席偉彥，劉 欣，趙海鏡，張艷紅

(1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024；2.國網新源控股有限公司，北京 100761；3.隆化縣水務局，河北 承德 068150)

目前，我國正在大力發(fā)展新能源產業(yè)，各地已建、在建或規(guī)劃了大量抽水蓄能電站。抽水蓄能電站具有調峰填谷、調頻調相、緊急事故備用等作用，機組啟動與停機過程較頻繁、負荷變化大，其運行包括水輪機工況和水泵工況，這些運行特點與常規(guī)電站水輪機或水泵不完全一樣。抽水蓄能電站的水頭一般都很高，通過電站水輪機的水流流速很大，水流中挾帶泥沙，水流和泥沙共同作用于水輪機，對水輪機產生較大的破壞作用，因而對過機泥沙控制的要求特別高[1-3]。抽水蓄能電站進、出水口水流泥沙流態(tài)復雜，給過機泥沙的分析帶來一定難度。目前，該方面雖有一定的研究進展[4- 6]，但尚無成熟的確定方法。寶泉抽水蓄能電站曾委托武漢大學進行了物理模型試驗，試驗的目的是研究抽水蓄能電站運行過程、水輪機過機泥沙情況。通過研究，建立了不同的來水來沙條件下，入庫含沙量與抽水時過機含沙量的關系曲線；在此基礎上，綜合分析各種影響因素，提出了一種估算過機泥沙的方法[7]。濰坊抽水蓄能電站位于山東省濰坊市臨朐縣，設計過程中需對其過機泥沙進行預測。本文借鑒寶泉抽水蓄能電站的過機泥沙估算方法，經過工程類比，對其進行改進以計算濰坊抽水蓄能電站過機泥沙。

1 工程概況

濰坊抽水蓄能電站裝機容量1 200 MW(4×300 MW)，滿發(fā)利用小時為5 h。電站建成后，在山東電網系統中承擔調峰、填谷、調頻、調相和緊急事故備用等任務。電站上水庫正常蓄水位628.00 m，死水位598.00 m；下水庫正常蓄水位289.00 m，死水位266.00 m。為保證抽水蓄能電站正常發(fā)電，在下水庫內設置抽水蓄能電站保證發(fā)電庫容，相應保證發(fā)電水位為273.50 m。下水庫利用已建嵩山水庫，控制流域面積154 km2，現狀正常蓄水位289.00 m，死水位266.00 m，汛期限制水位284.50 m，防洪高水位為290.46 m，是一座以防洪、灌溉為主，兼有養(yǎng)殖、發(fā)電等綜合利用的中型多年調節(jié)水庫。

2 電站下水庫泥沙特征

2.1 流域產沙概況

濰坊抽水蓄能電站下水庫無泥沙監(jiān)測資料，根據2017年4月實測的嵩山水庫庫區(qū)地形計算庫容曲線，并與建庫前原始庫容曲線相比，嵩山水庫47年總淤積量為146.4萬m3，水庫排沙比按5%計，則水庫47年總入庫沙量為153.7萬m3。淤積主要集中在庫內中前部，死水位266.00 m下淤積量為131.7萬m3，占總淤積量的90%，正常蓄水位289.00 m至死水位之間的淤積量為14.7萬m3。

根據現場查勘，嵩山水庫庫尾泥沙顆粒較細，粗顆粒泥沙含量較少，推移質沙量按總沙量的5%考慮，則年入庫懸移質沙量為3.11萬m3，年入庫推移質沙量為0.16萬m3。水庫泥沙懸移質干容重1.30 t/m3，推移質干容重1.65 t/m3，則年入庫懸移質沙量為4.04萬t，年入庫推移質沙量為0.27萬t，年入庫總沙量4.31萬t，多年平均含沙量為1.59 kg/m3。

2.2 下水庫泥沙特征

下水庫所在的五井石河為山區(qū)性河流，流域植被覆蓋率高，水土保持狀況良好，河流水量較小。根據鄰近流域的黃山水文站1960年～2000年水沙資料統計，多年平均流量過程與輸沙量過程對應關系良好，水沙過程基本同步，具有水大則沙大，水小則沙小的特點；水沙年內分配不均，水沙均主要集中在汛期6月～9月。

