右岸設(shè)置泄洪排沙洞；攔沙壩下游為蓄能專用庫，主要建筑物有攔河壩和下水庫進/出水口等建筑物組成（圖1）。攔沙壩及泄洪排沙洞負責攔洪排沙，采用“補清排渾”運行方式，即在沒有發(fā)生洪水時通過埋設(shè)在攔沙壩壩體內(nèi)的補水鋼管將攔沙庫內(nèi)清水向蓄能專用庫補水；洪水期通過泄洪排沙洞（兼施工期導流洞）敞泄排沙，部分超標洪水溢流攔沙壩入蓄能專用庫泄放。

攔沙壩、攔河壩均為碾壓混凝土重力壩。蓄能專用庫正常蓄水位934.00 m，死水位896.00 m，正常蓄水位庫容940.09萬m³，調(diào)節(jié)庫容877萬m³，死庫容為63.09萬m³。攔沙庫設(shè)計洪水位936.66 m，校核洪水位為937.75 m，30 a一遇洪水水位為933.98 m。攔沙庫最高蓄水位921.00 m以下庫容363萬m³。

受蓄能專用庫水位消落深度和攔沙壩高度的影響，攔沙庫水頭較低（30 m左右），單條泄洪洞泄量約1 100 m³/s左右，如全部采用庫外岸邊泄洪洞方式泄放，需要布置約4條泄洪洞，從現(xiàn)場地形條件來看較為困難。根據(jù)現(xiàn)場地形，單條泄洪排沙洞長度約1 km，經(jīng)樞紐布置、經(jīng)濟上比較，右岸布置一條泄洪排沙洞較為經(jīng)濟^［10-11］。

1.5 超標洪水泄洪排沙問題

經(jīng)分析計算^［1］，設(shè)置攔沙庫且運行100 a后，攔沙庫總?cè)霂焐沉繛?.53億t，其中約2.49億t通過泄洪排沙洞排至下游河道，占總?cè)霂焐沉康?8.29%。約400萬t淤積在攔沙庫中，占總?cè)霂焐沉?.64%。約4.2萬t淤積在下水庫中，占總?cè)霂焐沉?.02%。約13.1萬t淤積在上水庫中，占總?cè)霂焐沉?.05%。攔沙庫的設(shè)置，一方面減少了進入下水庫的沙量；另一方面通過在汛期泄洪排沙洞的敞泄，提高了攔沙庫的排沙比。溢流進蓄能專用庫的含沙量最高為130 kg/m³左右，1 d后蓄能專用庫內(nèi)的含沙量可減小到0。過機泥沙的含沙量最大值約為0.027 kg/m³，較不修攔沙壩情況下的過機含沙量（最大值約為0.85 kg/m³）明顯減小。過機泥沙中值粒徑為0.012 mm，小于不修攔沙壩情況下的過機泥沙中值粒徑（0.02 mm）。

2 超標準泥沙淤積計算分析

2.1 入蓄能專用庫洪水標準

通過對泄洪排沙洞遇20，30，50 a一遇洪水標準不入蓄能專用庫技術(shù)經(jīng)濟分析、比較^［10-11］，3個方案樞紐布置上并無本質(zhì)區(qū)別，均可行。從投資上看，50 a一遇方案投資最大，比30 a一遇方案多3 096萬元。30 a一遇與20 a一遇方案差別不大，僅多517萬元，見表3。

考慮電站所在區(qū)域?qū)俑珊档貐^(qū)，發(fā)生超30 a一遇洪水的概率較低，同時為降低洪水入蓄能專用庫對電站運行的不利影響，兼顧經(jīng)濟性，下水庫最終采用30 a一遇標準洪水不入蓄能專用庫設(shè)計。對于高于30 a一遇的洪水采用攔沙庫泄洪排沙洞和攔沙壩溢流壩段共同泄洪，洪水通過攔沙壩溢流壩進入蓄能專用庫后，再通過攔河壩泄洪設(shè)施泄流。

