陕西镇安抽水蓄能电站泥沙淤积及防排沙措施研究

刘 娜,武金慧,杜志水

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概况

陕西镇安抽水蓄能电站位于镇安县境内的月河上，枢纽工程主要由上、下水库、输水系统、地下厂房及开关站组成[1]，属纯抽水蓄能电站。上水库位于月河右岸支沟——金盆沟，利用沟谷地形筑坝形成，下水库位于月河干流上，电站装机容量1 400 MW，额定水头430 m。电站一般在用电低谷时段作抽水填谷工况运行[2]，在用电高峰时段作发电调峰工况运行，日抽水历时平均为8 h，平均抽水流量297 m3/s，日抽水量855万m3。工程施工总工期67个月，第1台机组投运工期58个月。

月河地处镇安县西部地区，是旬河流域在镇安县境内最大的一级支流，降水多集中在汛期，该流域位于秦岭南麓浅山区，由于降水较多，地表植被较好，多为林木、灌木、杂草所覆盖。流域内无明显降水时，河道水流清澈，含沙量很小；当降水较大时，水流含沙量明显增加，流域泥沙主要来源于降水对地表的冲刷。

镇安抽水蓄能电站较近且有较长系列泥沙资料的水文站为旬河柴坪站，以柴坪站作为工程设计依据站。根据柴坪水文站泥沙资料统计分析，上库、下库坝址多年平均悬移质输沙量分别为0.053 1万t、6.86万t，多年平均推移质输沙量分别为0.007 97万t、1.03万t，多年平均含沙量均为1.06 kg/m3，汛期(6—10月)平均含沙量1.42 kg/m3，悬移质中值粒径约为0.022 mm。

2 下库泥沙问题初步分析

(1) 调节库容

镇安抽水蓄能电站上库正常蓄水位1 392.00 m，相应库容996万m3；死水位1 367.00 m，相应库容139万m3，调节库容857万m3；下库正常蓄水位945.00 m，相应库容1 308万m3，死水位910.00 m，相应库容324.1万m3，调节库容983.9 万m3。镇安抽水蓄能电站装机容量为1 400 MW时发电所需有效库容约为846万m3，水损备用库容约110万m3(由下库承担)，则下库需要的调节库容约956万m3，由于上下水库设计的调沙库容余度较小，泥沙淤积可能损失调节库容，将影响电站的正常调节运行。

(2) 过机含沙量

镇安电站设计的下库多年平均入库含沙量为1.06 kg/m3，汛期(6—10月)平均含沙量1.42 kg/m3，最大月(8月)平均含沙量2.21 kg/m3。抽水蓄能电站水头一般都很高，通过转轮流道的水流流速很大，水流中携带泥沙，水流和泥沙共同作用于水轮机，对水轮机产生巨大的磨损作用，因而抽水蓄能电站对过机泥沙控制的要求特别高。根据不同抽水蓄能电站允许过机含沙量类比分析，镇安抽水蓄能电站允许过机平均含沙量不宜超过35 g/m3，允许过机泥沙中值粒径小于0.03 mm。对于上述入库水沙条件和水库情况，在不考虑避峰敞泄排沙运行情况下，仅依靠水库沉沙以降低过机含沙量并达到镇安抽水蓄能电站过机含沙量要求是难以做到的，而避峰敞泄排沙运行方式对系统影响较大，在电站实际调度运行中实行难度较大。过机含沙量相对较大,对机组磨损问题比较严重。

因此，解决镇安抽水蓄能电站工程泥沙问题是保持调节库容，降低过机含沙量，满足发电机组的要求。

3 工程防排沙措施设计

3.1 工程防排沙措施的提出

本次采用一维泥沙数学模型[3]对镇安抽水蓄能电站下水库泥沙淤积计算分析。

(1) 计算方法

根据镇安抽水蓄能电站日调度原则，将1 d内水库的运行分为4个阶段：抽水阶段、静水沉降阶段、发电放水阶段和再次的静水沉降阶段。抽水阶段以及发电放水阶段下水库均作一维分汇流水沙数学模型计算，下库上边界条件为入库水沙，下边界条件为下水库坝前水位，在进/出水口[4]上下游附近虚拟分汇流节点，以沿程分汇流的方式近似模拟抽放水时进/出水口附近水沙运动。

