泥沙火箭签约塞弗洛沙

西溪河地洛、青松水电站水库沉沙设计研究聂彪,仇佩娟,彭光敏(四川省水利水电勘测设计研究院,四川成都610072)摘要:对于高水头引水式电站,过机泥沙含沙量和有害粒径过机是需要深入研究和解决的主要工程泥沙问题.
西溪河地洛、青松水电站拟用"以库代池"方式进行水库泥沙调度,而水库沉沙计算则是设计中的关键技术,主要方法是通过劳斯公式和物理沉降轨迹追踪法分析计算电站取水口过机泥沙平均含沙量和粗颗粒(d>0.
25mm)过机含沙量,以进行两电站"以库代池"的设计研究.
关键词:以库代池;有害粒径;泥沙调度;劳斯公式;沉降指数;过机含沙量;地洛;青松;水电站中图分类号:TV732文献标识码:B文章编号:100122184(2006)04200482051概述1.
1工程概述西溪河是金沙江左岸的一级支流,发源于越西县东南部的沙枯尔吉峡谷,流域面积2902km2,河源至河口的河道长174km,天然落差2773m.
主要支流有三湾河、布拖河等,其中以三湾河最大,发源于比尔区罗木大山,河道长51km,流域面积648km2,天然落差1420m,河道平均比降28‰;布拖河发源于乌科梁子东坡,河道长50km,流域面积439km2,天然落差1275m,河道平均比降25.
5‰.
西溪河流域位于青藏高原东部横断山系东缘的大凉山脉.
以剥蚀中、高山地貌为主,山脉走向受地质构造控制,以近南北及北东向为主,区内河流山岭相间分布.
流域地势北高南低,河源海拔3320m,河口547m.
申果庄至河口河道长163km,天然落差2017m,河道平均比降12.
4‰,境内地形以中山和高山为主,平坝多在河谷沿岸.
三湾河、昭觉河沿岸分布有规模不等的河谷平坝,以四开、昭觉城附近及比尔上下游等地较大,是昭觉县的重要农耕地区.
其余多为高山峡谷,人地稀少,交通困难.
流域内目前兴建的工程都是小工程,已建的昭觉电站,装机较小,另外,在建的工程仅有昭觉县城上游7km的竹核水电站.
该工程为跨流域引水工程,由西溪河向美姑河引水,设计引用流量5.
2m3s,装机容量5.
0MW,年发电量0.
237亿收稿日期:2006206223kW·h.
引水口位于昭觉电站下游约200m处,引水口以上集水面积602km2.
地洛水电站坝址位于布拖县地洛乡上游4.
5km的扎台村附近,坝址以上控制集水面积2337km2,厂址位于金阳县牛坪子沟上游约620m处,集水面积2696km2.
青松水电站坝址位于金阳县白银厂沟上游310m处,坝址以上控制集水面积2714km2,厂址位于金阳县老寨子,集水面积2891km2.
1.
2工程概况西溪河水力资源开发此前作过许多工作,提出了比较多的开发方案.
华东勘测设计研究院在以往工作的基础上,于2004年6月提出了《四川省西溪河干流水电开发规划报告》并通过四川省发改委组织的审查.
该规划报告提出西溪河干流开发任务为"以发电为主,适当兼顾少量沿河灌溉用水",干流梯级开发方案为"两库五级"方案,两库为库依和洛古水库,五级为库依、洛古、联补、地洛和青松,推荐洛古、联补、地洛和青松水电站为近期工程,其中洛古和联补为一期开发工程.
四川院设计的地洛水电站和青松水电站是西溪河流域规划梯级的第4级和第5级水电站,均采用高水头引水式开发,天然河道比降陡,水流急,水流挟沙能力常处于次饱和状态,输沙能力强.
水库为山区河道型水库,库面狭窄,回水长度较短(大约2~3km).
枢纽采用"正向泄洪排沙、侧向取水"的布置形式,汛期利用泄洪冲沙闸开闭进行水库泥沙调度.
84第25卷第4期2006年8月四川水力发电SichuanWaterPowerVol.
25,No.
4Aug.
,2006实测资料表明:西溪河具有泥沙来量大、含沙量高、颗粒粗而硬的特点,电站首部枢纽取水防沙和水轮机抗磨蚀问题突出,工程泥沙设计任务就是解决以上两个主要问题.
地洛和青松水电站的主要特性见表1.