經(jīng)分析計算，下水庫校核洪水標準為1 000 a一遇，相應(yīng)洪峰流量為4 610 m³/s，其中泄洪排沙洞最大下泄流量為1 198 m³/s，攔沙壩溢流壩段最大下泄流量3 412 m³/s；廠房發(fā)電流量378 m³/s，疊加后攔河壩最大下泄流量為3 790 m³/s。

2.2 泥沙淤積計算

（1）攔沙庫。根據(jù)東洋河水文、泥沙資料情況，參考其他類似工程，采用平衡比降法估算攔沙庫淤積平衡狀態(tài)下的庫區(qū)形態(tài)。造床流量取2 a一遇洪水，洪峰流量為248 m³/s，對應(yīng)壩前水位912.50 m，淤積體將在泄洪排沙洞口前形成沖沙漏斗。經(jīng)斷面法估算，攔沙庫淤積平衡狀態(tài)下，總淤積量約為66.5萬m³，庫容損失率約為8.7%。

（2）蓄能專用庫。蓄能專用庫入庫沙量主要包括初蓄期、補水期、超標準洪水3個時段。根據(jù)各月蓄水量、多年月平均含沙量、懸移質(zhì)泥沙顆粒級配等資料，考慮蓄水、補水避開主汛期來沙量較集中時段和下水庫泄洪排沙、補水設(shè)施的防沙效果。經(jīng)計算初蓄期入庫沙量約6.06萬t，正常運行期補水每年入庫泥沙約0.19萬t，發(fā)生一次超30，50，100 a一遇標準水翻壩淤積量分別為39萬，66萬，119萬t。

經(jīng)分析計算，30 a一遇以上、50 a一遇以下洪水入庫時，綜合考慮水文特性、電站運行方式、發(fā)電工況下進/出水口流態(tài)等因素，進/出水口泥沙淤積基本不影響電站正常運行，不需單獨清淤。若多次發(fā)生30 a一遇以上洪水或機組檢修期間發(fā)生上述頻率洪水等特殊工況，需對進/出水口清淤排沙。

2.3 蓄能專用庫泄洪排沙方案對比分析

攔河壩處河道狹窄，兩岸山勢陡峻，壩身最多可布置3表孔+2個底孔或2中孔，為此擬定了方案一“三表孔（9.0×10.0 m）+雙底孔（5×6 m）”、方案二“三表孔（9.0×10.0 m）+雙中孔（5×6 m）”、方案三“三表孔（9.0×12.5 m）+單底孔（5×6 m）”進行分析研究。

通過計算分析和水工模型試驗^［12-16］，方案一中底孔采用底流消能，表孔挑流水舌擊打底孔消力池右邊墻，沖刷邊墻基礎(chǔ)，對消力池邊墻側(cè)向穩(wěn)定存在不利影響。方案二中雙中孔底板高程較方案一抬高10 m，底板高程以下泥沙將無法排出，排沙作用有限，且排水時間較長。方案三單底孔較方案一雙底孔抬高3 m，較方案二中雙中孔低7 m，采用挑流消能，避免了方案一表孔挑流水舌沖刷消力池基礎(chǔ)、方案二排沙作用有限問題；同時，方案三中底孔壩段寬度由方案一、方案二的22 m縮短至14.5 m，底孔挑射水流中心更加偏向河道中部位置，水流歸槽效果更優(yōu)；挑射水流更加遠離壩腳，優(yōu)化了下游河道防護區(qū)域。方案三同時具有樞紐布置簡單、壩身開孔少的優(yōu)點，可一定程度加快施工進度，較方案二更好地實現(xiàn)了放空檢修、排沙功能。方案三與方案一相比投資可節(jié)省約2 530萬元，與方案二相比投資節(jié)省603萬元。3個方案泥沙淤積量和放空時間見表4。

考慮攔沙庫和蓄能專用庫均具備一定的調(diào)蓄能力，在不同洪水頻率下，下水庫泄洪設(shè)施洪水調(diào)節(jié)成果見表5。下水庫最終采用1條泄洪洞和攔河壩上布置3個表孔和1個底孔的泄洪方式，在不同頻率洪水下，泄流能力均滿足要求。

