河南天池抽水蓄能電站典型斷面含沙量分布試驗(yàn)研究

張羽 馬曉 張石磊 王銀海

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

河南天池抽水蓄能電站典型斷面含沙量分布試驗(yàn)研究

張羽 馬曉 張石磊 王銀海

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

泥沙問題在抽水蓄能電站中，一直是工程運(yùn)行中所關(guān)注的主要問題。其對(duì)抽水蓄能電站的危害主要是：一方面，泥沙在庫區(qū)淤積，影響電站的庫容，對(duì)電站的興利運(yùn)行造成一定影響；另一方面，泥沙隨電站的運(yùn)行損毀設(shè)備。本文主要通過正態(tài)動(dòng)床模型試驗(yàn)手段，研究不同工況下庫區(qū)典型斷面含沙量分布及庫區(qū)淤積，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比、分析，探求允許過機(jī)泥沙的工程調(diào)度方案。

抽水蓄能；模型試驗(yàn)；泥沙；含沙量分布

抽水蓄能電站是利用上下水庫形成的巨大水頭差，在電網(wǎng)中負(fù)荷低谷時(shí)由下水庫抽水到上水庫蓄能，待電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(shí)，放水回到下水庫發(fā)電的水電站。自20世紀(jì)60年代后期，由于其良好的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相等作用，以及能提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率、穩(wěn)定性和安全性等，因而得到了長足的發(fā)展。河南天池抽水蓄能電站位于豫西南地區(qū)的黃鴨河流域，流域內(nèi)匯入支流的天然含沙量較低，其來沙量主要為汛期水流的挾沙作用引起。由于抽水蓄能電站水庫運(yùn)行水位長期保持在正常蓄水位和死水位之間，如果沒有合理的處置措施，泥沙極易淤積；如果水流攜帶泥沙過多，電站運(yùn)行將對(duì)水輪機(jī)等過流部位產(chǎn)生巨大的破壞作用，所以抽水蓄能電站對(duì)過機(jī)泥沙的控制要求較高。因此，對(duì)抽水蓄能電站水庫泥沙問題的研究非常必要，以制定合理的運(yùn)行調(diào)度方法和有效的防排沙措施。

1 模型的建立

針對(duì)河南天池抽水蓄能電站運(yùn)行過程中的泥沙問題，本文通過物理模型對(duì)庫區(qū)淤積和過機(jī)泥沙進(jìn)行研究，以制定合理的運(yùn)行調(diào)度方法和有效的防排沙措施。

根據(jù)惠遇甲、王桂仙、李昌華、張紅武等［1-4］學(xué)者模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論研究成果，試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用正態(tài)相似的方法，水平、垂直比尺均為1∶60，可以有效避免變態(tài)模型、縮尺效應(yīng)等不利條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

建立天池抽水蓄能電站上、下庫動(dòng)床實(shí)體模型，模擬下庫壩區(qū)2.4km范圍內(nèi)，模型試驗(yàn)布置見圖1。模型沙按照沉降相似條件，以及按照起動(dòng)（揚(yáng)動(dòng)）相似條件進(jìn)行綜合考慮；并結(jié)合以往的試驗(yàn)研究表明，樹脂離子作為模型沙基本滿足本次試驗(yàn)選沙要求。模型各相似關(guān)系見表1。通過驗(yàn)證試驗(yàn)表明，天池抽水蓄能電站上下庫實(shí)體模型對(duì)水流泥沙運(yùn)動(dòng)等的相似性滿足模型試驗(yàn)要求。

圖1 下庫河道模型橫斷面布置

表1 正態(tài)模型比尺總匯

2 試驗(yàn)工況

2.1 試驗(yàn)過程的選取

本次選定試驗(yàn)過程為10、20、30、40a和50a系列洪水過程，并選取10、20、30、50年一遇典型洪水一日洪峰進(jìn)行試驗(yàn)研究。典型洪水對(duì)應(yīng)水庫進(jìn)口含沙量見表2。

表2 典型洪水流量、含沙量

2.2 典型斷面的選定測點(diǎn)的布設(shè)

試驗(yàn)過程中分別布置3個(gè)斷面上的12條垂線上60個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行含沙量的測量，測點(diǎn)布置見表3。

2.3 含沙量的測定

試驗(yàn)中，使用帶標(biāo)尺的取樣桿分別對(duì)不同的試驗(yàn)過程、不同測線、不同相對(duì)水深中采集試樣（試樣的個(gè)數(shù)及極差、平均差等滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)的要求），通過計(jì)算分析，以求得其分布規(guī)律。

試驗(yàn)過程中，對(duì)比重瓶及天平進(jìn)行及時(shí)的率定，以滿足精度要求。取樣時(shí)，采用自制的取樣桿，對(duì)不同相對(duì)水深一次取樣，減小試驗(yàn)誤差。

試驗(yàn)時(shí)，利用正態(tài)模型相似原理，依據(jù)流量比尺、含沙量比尺、時(shí)間比尺等設(shè)計(jì)模型，以期滿足試驗(yàn)要求。

3 試驗(yàn)成果

3.1 長系列年下庫區(qū)的淤積分布

通過對(duì)各系列年試驗(yàn)后庫區(qū)河床地形的測量，得到10、20、30、40和50系列年后下庫區(qū)各河段的淤積量；實(shí)測干流黃鴨河各河段（典型斷面間）的沖淤量見圖2、3。由圖2、3可得：在10斷面以上河段，庫區(qū)河道為單一河道；10斷面以下河段，庫區(qū)河道分為兩支：右側(cè)一支由新開輸沙槽通往排沙洞和溢洪道，為新開河道；左側(cè)另一支由原Ω河灣經(jīng)攔沙潛堰，電站進(jìn)出水口通往溢洪道。因此，庫區(qū)淤積形態(tài)與河道形態(tài)和建筑物的運(yùn)用有密切的聯(lián)系。

