魯永華 任智鋒 高文軍 李幫芬

1 入庫泥沙特征

龍口水庫入庫沙量由萬家寨水庫出庫沙量和萬家寨—龍口區(qū)間來沙組成,萬家寨水庫泥沙沖淤平衡后的多年平均出庫沙量為1.32億t,萬家寨—龍口區(qū)間多年平均沙量0.19億t,龍口水庫多年平均懸移質(zhì)入庫沙量合計(jì)1.51億t。干流因萬家寨水庫攔截?zé)o推移質(zhì)泥沙入庫,萬家寨—龍口區(qū)間推移質(zhì)主要來自支流偏關(guān)河,推移質(zhì)多年平均入庫量1萬t。龍口水庫多年平均徑流量178.1億m3,多年平均含沙量6.36 kg/m3,最大含沙量289 kg/m3。龍口水庫干流入庫泥沙經(jīng)萬家寨水庫調(diào)節(jié)后,出庫泥沙多年平均 d50為0.023mm。萬家寨—龍口區(qū)間懸移質(zhì)泥沙較粗,d50為0.039mm。

龍口水庫上游的萬家寨水庫采用“蓄清排渾”運(yùn)行方式,排沙期8、9兩個(gè)月。萬家寨水庫8、9月入庫泥沙占年沙量的44%,出庫泥沙占年沙量的64%。經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后泥沙更為集中在8、9兩個(gè)月進(jìn)入龍口水庫,非汛期龍口水庫入庫沙量不足年沙量的10%。

2 水庫排沙期運(yùn)用原則

為了保持一定的調(diào)節(jié)庫容,龍口水庫在排沙期8、9月的運(yùn)用原則如下:當(dāng)入庫流量小于1340m3/s時(shí),水庫進(jìn)行日調(diào)節(jié),水庫在死水位888m至水位892m之間運(yùn)行,為保證水庫的排沙效果,運(yùn)行水位應(yīng)盡量降低,日調(diào)節(jié)蓄水水位以滿足日調(diào)節(jié)發(fā)電所需水量為控制條件。排沙期入庫流量等于或大于1340m3/s時(shí),水庫在死水位888m運(yùn)行,電站在基荷運(yùn)行或棄水調(diào)峰。當(dāng)水庫因?yàn)槿照{(diào)節(jié)運(yùn)用造成水庫排沙期調(diào)節(jié)庫容不能滿足日調(diào)節(jié)需要時(shí),水庫水位降至885m進(jìn)行沖沙。

3 樞紐排沙設(shè)施布置

黃河是著名的多泥沙河流,黃河上修建電站,解決好泥沙問題至關(guān)重要,若排沙不力,將導(dǎo)致庫容迅速萎縮、上游河床抬高、水輪機(jī)嚴(yán)重磨蝕等一系列嚴(yán)重后果。

為減少過機(jī)泥沙,保證水庫調(diào)節(jié)庫容和電站“門前清”,龍口水庫采用蓄清排渾、汛期排沙的運(yùn)用方式:汛期大孔口(底孔)排沙、小孔口(排沙洞)沖沙。

汛期水庫排沙,要有足夠的泄量才能較多的沖走水庫淤沙,樞紐主要的泄洪、排沙建筑物12#～16#底孔壩段布置于河床中部、電站壩段右側(cè),每個(gè)壩段設(shè)2個(gè)底孔,共計(jì)10個(gè)。底孔進(jìn)口為有壓短管,后部為無壓明流洞,進(jìn)口底高程863.0m,孔口尺寸4.5m×6.5m(寬×高)。樞紐共設(shè)9個(gè)排沙洞,5#～8#電站壩段每個(gè)壩段設(shè)2個(gè)排沙洞,副安裝間壩段設(shè)1個(gè)排沙洞。5#～8#壩段電站排沙洞進(jìn)口高程860.0m,進(jìn)口尺寸5.9m×3.0m(寬×高),中間斷面為φ 3.0m的圓形,出口高程854.0m,出口斷面1.9m×1.9m;10#副安裝間壩段排沙洞進(jìn)口高程860.0m,進(jìn)口尺寸3.0m×3.0m,中間斷面為φ 3.0m的圓形,出口斷面1.9m×1.9m,出口高程為855.0m。各壩段排沙洞進(jìn)口均設(shè)有平板事故檢修閘門,由壩頂雙向門機(jī)啟閉;出口設(shè)工作閘門和檢修閘門,由尾水雙向門機(jī)啟閉。

4 排沙洞設(shè)計(jì)