3 水庫運行方式及清淤方案

3.1 下水庫運行方式

（1）當洪水不超過30 a一遇設(shè)計洪水時，天然洪水不入蓄能專用庫，通過泄洪排沙洞敞泄。

（2）當發(fā)生超30 a一遇洪水時，洪水入蓄能專用庫影響期間只發(fā)電運行。發(fā)電完成后，待蓄能專用庫洪水退去庫水沉淀完成再抽水。

（3）當蓄能專用庫水位達到設(shè)計洪水位934 m并有持續(xù)上漲趨勢時，應(yīng)適時停止發(fā)電，通過泄洪設(shè)施泄放洪水，以保證大壩安全。

（4）經(jīng)分析，攔沙庫6月上旬、9月最高蓄水位控制在918.00 m，6月中旬至8月敞泄排沙，9月可全月為蓄能專用庫補水。攔沙庫10月至次年5月攔沙庫最高蓄水位為921.00 m，攔沙庫915.00～921.00 m水位間的庫容為169萬m³，可滿足10月至次年5月蓄能專用庫的補水要求。

3.2 清淤方案

抽水蓄能電站實際運行過程中，因電站難以達到設(shè)計的滿發(fā)利用小時數(shù)，電站具備在洪水過后利用上水庫剩余水量放水沖泄進/出水口泥沙的條件。根據(jù)模型試驗研究成果，1號、2號雙機發(fā)電工況下（出流），部分區(qū)域流速大于泥沙起動流速，能被帶出進/出水口。超30 a一遇洪水入庫后，洪水影響期間適當發(fā)電運行，帶走進/出水口區(qū)域部分泥沙。

蓄能專用庫正常蓄水位總面積約32.46萬m²，其中進/出水口淤積面積約5 763 m²，不考慮發(fā)電時帶走的部分泥沙，經(jīng)計算50 a一遇洪水進入下水庫進/出水口淤積量9 055 m³，落淤平均厚度1.57 m，小于前池前端坎高2.25 m?？刹捎盟_挖或者絞吸式挖泥船對進/出水口進行排沙清淤，如采用水力沖挖抽排時，按含沙率不大于20%，需抽排水沙總量為4.53萬m³，抽排能力按1 000 m³/h的規(guī)模，約需抽排2 d。當下水庫發(fā)生100 a一遇及以上超標洪水時，入庫洪水帶來的泥沙在淤滿死庫容的基礎(chǔ)上還會侵占調(diào)節(jié)庫容，蓄能專用庫需采取整體清淤措施。

4 結(jié)論

（1）尚義抽水蓄能電站下水庫位于干旱地區(qū)多泥沙河流，綜合考慮泄洪、排沙及導流等要求，按照壩體工程量相當?shù)脑瓌t，通過設(shè)置攔沙壩，汛期低于30 a一遇標準洪水通過攔沙壩上游泄洪排沙洞敞泄；超30 a一遇洪水通過泄洪排沙洞和溢流攔沙壩入蓄能專用庫后通過攔河壩泄洪設(shè)施泄流。電站運行100 a后，約98.29%入庫沙量通過泄洪排沙洞排至下游河道，大大減少了水庫泥沙淤積量，同時可以降低過機含沙量從而降低過機泥沙對水輪機葉片的磨損，減輕了洪水過程對電站正常運行的影響。

（2）攔河壩泄洪排沙設(shè)施，經(jīng)過工程布置、消能防沖、施工組織和運行期泥沙淤積、水庫放空、電站運行等方面分析比較，方案三“三表孔+單底孔”避免了方案一表孔挑流水舌沖刷消力池基礎(chǔ)、方案二排沙作用有限問題，底孔挑射水流中心更加偏向河道中部位置，水流歸槽效果更優(yōu)；挑射水流更加遠離壩腳，優(yōu)化了下游河道防護區(qū)域。方案三同時具有樞紐布置簡單、壩身開孔少，可一定程度加快施工進度，較方案二更好地實現(xiàn)了放空檢修、排沙功能，電站建設(shè)和運行綜合費用相對較低，運行安全、水庫放空檢修、管理方便。

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（編輯：黃文晉）