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        濰坊抽水蓄能電站過(guò)機(jī)泥沙預(yù)測(cè)研究

        2021-07-14 13:53:20席偉彥趙海鏡張艷紅
        水力發(fā)電 2021年4期
        關(guān)鍵詞:懸移質(zhì)出水口含沙量

        席偉彥,劉 欣,趙海鏡,張艷紅

        (1.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100024;2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司,北京 100761;3.隆化縣水務(wù)局,河北 承德 068150)

        目前,我國(guó)正在大力發(fā)展新能源產(chǎn)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(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、緊急事故備用等作用,機(jī)組啟動(dòng)與停機(jī)過(guò)程較頻繁、負(fù)荷變化大,其運(yùn)行包括水輪機(jī)工況和水泵工況,這些運(yùn)行特點(diǎn)與常規(guī)電站水輪機(jī)或水泵不完全一樣。抽水蓄能電站的水頭一般都很高,通過(guò)電站水輪機(jī)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(jī),對(duì)水輪機(jī)產(chǎn)生較大的破壞作用,因而對(duì)過(guò)機(jī)泥沙控制的要求特別高[1-3]。抽水蓄能電站進(jìn)、出水口水流泥沙流態(tài)復(fù)雜,給過(guò)機(jī)泥沙的分析帶來(lái)一定難度。目前,該方面雖有一定的研究進(jìn)展[4- 6],但尚無(wú)成熟的確定方法。寶泉抽水蓄能電站曾委托武漢大學(xué)進(jìn)行了物理模型試驗(yàn),試驗(yàn)的目的是研究抽水蓄能電站運(yùn)行過(guò)程、水輪機(jī)過(guò)機(jī)泥沙情況。通過(guò)研究,建立了不同的來(lái)水來(lái)沙條件下,入庫(kù)含沙量與抽水時(shí)過(guò)機(jī)含沙量的關(guān)系曲線(xiàn);在此基礎(chǔ)上,綜合分析各種影響因素,提出了一種估算過(guò)機(jī)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(shè)計(jì)過(guò)程中需對(duì)其過(guò)機(jī)泥沙進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文借鑒寶泉抽水蓄能電站的過(guò)機(jī)泥沙估算方法,經(jīng)過(guò)工程類(lèi)比,對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)以計(jì)算濰坊抽水蓄能電站過(guò)機(jī)泥沙。

        1 工程概況

        濰坊抽水蓄能電站裝機(jī)容量1 200 MW(4×300 MW),滿(mǎn)發(fā)利用小時(shí)為5 h。電站建成后,在山東電網(wǎng)系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)。電站上水庫(kù)正常蓄水位628.00 m,死水位598.00 m;下水庫(kù)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(kù)內(nèi)設(shè)置抽水蓄能電站保證發(fā)電庫(kù)容,相應(yīng)保證發(fā)電水位為273.50 m。下水庫(kù)利用已建嵩山水庫(kù),控制流域面積154 km2,現(xiàn)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(diào)節(jié)水庫(kù)。

        2 電站下水庫(kù)泥沙特征

        2.1 流域產(chǎn)沙概況

        濰坊抽水蓄能電站下水庫(kù)無(wú)泥沙監(jiān)測(cè)資料,根據(jù)2017年4月實(shí)測(cè)的嵩山水庫(kù)庫(kù)區(qū)地形計(jì)算庫(kù)容曲線(xiàn),并與建庫(kù)前原始庫(kù)容曲線(xiàn)相比,嵩山水庫(kù)47年總淤積量為146.4萬(wàn)m3,水庫(kù)排沙比按5%計(jì),則水庫(kù)47年總?cè)霂?kù)沙量為153.7萬(wàn)m3。淤積主要集中在庫(kù)內(nèi)中前部,死水位266.00 m下淤積量為131.7萬(wàn)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(wàn)m3。

