陳松偉，周麗艷，崔振華，藺 冬，段高云

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003)

1 工程概況

天橋水電站是黃河中游北干流上第一座低水頭河床式徑流電站，壩址控制流域面積40.4萬(wàn)km2，上距萬(wàn)家寨和龍口水電站分別為95、70 km，下距山西保德、陜西府谷兩縣約8 km。水庫(kù)正常蓄水位834 m，相應(yīng)原始庫(kù)容0.67億m3，相應(yīng)設(shè)計(jì)有效庫(kù)容2 844萬(wàn)m3;死水位828 m，死庫(kù)容1 139萬(wàn)m3。水電站于1970年4月動(dòng)工修建，1978年7月4臺(tái)機(jī)組全部并網(wǎng)發(fā)電，1980年底工程竣工。水電站的除險(xiǎn)加固工程于2009年3月開(kāi)工建設(shè)，2012年10月完成了主體工程施工，增加了兩孔泄洪閘及四孔排沙底孔。

天橋水電站總裝機(jī)容量12.8萬(wàn)kW，2.8萬(wàn)kW和3.6萬(wàn)kW單機(jī)各兩臺(tái)，4臺(tái)機(jī)滿發(fā)最大流量為878 m3/s，水位低于828 m時(shí)機(jī)組停止發(fā)電，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得知，每年機(jī)組大修和小修共需要4個(gè)月。2000年～2010年天橋水電站年平均入庫(kù)水量為150億m3，年平均發(fā)電量為5.29億kW·h。

2 排沙運(yùn)用指標(biāo)

2.1 不同流量級(jí)庫(kù)區(qū)沖淤特性

1990年～2010年天橋水電站水位在830 m上下運(yùn)用時(shí)，不同流量級(jí)的庫(kù)區(qū)沖淤特性見(jiàn)表1。從表1可以看出，在830 m水位以上運(yùn)用時(shí)，庫(kù)區(qū)以淤積為主，淤積主要集中在小于1 000 m3/s的流量級(jí)，占總淤積量的80.1%;在830 m水位以下運(yùn)用時(shí)，庫(kù)區(qū)以沖刷為主，沖刷主要集中在1 000 m3/s以上的流量級(jí)，占總沖刷量的92.8%。另外，根據(jù)桃汛期場(chǎng)次洪水平均流量與庫(kù)區(qū)日平均沖淤量相關(guān)關(guān)系分析，當(dāng)桃汛期平均入庫(kù)流量大于1 000 m3/s時(shí)，最大沖刷強(qiáng)度可以達(dá)到120萬(wàn)t/d。

表1 天橋水電站不同流量級(jí)庫(kù)區(qū)沖淤量

2.2 皇甫川場(chǎng)次洪水庫(kù)區(qū)沖淤特性

根據(jù)皇甫川水文站實(shí)測(cè)洪水資料，點(diǎn)繪了皇甫川發(fā)生500 m3/s量級(jí)以上洪水時(shí)，壩前日均水位與庫(kù)區(qū)沖淤量相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 皇甫川洪峰流量大于500 m3/s時(shí)天橋壩前水位與庫(kù)區(qū)沖淤量相關(guān)關(guān)系

從圖1可以看出，當(dāng)壩前水位低于828 m時(shí)，庫(kù)區(qū)以沖刷為主。

綜合分析，天橋水電站排沙運(yùn)用指標(biāo)為:汛期和桃汛期可以利用大于1 000 m3/s的流量降低水位至830 m以下排沙運(yùn)用;當(dāng)皇甫川發(fā)生大于500 m3/s洪水時(shí)，可將水位降至828 m以下排沙運(yùn)用。

3 排凌運(yùn)用指標(biāo)

3.1 流凌封河期(11月下旬～12月底)

萬(wàn)家寨、龍口水庫(kù)修建后，天橋庫(kù)區(qū)冰花主要來(lái)自龍口以下河段，流凌日期推遲，河段冰量也相對(duì)減少。天橋水電站流凌開(kāi)河期壩前水位較為平穩(wěn)，多年平均水位為833.17 m，除2009年～2010年度控制在832～832.5 m外，其余年份多控制在833～834 m之間。流凌封河期多年平均入庫(kù)流量為344 m3/s，一般入庫(kù)流量為100～600 m3/s，當(dāng)流凌封河期入庫(kù)流量大于600 m3/s時(shí)，壩前水位多有降低。因此，流凌期一般情況下水電站運(yùn)行水位可控制在833～834 m之間，若流凌期流量大于600 m3/s時(shí)，運(yùn)行水位可降至832 m。

