黄河龙口水利枢纽工程排沙洞设计

鲁永华 任智锋 高文军 李帮芬

1 入库泥沙特征

龙口水库入库沙量由万家寨水库出库沙量和万家寨—龙口区间来沙组成,万家寨水库泥沙冲淤平衡后的多年平均出库沙量为1.32亿t,万家寨—龙口区间多年平均沙量0.19亿t,龙口水库多年平均悬移质入库沙量合计1.51亿t。干流因万家寨水库拦截无推移质泥沙入库,万家寨—龙口区间推移质主要来自支流偏关河,推移质多年平均入库量1万t。龙口水库多年平均径流量178.1亿m3,多年平均含沙量6.36 kg/m3,最大含沙量289 kg/m3。龙口水库干流入库泥沙经万家寨水库调节后,出库泥沙多年平均 d50为0.023mm。万家寨—龙口区间悬移质泥沙较粗,d50为0.039mm。

龙口水库上游的万家寨水库采用“蓄清排浑”运行方式,排沙期8、9两个月。万家寨水库8、9月入库泥沙占年沙量的44%,出库泥沙占年沙量的64%。经水库调节后泥沙更为集中在8、9两个月进入龙口水库,非汛期龙口水库入库沙量不足年沙量的10%。

2 水库排沙期运用原则

为了保持一定的调节库容,龙口水库在排沙期8、9月的运用原则如下:当入库流量小于1340m3/s时,水库进行日调节,水库在死水位888m至水位892m之间运行,为保证水库的排沙效果,运行水位应尽量降低,日调节蓄水水位以满足日调节发电所需水量为控制条件。排沙期入库流量等于或大于1340m3/s时,水库在死水位888m运行,电站在基荷运行或弃水调峰。当水库因为日调节运用造成水库排沙期调节库容不能满足日调节需要时,水库水位降至885m进行冲沙。

3 枢纽排沙设施布置

黄河是著名的多泥沙河流,黄河上修建电站,解决好泥沙问题至关重要,若排沙不力,将导致库容迅速萎缩、上游河床抬高、水轮机严重磨蚀等一系列严重后果。

为减少过机泥沙,保证水库调节库容和电站“门前清”,龙口水库采用蓄清排浑、汛期排沙的运用方式:汛期大孔口(底孔)排沙、小孔口(排沙洞)冲沙。

汛期水库排沙,要有足够的泄量才能较多的冲走水库淤沙,枢纽主要的泄洪、排沙建筑物12#～16#底孔坝段布置于河床中部、电站坝段右侧,每个坝段设2个底孔,共计10个。底孔进口为有压短管,后部为无压明流洞,进口底高程863.0m,孔口尺寸4.5m×6.5m(宽×高)。枢纽共设9个排沙洞,5#～8#电站坝段每个坝段设2个排沙洞,副安装间坝段设1个排沙洞。5#～8#坝段电站排沙洞进口高程860.0m,进口尺寸5.9m×3.0m(宽×高),中间断面为φ 3.0m的圆形,出口高程854.0m,出口断面1.9m×1.9m;10#副安装间坝段排沙洞进口高程860.0m,进口尺寸3.0m×3.0m,中间断面为φ 3.0m的圆形,出口断面1.9m×1.9m,出口高程为855.0m。各坝段排沙洞进口均设有平板事故检修闸门,由坝顶双向门机启闭;出口设工作闸门和检修闸门,由尾水双向门机启闭。

4 排沙洞设计

4.1 进口高程及流量的选定

排沙洞进口高程的设置主要是考虑电站“门前清”,减少过机泥沙和粗颗粒过机。关于排沙洞进口高程的选择主要有两种观点:一种观点认为机组进水口与排沙洞进口高程差以不小于0.2H′(H′为最低运行水位至排沙洞底高程)为宜,青铜峡、天桥据此设计;另一种观点认为,只有最低运行水位至发电进水口中心距离hi与最低运行水位至排沙洞底高程的距离 hH之比小于0.4～0.5时,才能减小过机泥沙和粗颗粒过机,水头条件允许的电站均将排沙洞进口设置的较低,如小浪底、万家寨、碧口、鲁布革等电站,排沙效果良好。

龙口电站为河床式电站,水头较低,受此制约,要达到较好的排沙效果,应尽可能降低排沙建筑物进口高程,故排沙洞进口高程取河床底高程860.0m。排沙洞进口底高程确定后,引用流量的大小将直接影响到排沙漏斗的范围。排沙洞规模过小会导致拉沙能力不足,难以保证电站 “门前清”,排沙洞规模过大则会导致水能浪费。

已建类似电站排沙与发电的分流比如下:葛洲坝大江0.26∶0.74、葛洲坝二江0.15∶0.85、 八盘峡0.12∶0.88、青铜峡0.18∶0.82、大化0.21∶0.79。考虑到黄河含沙量较大的特点,龙口电站设计工况下机组坝段排沙与发电分流比取0.4∶0.6,设计洪水位896.56m时,电站地段排沙洞的单孔泄量71m3/s,副安装间坝段排沙洞的单孔泄量73 m3/s。