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)查勘,嵩山水庫(kù)庫(kù)尾泥沙顆粒較細(xì),粗顆粒泥沙含量較少,推移質(zhì)沙量按總沙量的5%考慮,則年入庫(kù)懸移質(zhì)沙量為3.11萬(wàn)m3,年入庫(kù)推移質(zhì)沙量為0.16萬(wàn)m3。水庫(kù)泥沙懸移質(zhì)干容重1.30 t/m3,推移質(zhì)干容重1.65 t/m3,則年入庫(kù)懸移質(zhì)沙量為4.04萬(wàn)t,年入庫(kù)推移質(zhì)沙量為0.27萬(wàn)t,年入庫(kù)總沙量4.31萬(wàn)t,多年平均含沙量為1.59 kg/m3。

        2.2 下水庫(kù)泥沙特征

        下水庫(kù)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(jù)鄰近流域的黃山水文站1960年~2000年水沙資料統(tǒng)計(jì),多年平均流量過(guò)程與輸沙量過(guò)程對(duì)應(yīng)關(guān)系良好,水沙過(guò)程基本同步,具有水大則沙大,水小則沙小的特點(diǎn);水沙年內(nèi)分配不均,水沙均主要集中在汛期6月~9月。

        電站預(yù)可行性研究階段在嵩山水庫(kù)庫(kù)尾河床取得懸移質(zhì)落淤泥沙沙樣,并進(jìn)行了顆粒級(jí)配和礦物成分分析試驗(yàn)(見(jiàn)表1、2)。

        表1 濰坊抽水蓄能電站下水庫(kù)懸移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配

        表2 濰坊抽水蓄能電站下水庫(kù)懸移質(zhì)泥沙礦物成分及含量 %

        3 下水庫(kù)泥沙淤積及回水計(jì)算成果

        3.1 下水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算

        3.1.1 下水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算方法

        濰坊抽水蓄能電站下水庫(kù)沒(méi)有實(shí)測(cè)水文、泥沙資料,不具備詳細(xì)沖淤計(jì)算的基本條件,本文依據(jù)嵩山水庫(kù)2017年實(shí)測(cè)地形資料對(duì)嵩山水庫(kù)淤積進(jìn)行了估算。將嵩山水庫(kù)在2017年實(shí)測(cè)的水位庫(kù)容曲線(xiàn)和建庫(kù)前的水位庫(kù)容曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比,得到建庫(kù)以來(lái)嵩山水庫(kù)庫(kù)容曲線(xiàn)變化規(guī)律,按時(shí)間比例估算電站建成后淤積50年的庫(kù)容曲線(xiàn)。

        3.1.2 下水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算成果

        (1)淤積量估算。嵩山水庫(kù)已運(yùn)行47年,現(xiàn)狀泥沙淤積問(wèn)題不嚴(yán)重,且?guī)焐潮容^大。根據(jù)施工組織設(shè)計(jì),濰坊抽水蓄能電站下水庫(kù)施工期在進(jìn)出水口處設(shè)置圍堰,不影響水庫(kù)正常運(yùn)行,濰坊抽水蓄能電站規(guī)劃水平年2025年,電站建成后運(yùn)行50年,即從現(xiàn)狀庫(kù)區(qū)地形測(cè)量時(shí)間(2017年)起淤積58年,總淤積量為189.7萬(wàn)m3。其中,懸移質(zhì)180.2萬(wàn)m3,推移質(zhì)9.5萬(wàn)m3。

        (2)剩余庫(kù)容與淤積高程估算。嵩山水庫(kù)作為濰坊抽水蓄能電站下水庫(kù)以后,不改變水庫(kù)的運(yùn)行方式,因此水庫(kù)泥沙將按現(xiàn)狀淤積形態(tài)繼續(xù)淤積。根據(jù)建庫(kù)以來(lái)嵩山水庫(kù)庫(kù)容曲線(xiàn)變化規(guī)律,按時(shí)間比例估算電站建成后淤積50年的庫(kù)容曲線(xiàn),成果見(jiàn)圖1。

        圖1 嵩山水庫(kù)淤積50年庫(kù)容曲線(xiàn)