表1西溪河地洛和青松水电站主要特性表项目单位地洛电站青松电站1.
多年平均悬移质输沙量万t3954582.
多年平均悬移质含沙量万t2.
502.
503.
多年平均推移质输沙量万t28.
032.
54.
库区天然河道比降‰8.
6195.
正常蓄水位m12178976.
正常蓄水位以下库容m3271.
52507.
死水位m12168968.
调节库容m327599.
汛期排沙水位m121389310.
汛期排沙水位下坝前水深m21.
530.
011.
停机冲沙分界流量m3s35040012.
装机容量MW9510013.
引用流量m3s39.
446.
614.
额定水头m28425615.
最大坝高m32.
543.
016.
泄洪冲沙闸孔数及尺寸m3孔,7.
5*123孔,8*1117.
泄洪冲沙闸底板高程m1191.
586318.
进水口底板高程m120588419.
回水长度m248418661.
3设计思路与研究方法西溪河流域是我省一条著名的多沙河流,多年平均悬移质含沙量高达2.
50kgm3.
拟建的地洛、青松两级水电站库小沙多,工程泥沙问题十分突出,入库推移质泥沙淤积速率发展较快.
虽然拦沙坎基本可以防止推移质颗粒进入取水口,但是,悬移质泥沙中的有害粒径(d>0.
25mm)仍然有可能进入取水口.
假如引水水流的含沙量和过机粗颗粒含量得不到有效控制,势必对水轮机造成显著的磨蚀破坏.
而在工程区域区基本上没有设置沉沙池的场地条件.
因此,设计中提出了"以库代池"的水库泥沙调度方式,旨在通过水库沉降悬移质粗沙和汛期空库冲沙来达到解决枢纽取水防沙和保持水库长期有效调节库容的目的.
"以库代池"目前还处在一个推广应用过程中,缺乏相关的条例规范作指导,因此,在西溪河地洛、青松两个水电站水库沉降悬移质泥沙研究过程中,主要参照《水电水利工程沉沙池设计规范》(DLT510721999)中的有关判别条件和不设置沉沙池的标准,即过机多年平均含沙量小于0.
2kgm3和大于0.
25mm粗粒径泥沙的过机含沙量小于0.
02kgm3时可以不设沉沙池的规定.
在水库泥沙沉降分析计算中有多种方法可以选用,其目的是要得到取水口位置处的悬移质含沙量及颗粒级配.
在地洛和青松水电站两个工程可行性设计阶段,我们主要通过理论公式计算、物理沉降轨迹追踪和工程类比等3种方法进行"以库代池"的研究.
目前,西溪河地洛水电站水库泥沙模型试验刚刚完成.
为了验证设计成果的合理性,我们将模型试验成果与设计成果进行了对比分析,两者基本吻合.
2水库沉沙分析计算地洛水电站工程泥沙主要设计成果及理论公式计算和物理沉降轨迹追踪方法的分析计算情况如下.
2.
1水库泥沙调度方式地洛、青松水电站水库泥沙调度方式原则上与上游联补水电站保持一致,同步排沙,汛期采用设置汛期排沙水位和不定期敞泄冲沙相结合的调度方式.
两水库的汛期排沙水位均较正常蓄水位低4m,即降低4m运行.
汛期排沙水位分别为1213m和893m,停机敞泄冲沙的分界流量分别为350m3s和400m3s.
今后若有条件时,再适时研究西溪河各个梯级水电站之间的联合调度运行方式,以提高整个流域的综合利用效益和水电站的抗风险能力.
地洛水电站为低闸引水式电站,库区短,河道比降陡,上游来水来沙主要集中在汛期,汛期5~9月的入库推移质泥沙占全年的97.
72%,悬移质泥沙占全年的90%,因此,可以利用泥沙年内分配不均、库区短和河道比降陡的特点进行排沙.
水库淤积计算结果表明:库区泥沙淤积大约4~5a即可达到相对平衡状态,正常蓄水位以下库容损失15.
3%,剩余调节库容为24.
3万m3,满足电站日调节的需要.
地洛水电站推荐的水库泥沙调度方式为:(1)10月至次年4月:库水位在正常蓄水位1217m和死水位1216m之间运行.
如果10月至次年4月出现入库日平均流量大于350m3s时也应全闸打开停机拉沙.