電站預可行性研究階段在嵩山水庫庫尾河床取得懸移質落淤泥沙沙樣，并進行了顆粒級配和礦物成分分析試驗(見表1、2)。

表1 濰坊抽水蓄能電站下水庫懸移質泥沙顆粒級配

表2 濰坊抽水蓄能電站下水庫懸移質泥沙礦物成分及含量 %

3 下水庫泥沙淤積及回水計算成果

3.1 下水庫泥沙淤積計算

3.1.1 下水庫泥沙淤積計算方法

濰坊抽水蓄能電站下水庫沒有實測水文、泥沙資料，不具備詳細沖淤計算的基本條件，本文依據嵩山水庫2017年實測地形資料對嵩山水庫淤積進行了估算。將嵩山水庫在2017年實測的水位庫容曲線和建庫前的水位庫容曲線進行對比，得到建庫以來嵩山水庫庫容曲線變化規(guī)律，按時間比例估算電站建成后淤積50年的庫容曲線。

3.1.2 下水庫泥沙淤積計算成果

(1)淤積量估算。嵩山水庫已運行47年，現狀泥沙淤積問題不嚴重，且?guī)焐潮容^大。根據施工組織設計，濰坊抽水蓄能電站下水庫施工期在進出水口處設置圍堰，不影響水庫正常運行，濰坊抽水蓄能電站規(guī)劃水平年2025年，電站建成后運行50年，即從現狀庫區(qū)地形測量時間(2017年)起淤積58年，總淤積量為189.7萬m3。其中，懸移質180.2萬m3，推移質9.5萬m3。

(2)剩余庫容與淤積高程估算。嵩山水庫作為濰坊抽水蓄能電站下水庫以后，不改變水庫的運行方式，因此水庫泥沙將按現狀淤積形態(tài)繼續(xù)淤積。根據建庫以來嵩山水庫庫容曲線變化規(guī)律，按時間比例估算電站建成后淤積50年的庫容曲線，成果見圖1。

圖1 嵩山水庫淤積50年庫容曲線

嵩山水庫水位266.00～273.50 m之間為電站下水庫專用庫容。根據電站建成后淤積50年庫容曲線，266.00 m以下淤積量為162.5萬m3，占現狀死庫容的40.5%；266.00 m至273.50 m水位之間的淤積量為19.7萬m3，占現狀專用庫容的2.46%。

電站下水庫進出水口位于水庫右側，距離壩線306.0 m，進出水口附近的實測斷面DM6深泓高程為256.40 m，進出水口處現狀地面高程為267.10 m。電站建成50年后，水庫庫容在260.50 m高程以下全部淤滿，壩前淤積高程為260.50 m，適當預留安全裕度，取進出水口斷面淤積高程為262.00 m。另按壩前段主要為懸移質，采用平衡比降法，懸移質泥沙淤積比降取河床比降的50%，推算至進出水口的淤積高程為261.80 m，推算的嵩山水庫壩址泥沙淤積形態(tài)圖(電站建成50年)見圖2。嵩山水庫現狀放水洞的底板高程為262.00 m，因此進出水口處泥沙淤積長期保持在262.00 m以下是有保證的。

圖2 嵩山水庫壩址泥沙淤積形態(tài)(50年)

3.2 下水庫回水計算成果

采用基于天然河道恒定非均勻漸變流的基本方程進行計算。根據庫區(qū)不同淹沒對象防洪標準采用不同頻率(P=3.33%、5%、20%)設計洪水，對應洪峰流量下的水庫回水尖滅點距壩址約4.68～4.86 km。

4 電站過機泥沙估算

鑒于目前尚無成熟的抽水蓄能電站過機泥沙計算方法，且不同抽水蓄能電站的工程特性有一定差別；因此，在進行濰坊抽水蓄能電站過機泥沙估算時，不能照搬其他已有成果。本文先對濰坊和寶泉抽水蓄能電站進行工程類比，分析工程特性差別對過機泥沙的影響，對寶泉抽水蓄能電站的過機泥沙計算采用“寶泉公式”進行改進，來計算濰坊抽水蓄能電站過機泥沙。

4.1 類比條件

寶泉和濰坊抽水蓄能電站特性比較情況如表3所示。

表3 寶泉和濰坊抽水蓄能電站特性比較

4.2 寶泉抽水蓄能電站物理模型試驗成果

文獻[7]試驗成果表明：除床面泥沙起懸影響外，過機含沙量的大小取決于上游來水來沙量、進出水口高程、沿程淤積等主要因素。根據觀測結果建立不同淤積水平年條件下，入庫含沙量與抽水過機含沙量關系式。在進、出水口淤積高程可事先預測的前提下，分析各式間的系數變化關系如