4.1 進(jìn)口高程及流量的選定

排沙洞進(jìn)口高程的設(shè)置主要是考慮電站“門前清”,減少過機(jī)泥沙和粗顆粒過機(jī)。關(guān)于排沙洞進(jìn)口高程的選擇主要有兩種觀點(diǎn):一種觀點(diǎn)認(rèn)為機(jī)組進(jìn)水口與排沙洞進(jìn)口高程差以不小于0.2H′(H′為最低運(yùn)行水位至排沙洞底高程)為宜,青銅峽、天橋據(jù)此設(shè)計(jì);另一種觀點(diǎn)認(rèn)為,只有最低運(yùn)行水位至發(fā)電進(jìn)水口中心距離hi與最低運(yùn)行水位至排沙洞底高程的距離 hH之比小于0.4～0.5時(shí),才能減小過機(jī)泥沙和粗顆粒過機(jī),水頭條件允許的電站均將排沙洞進(jìn)口設(shè)置的較低,如小浪底、萬家寨、碧口、魯布革等電站,排沙效果良好。

龍口電站為河床式電站,水頭較低,受此制約,要達(dá)到較好的排沙效果,應(yīng)盡可能降低排沙建筑物進(jìn)口高程,故排沙洞進(jìn)口高程取河床底高程860.0m。排沙洞進(jìn)口底高程確定后,引用流量的大小將直接影響到排沙漏斗的范圍。排沙洞規(guī)模過小會(huì)導(dǎo)致拉沙能力不足,難以保證電站 “門前清”,排沙洞規(guī)模過大則會(huì)導(dǎo)致水能浪費(fèi)。

已建類似電站排沙與發(fā)電的分流比如下:葛洲壩大江0.26∶0.74、葛洲壩二江0.15∶0.85、 八盤峽0.12∶0.88、青銅峽0.18∶0.82、大化0.21∶0.79?？紤]到黃河含沙量較大的特點(diǎn),龍口電站設(shè)計(jì)工況下機(jī)組壩段排沙與發(fā)電分流比取0.4∶0.6,設(shè)計(jì)洪水位896.56m時(shí),電站地段排沙洞的單孔泄量71m3/s,副安裝間壩段排沙洞的單孔泄量73 m3/s。

4.2 排沙洞進(jìn)口斷面確定

排沙洞進(jìn)口斷面尺寸依據(jù)合適的進(jìn)口流速來確定,進(jìn)口流速宜大于啟動(dòng)最大粒徑時(shí)的流速。龍口電站推移到壩前的泥沙中最大粒徑為80mm,用成都勘測設(shè)計(jì)研究院1978年提出的卵石起動(dòng)流速公式計(jì)算,起動(dòng)流速v0=3.79m/s。進(jìn)口流速也不宜過大,類似情況的資料表明:當(dāng)排沙洞進(jìn)口與廠房進(jìn)口同一斷面上流速之比達(dá)3.9時(shí),會(huì)嚴(yán)重影響水輪機(jī)出力。根據(jù)上述原則,擬定電站壩段排沙洞進(jìn)口尺寸為5.9m×3.0m(寬×高),孔口寬度同電站進(jìn)口寬度,便于門槽布置。電站壩段排沙洞進(jìn)口設(shè)計(jì)流速為4.01m/s,電站進(jìn)口檢修門處設(shè)計(jì)流速為1.29m/s,排沙洞進(jìn)口流速與電站進(jìn)口流速比為3.1。因副安裝間壩段排沙洞距電站進(jìn)水口較遠(yuǎn),故采用較大的進(jìn)口流速以達(dá)到較好的拉沙效果,排沙洞進(jìn)口尺寸為3.0m×3.0m,進(jìn)口設(shè)計(jì)流速8.1m/s。

4.3 排沙洞抗磨設(shè)計(jì)

黃河泥沙具有含量高、硬度大的特點(diǎn),排沙洞內(nèi)水流夾沙、且流速較高(電站壩段排沙洞出口設(shè)計(jì)流速19.7 m/s,副安裝間壩段排沙洞出口設(shè)計(jì)流速20.2m/s),在彎折拐角處水流方向急變,局部流速更大,極易發(fā)生沖蝕、破壞。排沙洞在抗磨設(shè)計(jì)上,盡量使排沙洞洞線平順,彎段盡量采用較大的直徑,斷面形狀變化時(shí)盡量采用較長的漸變段。另外,排沙洞內(nèi)壁采用抗磨蝕和抗裂能力較強(qiáng)的材料:排沙洞前端方變圓段、中部圓形斷面段和后端圓變方段內(nèi)壁采用鋼板襯砌,排沙洞進(jìn)口段和出口段內(nèi)壁采用40cm厚C40抗沖磨混凝土摻高性能UF500纖維素纖維作為抗磨層。