94(2)汛期(5~9月):当入库日平均流量小于350m3s(相当于联补电站的流量为300m3s时),电站在汛期排沙水位1213m运行,机组正常发电;当入库日平均流量大于350m3s时,全闸打开,停机冲沙.
由于是同步冲沙,停机冲沙的天数与联补电站一致,多年平均停机4d.
根据三个典型年统计,多年平均出现含沙量大于10kgm3的天数为2d(出现在流量小于350m3s的时候),也考虑避峰停机冲沙,则多年平均停机时间为6d.
(3)由于地洛电站库容小,当坝前泥沙淤积高程接近拦污栅底板高程时,利用夜间低谷时段开启泄洪冲沙闸进行冲沙,每次停机冲沙时间约6h,以保证电站取水口门前清,每年夜间低谷冲沙大约6次.
设置汛期排沙水位的目的是控制汛期入库泥沙淤积高度,维持水库长期有效的调节库容,而在大流量时停机避峰冲沙的运行方式可以提高水库的沉沙能力,减轻坝区泥沙淤积对电站取水防沙的影响.
2.
2劳斯公式计算对于泥沙在水库中的沉降,不能简单地采用沉速乘以沉降时间作为沉降距离.
因为水流是紊动的,悬移质泥沙具有较强的扩散作用且同时带有层面间泥沙颗粒的交换.
关于悬移质泥沙运动规律的理论主要是扩散理论和重力理论,前者研究充分,公式比较成熟.
含沙量沿垂线分布理论和计算方法因河流情况与水流条件的不同而差别较大.
根据西溪河来水来沙特性和工程特点,选用《泥沙手册》中的劳斯公式对本电站取水口处断面上的悬移质含沙量垂线分布进行计算.
计算中引用了四川大学高速水力学国家重点实验室《水电站取水防沙技术研究》中有关以库代池的研究成果对劳斯公式中的沉降指数计算公式进行了修正.
劳斯公式:SSa=hy-1ha-1Z式中Z为沉降指数,Z=Ξ(KU3),其中U3为摩阻流速;K为卡门常数,K≈0.
4;Ξ为泥沙颗粒沉速;Sa为y=a处的参考点的含沙量,a=0.
04h;h为汛期坝前平均水深,单位为m;y为取水口距河底高度.
由该式计算的沉降指数Z与大量的实测资料有一些误差.
四川大学高速水力学国家重点实验室采用概率分析方法得出了相应的修正公式:Z1=Ze-0.
0137Z2-0.
0183Z+0.
0045地洛水电站水库回水长度为2484m,多年平均流量为50.
0m3s,多年平均含沙量为2.
50kgm3,正常蓄水位1217m,汛期排沙水位为1213m,电站取水口底板高程1205m,坝前河底高程为1191.
5m,取水口底板距河底高度为13.
5m即h=21.
5m,y=13.
5m.
选用典型年中水中沙年(1988年)的水沙日过程资料,对过机含沙量作分析计算.
坝址处1988年的多年平均流量为55.
9m3s,输沙量为420万t,含沙量为2.
4kgm3,水沙较多年平均(流量为50m3s、输沙量为395万t)略偏大,该年代表性较好.
1988年入库流量大于350m3s出现的天数为4d,含沙量大于10kgm3出现的天数为3d(这3d入库流量均小于350m3s),停机天数共为7d,该7d沙量为127.
5万t.
扣除7d后,年平均含沙量为1.
88kgm3,汛期5~9月平均含沙量为2.
2kgm3.
根据西溪河地洛水电站的悬沙级配资料,天然情况下大于0.
25mm粒径泥沙占的比重为9.
5%,大于0.
25mm粒径泥沙的汛期平均含沙量为0.
21kgm3,小于0.
25mm粒径泥沙的汛期平均含沙量为1.
99kgm3.
摩阻流速U3是计算泥沙沉降指数的重要参数,计算公式为:U3=(ghJ)0.
5式中h为汛期坝前平均水深,为14.
5m;g为重力加速度,为9.
8ms2,J为水面比降,采用满宁公式J=V2n2R43计算.
汛期5~9月扣除7d后平均流量为107m3s.
该流量的摩阻流速U3为1.
1cms,0.
25mm粒径泥沙的悬浮指标为3.
9.
根据含沙量沿垂线分布的扩散理论,悬浮指标Z越大,则含沙量分布越不均匀;Z越小,则含沙量分布越均匀;当Z=4时,泥沙能够悬浮的高度已经很小.