        嵩山水庫(kù)水位266.00~273.50 m之間為電站下水庫(kù)專(zhuān)用庫(kù)容。根據(jù)電站建成后淤積50年庫(kù)容曲線(xiàn),266.00 m以下淤積量為162.5萬(wàn)m3,占現(xiàn)狀死庫(kù)容的40.5%;266.00 m至273.50 m水位之間的淤積量為19.7萬(wàn)m3,占現(xiàn)狀專(zhuān)用庫(kù)容的2.46%。

        電站下水庫(kù)進(jìn)出水口位于水庫(kù)右側(cè),距離壩線(xiàn)306.0 m,進(jìn)出水口附近的實(shí)測(cè)斷面DM6深泓高程為256.40 m,進(jìn)出水口處現(xiàn)狀地面高程為267.10 m。電站建成50年后,水庫(kù)庫(kù)容在260.50 m高程以下全部淤滿(mǎn),壩前淤積高程為260.50 m,適當(dāng)預(yù)留安全裕度,取進(jìn)出水口斷面淤積高程為262.00 m。另按壩前段主要為懸移質(zhì),采用平衡比降法,懸移質(zhì)泥沙淤積比降取河床比降的50%,推算至進(jìn)出水口的淤積高程為261.80 m,推算的嵩山水庫(kù)壩址泥沙淤積形態(tài)圖(電站建成50年)見(jiàn)圖2。嵩山水庫(kù)現(xiàn)狀放水洞的底板高程為262.00 m,因此進(jìn)出水口處泥沙淤積長(zhǎng)期保持在262.00 m以下是有保證的。

        圖2 嵩山水庫(kù)壩址泥沙淤積形態(tài)(50年)

        3.2 下水庫(kù)回水計(jì)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(jìn)行計(jì)算。根據(jù)庫(kù)區(qū)不同淹沒(méi)對(duì)象防洪標(biāo)準(zhǔn)采用不同頻率(P=3.33%、5%、20%)設(shè)計(jì)洪水,對(duì)應(yīng)洪峰流量下的水庫(kù)回水尖滅點(diǎn)距壩址約4.68~4.86 km。

        4 電站過(guò)機(jī)泥沙估算

        鑒于目前尚無(wú)成熟的抽水蓄能電站過(guò)機(jī)泥沙計(jì)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(jìn)行濰坊抽水蓄能電站過(guò)機(jī)泥沙估算時(shí),不能照搬其他已有成果。本文先對(duì)濰坊和寶泉抽水蓄能電站進(jìn)行工程類(lèi)比,分析工程特性差別對(duì)過(guò)機(jī)泥沙的影響,對(duì)寶泉抽水蓄能電站的過(guò)機(jī)泥沙計(jì)算采用“寶泉公式”進(jìn)行改進(jìn),來(lái)計(jì)算濰坊抽水蓄能電站過(guò)機(jī)泥沙。

        4.1 類(lèi)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(yàn)成果

        文獻(xiàn)[7]試驗(yàn)成果表明:除床面泥沙起懸影響外,過(guò)機(jī)含沙量的大小取決于上游來(lái)水來(lái)沙量、進(jìn)出水口高程、沿程淤積等主要因素。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果建立不同淤積水平年條件下,入庫(kù)含沙量與抽水過(guò)機(jī)含沙量關(guān)系式。在進(jìn)、出水口淤積高程可事先預(yù)測(cè)的前提下,分析各式間的系數(shù)變化關(guān)系如

        (1)

        式中,Dz為進(jìn)/出水口累計(jì)淤積厚度,m;S入庫(kù)為入庫(kù)含沙量,kg/m3;S抽水為抽水過(guò)機(jī)含沙量,kg/m3。

        4.3 濰坊抽水蓄能電站過(guò)機(jī)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(kù)懸移質(zhì)含沙量比較接近,都是懸移質(zhì)沙量集中在汛期7月和8月;并且來(lái)沙從入庫(kù)到壩前已經(jīng)歷了約6 km長(zhǎng)河段的淤積。其次,兩個(gè)電站抽水時(shí)段接近;而洪水歷時(shí)一般為24 h,洪峰期較短,洪峰本身不一定與抽水時(shí)間相遇。另外,電站發(fā)電時(shí)將會(huì)有大部分的由下水庫(kù)抽入上庫(kù)的泥沙自上庫(kù)返回,再加上一些防止泥沙過(guò)機(jī)的措施;因此兩個(gè)電站入庫(kù)泥沙有相近的條件。鑒于濰坊抽水蓄能電站下水庫(kù)進(jìn)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(guò)機(jī)含沙量先分析進(jìn)出水口與壩址的距離差可能帶來(lái)的過(guò)機(jī)含沙量差別,然后參考“寶泉公式”,采用一定的改進(jìn)措施進(jìn)行過(guò)機(jī)含沙量計(jì)算。