5 排沙洞模型試驗(yàn)

針對(duì)泥沙問題本工程進(jìn)行了樞紐泥沙整體模型試驗(yàn)和電站壩段排沙洞的斷面模型試驗(yàn)。

整體模型試驗(yàn)比較5個(gè)排沙洞方案(4個(gè)電站壩段每壩段設(shè)1個(gè)排沙洞+副安裝間段設(shè)1個(gè)排沙洞)和9個(gè)排沙洞方案(4個(gè)電站壩段每壩段設(shè)2個(gè)排沙洞+副安裝間壩段設(shè)1個(gè)排沙洞)。試驗(yàn)表明:設(shè)置排沙洞后,電站進(jìn)水口前將形成1個(gè)沖刷槽,每個(gè)排沙洞前均形成1個(gè)沖刷漏斗;當(dāng)排沙洞單獨(dú)運(yùn)用時(shí),在孔口附近形成彼此相連的沙坎;與9個(gè)排沙洞相比,5個(gè)排沙洞形成的沙坎體積較大;電站與排沙洞共同運(yùn)用時(shí),9個(gè)排沙洞形成的排沙漏斗容積大于5個(gè)排沙洞,9個(gè)排沙洞的排沙效果好于5個(gè)排沙洞,9個(gè)排沙洞方案電站進(jìn)水口基本能保證“門前清”。

兩方案下排沙洞與電站含沙量及粒徑分布見表1。

由表1可知,當(dāng)排沙洞與電站共同運(yùn)用時(shí),同一庫水位條件下,5個(gè)排沙洞方案與9個(gè)排沙洞方案相比,過機(jī)相對(duì)含沙量較大,泥沙粒徑也較粗、從過機(jī)泥沙效果來看,設(shè)置9個(gè)排沙洞要優(yōu)于5個(gè)排沙洞,在排沙洞的設(shè)置不影響機(jī)組的間距情況下,每個(gè)電站壩段宜設(shè)置2個(gè)排沙洞。

表1 排沙洞和電站相對(duì)含沙量及粒徑分布表

電站壩段排沙洞斷面模型試驗(yàn)表明:模型試驗(yàn)排沙洞流量和流速與設(shè)計(jì)值計(jì)算值較為接近;排沙洞進(jìn)口水流十分平穩(wěn),出口兩邊水面經(jīng)常有漩渦出現(xiàn),直徑約4.5m,出口中部水面波動(dòng)為0.8m左右,對(duì)電站尾水?dāng)_動(dòng)不大;在下泄各級(jí)洪水時(shí),排沙洞頂部沿程壓力均為正值。

6 運(yùn)行期間應(yīng)注意的問題

龍口水庫的主要泥沙問題是偏關(guān)河的粗顆粒泥沙及泥沙淤積末端。

偏關(guān)河流域處于黃土高原,降雨量小,雨強(qiáng)大,暴雨集中,洪水峰高量小,洪水含沙量大,泥沙顆粒粗,年沙量大部分集中在洪水期。入庫泥沙一旦落淤,再?zèng)_刷需水量較多,因此,排沙期偏關(guān)河洪水入庫時(shí),庫水位應(yīng)降到?jīng)_沙水位排沙。

泥沙淤積末端上延后可能影響到萬家寨電站的尾水,影響泥沙淤積末端的主要因素是排沙期的庫水位,庫水位越高,淤積末端距萬家寨電站的尾水越近,因此,當(dāng)8、9月長期出現(xiàn)小流量時(shí),不宜長期高水位運(yùn)行。

7 結(jié) 語

本工程主要排沙設(shè)施為10個(gè)底孔和9個(gè)排沙洞,大孔口(底孔)排沙、小孔口(排沙洞)沖沙。根據(jù)自身河床式電站的特點(diǎn)和水庫水沙特性,結(jié)合模型試驗(yàn)選定了9個(gè)排沙洞方案,確定了排沙洞合理的分流比、進(jìn)口流速和進(jìn)口尺寸。另外,針對(duì)排沙洞高速夾沙水流的的磨蝕問題,從排沙洞體型和內(nèi)壁材料兩方面進(jìn)行了針對(duì)性的設(shè)計(jì)。