作为近似,可取Z等于5作为泥沙05进入悬浮状态的临界值.
四川大学高速水力学国家重点实验室对高水头引水式电站以库代池沉沙作了深入研究,得出了断面平均含沙量与河底参考点的含沙量的比值与悬浮指标的关系见表2.
利用劳斯公式计算,0.
25mm粒径级泥沙在表2断面平均含沙量与河底参考点的含沙量的比值与悬浮指标的关系表项目数值Z0.
1250.
20.
30.
40.
50.
60.
70.
80.
9SvSva0.
6710.
5380.
4080.
3170.
2500.
2020.
1650.
1380.
116Z11.
21.
41.
61.
822.
534SvSva0.
1000.
0760.
0600.
0490.
0410.
0350.
0260.
0200.
014取水口高程1205m处的含沙量S取与河底参考点的含沙量Sa的比值S取Sa=6.
5*10-7.
根据这一关系得出,Z=3.
9时断面平均含沙量与河底参考点的含沙量的比值S平均Sa=0.
0146.
以上两式相除,得取水口高程1205m处0.
25mm粒径级泥沙的含沙量S取与断面平均含沙量S平均的比值为4.
45*10-5.
由此得到取水口断面大于0.
25mm粒径级的汛期平均含沙量为0.
21kgm3,取水口底板高程1205m处大于0.
25mm粒径级泥沙的含沙量为0.
01gm3,进入取水口的含沙量很小,泥沙粒径基本上都在0.
25mm以下,说明水库可以较好地解决沉降粗颗粒泥沙的问题.
同样,可以计算出汛期过机多年平均含沙量.
根据电站的运行方式,考虑7d停机的情况以后,中水中沙年1988年汛期平均含沙量为2.
2kgm3,小于0.
25mm粒径泥沙的年平均含沙量为1.
99kgm3.
0.
25mm以下泥沙颗粒的平均粒径为0.
133mm,计算得悬浮指标为1.
7,取水口高程1205m处的含沙量S与河底参考点的含沙量Sa的比值为2.
0*10-3,平均含沙量与河底参考点含沙量的比值为0.
045(根据四川大学得出的断面平均含沙量与河底参考点的含沙量的比值与悬浮指标的关系而定),得到取水口高程1205m处的含沙量S与断面平均含沙量的比值为0.
044,计算得出取水口高程1205m处小于0.
25mm粒径泥沙的含沙量为0.
088kgm3.
说明水流经过水库沉降泥沙后,过机含沙量能够满足不再设置沉沙池的要求.
2.
3物理沉降轨迹追踪法地洛水电站的运行方式为:日平均流量大于350m3s(相当于联补水电站300m3s)时全闸打开,停机拉沙.
因此,分界流量350m3s时坝前水位高程1213m为电站正常发电情况下的最不利的状态,这时库区流速最大,是过机泥沙最不利的情况.
回水计算得知,库区回水长度为2484m,0.
25mm粗颗粒泥沙的沉降速度为21mms(清水中的沉速).
考虑含沙量对沉速的影响,泥沙颗粒在浑水中的沉速小于清水中的沉速.
根据《泥沙手册》中含沙量对沉速影响的分析,在入库含沙量为2.
5kgm3情况下,清水中的沉速为含沙水中的沉速的1.
23倍.
因此,0.
25mm粗颗粒泥沙在浑水中的沉降速度为17mms;在流量为350m3s状态下,库尾500m河段内,平均流速为2.
86ms.
在该河段内,粒径为0.
25mm粗颗粒泥沙在垂线方向的沉降高度为2.
97m,沉降率为27%;库尾500~1000m河段内,库区平均流速为1.
0ms,在该河段内,粒径为0.
25mm粗颗粒泥沙在垂线方向的沉降高度为8.
5m,沉降率为71.
6%;库尾1000~1500m河段,由于该段库区流速小,平均流速为0.
27ms,0.
25mm以上粗颗粒泥沙在该河段全部沉入河底,距坝址还有1km的距离.
可见,大于0.
25mm的粗颗粒泥沙几乎不能悬浮输移到枢纽河段,有害粒径进入取水口的可能性极小.
通过以上分析研究可以得出结论:地洛、青松水电站"以库代池"的水库泥沙调度方式是基本可行的.
3模型试验成果及对比分析我院委托交通部西科所承担了地洛水电站库区泥沙物理模型试验,主要内容之一就是研究取水枢纽河段泥沙冲淤特性和水库沉沙效果,评价枢纽取水防沙能力.