4.2 排沙洞进口断面确定

排沙洞进口断面尺寸依据合适的进口流速来确定,进口流速宜大于启动最大粒径时的流速。龙口电站推移到坝前的泥沙中最大粒径为80mm,用成都勘测设计研究院1978年提出的卵石起动流速公式计算,起动流速v0=3.79m/s。进口流速也不宜过大,类似情况的资料表明:当排沙洞进口与厂房进口同一断面上流速之比达3.9时,会严重影响水轮机出力。根据上述原则,拟定电站坝段排沙洞进口尺寸为5.9m×3.0m(宽×高),孔口宽度同电站进口宽度,便于门槽布置。电站坝段排沙洞进口设计流速为4.01m/s,电站进口检修门处设计流速为1.29m/s,排沙洞进口流速与电站进口流速比为3.1。因副安装间坝段排沙洞距电站进水口较远,故采用较大的进口流速以达到较好的拉沙效果,排沙洞进口尺寸为3.0m×3.0m,进口设计流速8.1m/s。

4.3 排沙洞抗磨设计

黄河泥沙具有含量高、硬度大的特点,排沙洞内水流夹沙、且流速较高(电站坝段排沙洞出口设计流速19.7 m/s,副安装间坝段排沙洞出口设计流速20.2m/s),在弯折拐角处水流方向急变,局部流速更大,极易发生冲蚀、破坏。排沙洞在抗磨设计上,尽量使排沙洞洞线平顺,弯段尽量采用较大的直径,断面形状变化时尽量采用较长的渐变段。另外,排沙洞内壁采用抗磨蚀和抗裂能力较强的材料:排沙洞前端方变圆段、中部圆形断面段和后端圆变方段内壁采用钢板衬砌,排沙洞进口段和出口段内壁采用40cm厚C40抗冲磨混凝土掺高性能UF500纤维素纤维作为抗磨层。

5 排沙洞模型试验

针对泥沙问题本工程进行了枢纽泥沙整体模型试验和电站坝段排沙洞的断面模型试验。

整体模型试验比较5个排沙洞方案(4个电站坝段每坝段设1个排沙洞+副安装间段设1个排沙洞)和9个排沙洞方案(4个电站坝段每坝段设2个排沙洞+副安装间坝段设1个排沙洞)。试验表明:设置排沙洞后,电站进水口前将形成1个冲刷槽,每个排沙洞前均形成1个冲刷漏斗;当排沙洞单独运用时,在孔口附近形成彼此相连的沙坎;与9个排沙洞相比,5个排沙洞形成的沙坎体积较大;电站与排沙洞共同运用时,9个排沙洞形成的排沙漏斗容积大于5个排沙洞,9个排沙洞的排沙效果好于5个排沙洞,9个排沙洞方案电站进水口基本能保证“门前清”。

两方案下排沙洞与电站含沙量及粒径分布见表1。

由表1可知,当排沙洞与电站共同运用时,同一库水位条件下,5个排沙洞方案与9个排沙洞方案相比,过机相对含沙量较大,泥沙粒径也较粗、从过机泥沙效果来看,设置9个排沙洞要优于5个排沙洞,在排沙洞的设置不影响机组的间距情况下,每个电站坝段宜设置2个排沙洞。

表1 排沙洞和电站相对含沙量及粒径分布表

电站坝段排沙洞断面模型试验表明:模型试验排沙洞流量和流速与设计值计算值较为接近;排沙洞进口水流十分平稳,出口两边水面经常有漩涡出现,直径约4.5m,出口中部水面波动为0.8m左右,对电站尾水扰动不大;在下泄各级洪水时,排沙洞顶部沿程压力均为正值。

6 运行期间应注意的问题

龙口水库的主要泥沙问题是偏关河的粗颗粒泥沙及泥沙淤积末端。

偏关河流域处于黄土高原,降雨量小,雨强大,暴雨集中,洪水峰高量小,洪水含沙量大,泥沙颗粒粗,年沙量大部分集中在洪水期。入库泥沙一旦落淤,再冲刷需水量较多,因此,排沙期偏关河洪水入库时,库水位应降到冲沙水位排沙。

泥沙淤积末端上延后可能影响到万家寨电站的尾水,影响泥沙淤积末端的主要因素是排沙期的库水位,库水位越高,淤积末端距万家寨电站的尾水越近,因此,当8、9月长期出现小流量时,不宜长期高水位运行。

7 结 语

本工程主要排沙设施为10个底孔和9个排沙洞,大孔口(底孔)排沙、小孔口(排沙洞)冲沙。根据自身河床式电站的特点和水库水沙特性,结合模型试验选定了9个排沙洞方案,确定了排沙洞合理的分流比、进口流速和进口尺寸。另外,针对排沙洞高速夹沙水流的的磨蚀问题,从排沙洞体型和内壁材料两方面进行了针对性的设计。