3.2 穩(wěn)定封凍期(翌年1月初～2月底)

當(dāng)天橋庫(kù)區(qū)形成穩(wěn)定冰蓋后，河道內(nèi)不再產(chǎn)生冰花，凌情比較穩(wěn)定，一般不會(huì)發(fā)生凌災(zāi)。天橋水電站穩(wěn)定封凍期多年平均壩前水位為833.33 m，除2009年～2010年度水位控制在831.5～832.5 m外，多控制在833～834 m之間。封凍期多年平均入庫(kù)流量為330 m3/s，一般入庫(kù)流量多為200～500 m3/s。因此，一般情況下穩(wěn)封期庫(kù)水位可按正常高水位834 m運(yùn)行，充分利用有效庫(kù)容，提高水能利用率，避免或減少棄水。但要注意避免或減少調(diào)峰運(yùn)行，防止水位大幅度的變化。同時(shí)萬(wàn)家寨及龍口水庫(kù)下泄流量要保持相對(duì)穩(wěn)定，下泄流量應(yīng)控制在800 m3/s以下。

3.3 開(kāi)河期(翌年3月)

開(kāi)河期大量流冰易形成冰壩造成冰凌災(zāi)害，天橋水電站開(kāi)河期多年平均壩前水位為833.33 m，除2009年～2010年度外，其余年度壩前水位均控制在832～834 m之間。開(kāi)河期多年平均入庫(kù)流量為673 m3/s，當(dāng)上游凌峰到來(lái)前，庫(kù)區(qū)驟降水位排庫(kù)冰，排冰水位多控制在824～826 m。因此，在開(kāi)河期應(yīng)適當(dāng)降低庫(kù)水位，將庫(kù)水位控制在832～834 m，浮動(dòng)庫(kù)水位使庫(kù)冰開(kāi)裂解體。當(dāng)庫(kù)區(qū)及回水末端發(fā)生冰壩時(shí)，應(yīng)開(kāi)啟泄洪閘驟降水位排冰，促使冰壩潰決。在上游凌峰入庫(kù)前，應(yīng)根據(jù)庫(kù)冰的融解情況決定是否需要排凌運(yùn)用。

4 運(yùn)行方案擬定

結(jié)合天橋水電站不同階段擬定的運(yùn)用方式及實(shí)際運(yùn)行總結(jié)，通過(guò)綜合分析，擬定以下4種運(yùn)行方案。

(1)方案一。7月～8月運(yùn)用水位830 m;9月～10月運(yùn)用水位832 m;萬(wàn)家寨、龍口水庫(kù)排沙時(shí)，天橋水電站運(yùn)用水位830 m;非汛期按834 m水位蓄水運(yùn)用。

(2)方案二。7月～8月運(yùn)用水位830 m;9月～10月運(yùn)用水位832 m;萬(wàn)家寨、龍口水庫(kù)排沙時(shí)，天橋水電站運(yùn)用水位828 m;流凌期流量大于600 m3/s時(shí)運(yùn)用水位832 m;開(kāi)河期當(dāng)庫(kù)容小于設(shè)計(jì)上線有效庫(kù)容(2 003萬(wàn)m3)時(shí)，利用大于1 000 m3/s的流量進(jìn)行降水排沙運(yùn)用，運(yùn)用水位828 m;皇甫川洪峰流量大于500 m3/s時(shí)，控制運(yùn)用水位828 m;非汛期其余時(shí)間水位按834 m蓄水運(yùn)用。

(3)方案三。7月～8月運(yùn)用水位830 m;9月上半月運(yùn)用水位830 m，9月下半月～10月底運(yùn)用水位832 m;其余時(shí)間運(yùn)用水位同方案二。