地洛水电站库区河道比降陡,天然水流处于非饱和状态,水库泄流能力很大,敞泄流量可达1790m3s,泥沙又集中在汛期几场大洪水中,这对集中短时间敞泄冲沙、保证电站正常运行提供15了条件.
模型以中水年水沙系列研究了地洛水电站取水口水流含沙量和颗粒级配的变化及原因,见表3.
试验资料说明:取水口含沙量比入库含沙量小一个数量级,当入库含沙量在3.
1~8kgm3时,取水口含沙量为0.
1~0.
56kgm3.
从泥沙级配看,在不同入库含沙量情况下,取水口内d>0.
1mm的泥沙重量占全部沙重的平均值的13.
1%,d>0.
25mm粗沙的百分比为零.
表4为典型代表年泥沙总沉降率;表5为多表3地洛水电站取水口入、出库含沙量及颗粒级配(模型成果)表序号Qm3·s-1S入kg·m-3S出kg·m-3取水口内小于某粒径级沙重百分比%0.
010.
0250.
050.
0750.
100.
2513406.
440.
3618.
537.
569.
080.
186.
210023247.
411.
5720.
228.
743.
257.
665.
410033234.
890.
5130.
154.
071.
280.
085.
110042334.
490.
1421.
134.
363.
181.
087.
110052243.
120.
0727.
141.
472.
085.
591.
210062367.
530.
1030.
046.
570.
180.
285.
110072246.
410.
3437.
049.
063.
180.
285.
510082425.
010.
3640.
253.
971.
381.
485.
810092047.
890.
5627.
340.
174.
382.
586.
7100年平均过机含沙量和d>0.
25mm、d>0.
1mm的含沙量.
表4典型代表年泥沙总沉降率表项目典型代表年丰水年中水年枯水年三年平均泥沙总沉降率92%93%95%93.
3%表5典型代表年平均过机含沙量表项目典型代表年丰水年中水年枯水年三年平均年平均过机含沙量kg·m-30.
140.
120.
060.
11d>0.
25mm含沙量kg·m-330000d>0.
1mm含沙量kg·m-30.
0180.
0160.
0100.
015由上述试验资料可见,地洛水电站在设计运行方式下,年平均过机含沙量约为0.
15kgm3,满足规范规定的0.
15~0.
20kgm3,d>0.
25mm粗颗粒年平均含沙量为零,满足规范规定的多年平均含沙量小于0.
02~0.
04kgm3的要求.
与设计计算成果相比,两者较为接近,说明此前设计的水库泥沙调度方式是合理的,水库沉沙计算的结果是基本可靠的,"以库代池"的水库泥沙调度方式可以解决地洛、青松水电站取水口的引水防沙问题.
4结语在上述两个水电站"以库代池"的设计研究中,我们采用上述介绍的方法完成了相关的泥沙沉降分析计算.
通过与地洛水电站泥沙物理模型试验成果比较可知,计算结果基本合理,这种研究方法可以用于其它类似工程的泥沙设计研究.
但是,目前对"以库代池"的研究大多还停留在理论方法和物理模型试验的基础上,相关原型观测资料甚少,今后需积累更多的实际观测资料,以便对理论公式和物理模型进行修正、率定,使其更好地指导和优化工程泥沙设计.
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北京:水利出版社,1982.
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作者简介:聂彪(19642),男,重庆市人,高级工程师,学士,从事水利水电工程泥沙、河道防洪治理、防洪评价等方面的设计研究工作;仇佩娟(19652),女,江苏南通人,高级工程师,学士,从事水利水电工程水文泥沙、河道治理等方面的设计研究工作;彭光敏(19812),女,四川成都人,助理工程师,学士,从事水利水电工程规划设计研究工作.
(责任编辑:李燕辉)黄河上游拟建班多水电站6月20~21日,黄河班多水电站工程可行性研究阶段勘测设计科研大纲咨询会召开,在黄河上拟建的班多水电站初拟装机容量34万kW,年发电量14.
12亿kW·h.
班多水电站位于青海省海南藏族自治州兴海县和同德县交界的黄河干流班多峡谷出口处,是黄河干流龙羊峡向上的第二个梯级电站,枢纽建筑物主要由拦河坝、泄洪闸、河床式发电厂房等组成,最大坝高约75m.
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