        由泥沙擴(kuò)散理論中“懸浮指標(biāo)”[8]的概念:當(dāng)懸浮指標(biāo)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(mén)常數(shù),取κ=0.4;U*為摩阻流速,m/s)< 5.0時(shí),某粒徑的泥沙顆粒能夠在相應(yīng)的河流里起懸;當(dāng)Z≥ 5.0時(shí)某粒徑的泥沙顆粒不能夠在相應(yīng)的河流里起懸。經(jīng)過(guò)計(jì)算,對(duì)于進(jìn)出水口處的水流,粒徑d=0.03 mm對(duì)應(yīng)的懸浮指標(biāo)值約為5.0;結(jié)合實(shí)測(cè)懸移質(zhì)泥沙級(jí)配成果可知,粒徑小于0.03 mm的沙重百分?jǐn)?shù)為約35%,即有約35%的懸移質(zhì)泥沙在進(jìn)出水口處可以起懸。而在距離壩前1.5 km處d=0.1 mm對(duì)應(yīng)的懸浮指標(biāo)值仍小于5.0,說(shuō)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(guò)機(jī)含沙量取“寶泉公式”計(jì)算結(jié)果的0.35倍。

        按式(1)計(jì)算結(jié)果的0.35倍估算濰坊抽水蓄能電站各月過(guò)機(jī)含沙量,即按式(2)估算濰坊抽水蓄能電站各月過(guò)機(jī)含沙量

        (2)

        根據(jù)推算得到的下水庫(kù)逐月入庫(kù)徑流成果、嵩山水庫(kù)建庫(kù)前和現(xiàn)狀水位-庫(kù)容曲線(xiàn),經(jīng)過(guò)試算得到汛期(5月~10月)流量和輸沙率之間的關(guān)系如下

        (3)

        式中,Qs為懸移質(zhì)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(duì)應(yīng)的入庫(kù)含沙量S入庫(kù),然后采用式(3)可推算得到發(fā)生不同頻率洪水時(shí)的抽水含沙量作為過(guò)機(jī)含沙量,見(jiàn)表4。

        表4 發(fā)生不同頻率洪水時(shí)的濰坊抽水蓄能電站過(guò)機(jī)含沙量成果

        5 結(jié) 語(yǔ)

        本文分析了濰坊抽水蓄能電站下水庫(kù)泥沙特性,開(kāi)展了下水庫(kù)泥沙淤積及回水計(jì)算。借鑒寶泉抽水蓄能電站過(guò)機(jī)泥沙計(jì)算方法成果,根據(jù)泥沙紊動(dòng)擴(kuò)散理論,在工程類(lèi)比的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)“寶泉公式”進(jìn)行改進(jìn),推算得到了濰坊抽水蓄能電站發(fā)生不同頻率洪水時(shí)的過(guò)機(jī)含沙量。遇到同類(lèi)工程時(shí),建議按以下方法預(yù)測(cè)過(guò)機(jī)泥沙。

        (1)分析工程下水庫(kù)泥沙特性,開(kāi)展下水庫(kù)泥沙淤積及回水計(jì)算。

        (2)根據(jù)河流動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論,在工程類(lèi)比的基礎(chǔ)上,分析具體工程和寶泉抽水蓄能電站的差別,對(duì)“寶泉公式”進(jìn)行改進(jìn)。

        (3)利用改進(jìn)的“寶泉公式”進(jìn)行具體抽水蓄能電站過(guò)機(jī)泥沙預(yù)測(cè)。

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