(4)方案四。該方案為天橋水電除險(xiǎn)加固期間調(diào)度運(yùn)行方案。6月1日 ～7月4日運(yùn)用水位833.5 m。7月 5日 ～8月底當(dāng)入庫(kù)流量小于2 000 m3/s時(shí)，運(yùn)用水位832 m;入庫(kù)流量在2 000～3 000 m3/s時(shí)，運(yùn)用水位830 m;入庫(kù)流量大于3 000 m3/s或含沙量大于300 kg/m3時(shí)，運(yùn)用水位824 m。9月當(dāng)入庫(kù)流量小于1 500 m3/s時(shí)，運(yùn)用水位833.5 m;入庫(kù)流量在1 500～3 000 m3/s時(shí)，運(yùn)用水位832 m;入庫(kù)流量大于3 000 m3/s時(shí)，運(yùn)用水位824 m。10月當(dāng)入庫(kù)流量小于1 500 m3/s時(shí)，運(yùn)用水位833.5 m;入庫(kù)流量大于1 500 m3/s時(shí)，運(yùn)用水位832 m。11月下旬至12月上旬運(yùn)用水位833.5 m。非汛期其余時(shí)間運(yùn)用水位834 m。

5 運(yùn)行方案比選

選取龍劉水庫(kù)影響后的1987年7月～1997年6月實(shí)測(cè)水沙系列及2012年萬(wàn)家寨水庫(kù)實(shí)測(cè)庫(kù)容曲線，根據(jù)萬(wàn)家寨水庫(kù)的運(yùn)用方式，采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了水庫(kù)“蓄清排渾”計(jì)算，通過(guò)調(diào)節(jié)后的萬(wàn)家寨出庫(kù)水沙過(guò)程加上區(qū)間支流對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)水沙過(guò)程，得到天橋水電站的設(shè)計(jì)入庫(kù)水沙過(guò)程，年均入庫(kù)水量和沙量為174.2億m3和1.26億t，其中汛期水沙量分別為72.5億m3和1.21億t。根據(jù)擬定的入庫(kù)設(shè)計(jì)水沙條件及2012年庫(kù)區(qū)邊界條件，利用一維水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型計(jì)算了不同方案下庫(kù)區(qū)沖刷效果及沖淤形態(tài)，并對(duì)各方案的發(fā)電量進(jìn)行了計(jì)算。

5.1 庫(kù)區(qū)沖淤量

庫(kù)區(qū)沖淤不僅和入庫(kù)水沙量有關(guān)，還與壩前水位、庫(kù)區(qū)前期的沖淤量有關(guān)。計(jì)算的4個(gè)方案庫(kù)區(qū)年均沖淤量依次分別為40萬(wàn)、－50萬(wàn)、－53萬(wàn)m3和89萬(wàn)m3。方案一在萬(wàn)家寨水庫(kù)排沙時(shí)，天橋水電站控制830 m水位運(yùn)用，水庫(kù)汛期年均淤積436萬(wàn)m3，經(jīng)凌汛期沖刷后年均淤積40萬(wàn)m3;方案二在萬(wàn)家寨水庫(kù)排沙時(shí)及皇甫川來(lái)大水時(shí)天橋水電站降至828 m水位運(yùn)用，水庫(kù)汛期年均淤積554萬(wàn)m3，經(jīng)凌汛期沖刷后多年平均沖刷50萬(wàn)m3;方案三9月上半月維持830 m水位運(yùn)用，在萬(wàn)家寨水庫(kù)排沙及皇甫川來(lái)大水時(shí)天橋水電站降至828 m水位運(yùn)用，水庫(kù)汛期年均淤積467萬(wàn)m3，經(jīng)凌汛期沖刷后多年平均沖刷53萬(wàn)m3;方案四汛期運(yùn)用水位偏高，水庫(kù)淤積量較大，經(jīng)凌汛期沖刷后年均淤積89萬(wàn)m3。因此，從庫(kù)區(qū)沖淤角度考慮，方案二和方案三效果較好。

5.2 有效庫(kù)容

各方案計(jì)算的庫(kù)區(qū)歷年庫(kù)容見(jiàn)表2。各方案時(shí)段末834 m水位以下庫(kù)容分別為1 131萬(wàn)、2 013萬(wàn)、2 011萬(wàn)m3和600萬(wàn)m3。計(jì)算的10年系列中，方案一有6年庫(kù)容大于設(shè)計(jì)上線有效庫(kù)容(2 003萬(wàn)m3);方案二、方案三均有8年庫(kù)容大于設(shè)計(jì)上線有效庫(kù)容;方案四只有1年庫(kù)容大于設(shè)計(jì)上線有效庫(kù)容。因此，從恢復(fù)庫(kù)容角度考慮，方案二、方案三效果較好。