圖3 下庫50年系列沿程淤積分布

分析各圖可以看出不同系列年下庫區(qū)的沿程淤積分布特點(diǎn)。從10年系列末看，10斷面以上、馬蹄河出口（20斷面）上下游各有一個(gè)重點(diǎn)淤積區(qū)，分別是15～16河段和20～22河段；27～28河段有局部回流淤積區(qū)。

表3 測線及測點(diǎn)布置

10斷面以下河道分為左右2支，泥沙主要淤積在新開的右支排沙槽河段，左支Ω河灣河段淤積相對(duì)較少；右支河段淤積占75%，而左支河段淤積僅占25%，而且明顯看出電站進(jìn)出水口前河段（6～7斷面）的泥沙淤積最小，這表明攔沙潛堰起到了明顯的攔沙作用，輸沙槽也很好地起到了拉沙、輸沙作用。

從50年系列末看，15斷面以上，沿程淤積很小，僅有馬蹄河出口上游有1個(gè)S微彎河段凸岸的局部淤積區(qū)和馬蹄河出口附近有一局部淤積區(qū)；10～15斷面間河段淤積明顯增加，且沿程遞增。

10斷面以下，右支輸沙槽河段淤積沿程比較均勻，仍是庫區(qū)淤積的主體，，占近壩區(qū)淤積總量的80%，而左支Ω河灣河段淤積相對(duì)較少，僅占淤積總量的15%。

3.2 典型洪水下庫區(qū)的典型斷面含沙量分布

在長系列年中，針對(duì)典型斷面實(shí)測了10、20、30、50年洪峰流量所對(duì)應(yīng)的含沙量，試驗(yàn)結(jié)果如圖4、5所示，上游不同來水來沙是電站進(jìn)出口含沙量見表4。

圖4 輸沙槽典型測線含沙量垂線分布

圖5 下水庫進(jìn)水口典型測線含沙量垂線分布

由試驗(yàn)成果可以得出，針對(duì)不同頻率典型洪水過程，各測沙斷面的各測線上的含沙量均隨洪峰流量及含沙量的增大有增大趨勢；含沙量沿程分布也隨洪峰流量計(jì)含沙量的增大而增加。

針對(duì)同一頻率洪水洪峰，一是同一測沙斷面的不同測線上的含沙量有不同的規(guī)律：攔沙淺堰處基本呈現(xiàn)自起點(diǎn)30m向側(cè)線末端減小趨勢，輸沙槽處表現(xiàn)為中部測線較大，而兩側(cè)較小，而下庫進(jìn)水口處則表現(xiàn)為兩側(cè)邊壁處較大，而中間較小。二是不同測沙斷面上，均表現(xiàn)為輸沙槽的含沙量為最大，且洪峰含沙量越大，輸沙槽的拉沙效果越明顯。三是含沙量沿程分布沿程減小，在Ω河灣前三岔口以后，由于輸沙槽的作用，含沙量分布有一個(gè)大的降落，且輸沙槽含沙量占到全部含沙量的70%左右。四是試驗(yàn)中測量不同來流含沙量經(jīng)水庫調(diào)度運(yùn)行后達(dá)到電站進(jìn)出水口時(shí)的含沙量，當(dāng)含沙量達(dá)到4kg/m3后，實(shí)測過機(jī)泥沙含量已經(jīng)超過過機(jī)泥沙的限制要求，電站蓄能運(yùn)行宜避開沙峰期。

表4 上游不同來水來沙時(shí)電站進(jìn)出口含沙量

4 結(jié)論

①典型洪水的時(shí)間很短，但次洪水淤積量很大，是庫區(qū)淤積的主體部分。10年一遇洪水淤積量占10年長系列淤積總量（平均值）的30%，50年一遇洪水淤積量就占10年長系列淤積總量（平均值）的82%。

②在不同頻率的典型洪水中，現(xiàn)有輸沙槽與2個(gè)泄水建筑物均起到了一定的輸沙、排沙作用。試驗(yàn)表明，典型洪水的排沙比與其出現(xiàn)頻率成正比。

③當(dāng)入庫含沙量超過4kg/m3后，電站蓄能、發(fā)電應(yīng)暫停運(yùn)行。

［1］惠遇甲，王桂仙.河工模型試驗(yàn)［M］.北京：中國水利水電出版社，1999.

［2］李昌華.河工模型試驗(yàn)［M］.北京：中國水利水電出版社，1999.

［3］張紅武.挾沙水流中含沙量沿垂線的分布規(guī)律［J］.泥沙研究，1997（1）：35-41.

［4］張紅武，江恩惠.黃河高含沙洪水模型的相似條件［J］.人民黃河，1995（4）：1-3.

Experimental Study on Distribution of Sediment Concentration in Typical Section of Tianchi Pumped Storage Power Station in Henan Province

Zhang YuMa XiaoZhang ShileiWang Yinhai
（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

The sediment problem has always been a major concern in the operation of the pumped storage power sta?tion.The main damage to the pumped storage power station are:On the one hand,silt will reduce capacity of the res?ervoir,which has a bad impact on the operation of the hydro-power station;On the other hand,it will destroy the equipment as the hydro-power station works.This paper studied the distribution of sediment concentration and the siltation in the reservoir area under different working conditions by the normal movable bed model test;and by com?paring and analyzing the test data,this paper explored the engineering scheduling scheme to allow the over loading of sediment.

pumped storage；model test；sediment；sediment distribution

TV743

：A

：1003-5168（2017）03-0105-03

2017-02-21

張羽（1970-），男，博士，副教授，研究方向：河流模擬、泥沙輸送。