(1)

式中，Dz為進/出水口累計淤積厚度，m；S入庫為入庫含沙量，kg/m3；S抽水為抽水過機含沙量，kg/m3。

4.3 濰坊抽水蓄能電站過機含沙量估算

由表3可以看出，寶泉和濰坊抽水蓄能電站的多年平均入庫懸移質含沙量比較接近，都是懸移質沙量集中在汛期7月和8月；并且來沙從入庫到壩前已經歷了約6 km長河段的淤積。其次，兩個電站抽水時段接近；而洪水歷時一般為24 h，洪峰期較短，洪峰本身不一定與抽水時間相遇。另外，電站發(fā)電時將會有大部分的由下水庫抽入上庫的泥沙自上庫返回，再加上一些防止泥沙過機的措施；因此兩個電站入庫泥沙有相近的條件。鑒于濰坊抽水蓄能電站下水庫進出水口與壩址的距離小于寶泉抽水蓄能電站，本階段濰坊抽水蓄能電站過機含沙量先分析進出水口與壩址的距離差可能帶來的過機含沙量差別，然后參考“寶泉公式”，采用一定的改進措施進行過機含沙量計算。

由泥沙擴散理論中“懸浮指標”[8]的概念：當懸浮指標Z(Z=ω/κU*。其中，ω為單顆粒泥沙在靜水中的沉速，m/s；κ為卡門常數，取κ=0.4；U*為摩阻流速，m/s)< 5.0時，某粒徑的泥沙顆粒能夠在相應的河流里起懸；當Z≥ 5.0時某粒徑的泥沙顆粒不能夠在相應的河流里起懸。經過計算，對于進出水口處的水流，粒徑d=0.03 mm對應的懸浮指標值約為5.0；結合實測懸移質泥沙級配成果可知，粒徑小于0.03 mm的沙重百分數為約35%，即有約35%的懸移質泥沙在進出水口處可以起懸。而在距離壩前1.5 km處d=0.1 mm對應的懸浮指標值仍小于5.0，說明在距離壩前1.5 km處，小于0.1 mm的泥沙全部可以起懸?；谝陨戏治?，本階段濰坊抽水蓄能電站過機含沙量取“寶泉公式”計算結果的0.35倍。

按式(1)計算結果的0.35倍估算濰坊抽水蓄能電站各月過機含沙量，即按式(2)估算濰坊抽水蓄能電站各月過機含沙量

(2)

根據推算得到的下水庫逐月入庫徑流成果、嵩山水庫建庫前和現狀水位-庫容曲線，經過試算得到汛期(5月～10月)流量和輸沙率之間的關系如下

(3)

式中，Qs為懸移質輸沙率，kg/s；Qm為洪峰流量，m3/s。

發(fā)生100年一遇(P=1%)、50年一遇(P=2%)、20年一遇(P=5%)、10年一遇(P=10%)、5年一遇(P=20%)洪水及多年平均流量情況下，可由式(2)得到不同頻率洪水對應的入庫含沙量S入庫，然后采用式(3)可推算得到發(fā)生不同頻率洪水時的抽水含沙量作為過機含沙量，見表4。

表4 發(fā)生不同頻率洪水時的濰坊抽水蓄能電站過機含沙量成果

5 結 語

本文分析了濰坊抽水蓄能電站下水庫泥沙特性，開展了下水庫泥沙淤積及回水計算。借鑒寶泉抽水蓄能電站過機泥沙計算方法成果，根據泥沙紊動擴散理論，在工程類比的基礎上，通過對“寶泉公式”進行改進，推算得到了濰坊抽水蓄能電站發(fā)生不同頻率洪水時的過機含沙量。遇到同類工程時，建議按以下方法預測過機泥沙。

(1)分析工程下水庫泥沙特性，開展下水庫泥沙淤積及回水計算。

(2)根據河流動力學相關理論，在工程類比的基礎上，分析具體工程和寶泉抽水蓄能電站的差別，對“寶泉公式”進行改進。

(3)利用改進的“寶泉公式”進行具體抽水蓄能電站過機泥沙預測。