表2 不同方案庫(kù)區(qū)834 m水位以下庫(kù)容計(jì)算結(jié)果 萬(wàn)m3

5.3 淤積形態(tài)

不同方案計(jì)算庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)見(jiàn)圖2。方案一由于非汛期水位較高，壩前20 km范圍內(nèi)發(fā)生淤積，距壩20 km以上河段沖淤變化不大，壩前淤積高程為828.9 m。方案二在萬(wàn)家寨水庫(kù)排沙時(shí)水位較低，并利用皇甫川大流量降水排沙運(yùn)用，壩前5 km范圍內(nèi)發(fā)生沖刷，距壩5～10 km范圍內(nèi)發(fā)生淤積，距壩10 km以上河段沖淤變化不大，壩前淤積高程為820.8 m。方案三汛期低水位運(yùn)用時(shí)間延長(zhǎng)，但桃汛期降水沖刷次數(shù)減少，壩前5 km范圍內(nèi)發(fā)生沖刷，距壩5～10 km范圍內(nèi)發(fā)生淤積，距壩10 km以上河段沖淤變化不大，壩前淤積高程為819.7 m。方案四汛期運(yùn)用水位較高，基本全河段發(fā)生淤積，壩前淤積高程為830.4 m。因此，從庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)分析，方案二、方案三優(yōu)于其他方案。

圖2 不同方案庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)

5.4 發(fā)電量

根據(jù)擬定的不同水庫(kù)運(yùn)用方案和各流量級(jí)水庫(kù)發(fā)電運(yùn)用消落深度分析成果，對(duì)設(shè)計(jì)系列的發(fā)電量進(jìn)行了計(jì)算，各方案年均發(fā)電量分別為5.56億、5.63億、5.53億、5.38億kW·h。方案一、二、三發(fā)電量差別不大，其中方案二發(fā)電量最大，方案三與方案一相比，汛期9月份發(fā)電水位偏低，流凌期11月下旬及12月流量大于600 m3/s時(shí)降低運(yùn)用水位至832 m，發(fā)電量比方案一略小。方案四盡管汛期發(fā)電水位高，但是由于庫(kù)容小，發(fā)電量在4個(gè)方案中最小。

從庫(kù)區(qū)年平均沖淤量、時(shí)段末庫(kù)容、滿足設(shè)計(jì)上線有效庫(kù)容年數(shù)、庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)及發(fā)電量等5個(gè)方面對(duì)各方案進(jìn)行比選，經(jīng)綜合分析，推薦方案二作為除險(xiǎn)加固后運(yùn)行調(diào)度方案。

6 結(jié)論

(1)天橋水電站汛期和桃汛期可以利用大于1 000 m3/s的流量，降低水位至830 m以下排沙運(yùn)用;當(dāng)皇甫川發(fā)生大于500 m3/s洪水時(shí)，可將庫(kù)水位降至828 m以下排沙運(yùn)用。

(2)萬(wàn)家寨、龍口水庫(kù)運(yùn)用后，流凌期一般情況下天橋電站可正常發(fā)電，若流凌期流量大于600 m3/s時(shí)，運(yùn)行水位可降至832 m控制;一般情況下穩(wěn)封期庫(kù)水位可按正常高水位834 m運(yùn)行，同時(shí)萬(wàn)家寨及龍口水庫(kù)下泄流量應(yīng)控制在800 m3/s以下;開(kāi)河期應(yīng)根據(jù)庫(kù)冰的融解情況決定是否需要排凌運(yùn)用。

(3)推薦天橋水電站除險(xiǎn)加固后運(yùn)用方式為:汛期7月～8月運(yùn)用水位830 m;9月～10月運(yùn)用水位832 m;萬(wàn)家寨、龍口水庫(kù)排沙時(shí)，天橋水電站運(yùn)用水位828 m。流凌期流量大于600 m3/s時(shí)，運(yùn)用水位832 m;開(kāi)河期當(dāng)庫(kù)容小于設(shè)計(jì)上線有效庫(kù)容時(shí)，利用大于1 000 m3/s的流量進(jìn)行降水排沙運(yùn)用，運(yùn)用水位828 m;皇甫川洪峰流量大于500 m3/s時(shí)，控制運(yùn)用水位828 m;非汛期其余時(shí)間水位按834 m蓄水運(yùn)用。

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