上下水库泥沙因抽放水发生交换，抽水时下库分水含沙量为进/出水口断面含沙量；泥沙抽入上库后在静水阶段沉降，上库淤积量为该部分沉降泥沙；经沉降后的含沙水流在放水发电时汇入下库，参与下库泥沙淤积[5-6]。

(2) 典型年的选取

根据柴坪站的水文系列资料统计分析，选择P=5%、P=25%、P=50%、P=75%、P=95%共5个典型年，计算的坝址平均流量为2.11 m3/s，与设计的坝址长系列多年平均流量2.04 m3/s相近。

(3) 电站抽、放水过程

镇安抽水蓄能电站上水库正常蓄水位1 392.00 m、死水位1 367.00 m，下水库正常蓄水位945.00 m、死水位910.00 m。运行方式按日调节考虑[6]，电站日抽放水过程见表1。表1为1 d内24 h 流量过程，负数表示抽水(即从下水库抽水至上水库)，正数表示发电(即从上水库发电至下水库)。

表1 镇安抽水蓄能电站日抽、放水过程表

(4) 计算结果

镇安抽水蓄能电站多年平均入库含沙量1.06 kg/m3，水库运行不同年限淤积计算成果见表2，电站进/出水口断面淤积高程见表3，抽、放水发电时平均过机含沙量及相应泥沙中值粒径D50见表4，过机泥沙级配变化见表5、6。

表2 水库泥沙淤积成果表

表3 电站下库进/出水口断面淤积高程表

表4 不同运行年限过机含沙量及中值粒径成果表

水库运行50年有效库容损失率约6%，进/出水口淤积高程为896.63 m，较电站下库进/出水口底板高程894.00 m高2.63 m，较拦沙坎高程896.00 m高0.63 m；经水库淤积后，随着运行年限延长、平均过机含沙量增大，从20年平均过机含沙量0.043 5 kg/m3上升至100年平均过机含沙量0.048 6 kg/m3。根据运行经验，水头在200～500 m范围时，限制平均过机含沙量0.1～0.03 kg/m3，水头越高，机组转速越大，标准应更高。因此，计算的过机含沙量无法满足镇安抽水蓄能电站允许过机含沙量要求，过机水流含沙量较大，对水轮机磨损较严重[7]，影响电站正常运行。

通过模型计算分析，不采取工程防排沙措施，电站运行过机含沙量较大，难以满足镇安抽水蓄能电站允许过机含沙量要求。为了减少库内泥沙淤积，减轻机组的泥沙磨损，保证电站正常运行，在工程枢纽布置上，采取在下水库电站进/出水口上游设置拦沙坝。

3.2 工程防排沙措施布置

拦沙坝距下库坝址约2.0 km，坝上设置溢流堰，坝前设置1孔泄洪排沙洞(1号泄洪排沙洞)，排沙洞进口高程与天然河床基本一致，排沙洞出口位于下库坝址下游。排沙洞能够下泄20年一遇的洪水(设计20年一遇洪水流量765.00 m3/s)，满足拦沙坝水库泄洪排沙要求。

表5 不同运行时段抽水工况平均悬移质泥沙颗粒级配成果表

表6 不同运行时段发电工况平均悬移质泥沙颗粒级配成果表

下库坝址处设有泄洪排沙洞(2号泄洪排沙洞)，洞径4.0 m，底槛高程880.00 m，主要任务为泄洪排沙和放空水库，1、2号泄洪排沙洞同时开启，可使100年一遇洪水顺利下泄，满足下水库排沙对泄流规模的要求，为下库泄洪排沙和有效控制库区泥沙淤积创造了条件。

下库电站进/出水口位置距坝址约1.3 km，底板高程较进水口断面天然河道高出约7 m。由于其上游河道上设拦沙坝，结合排沙运行方式[8]，一般情况下保持清水进入下库，使下库成为有利于抽水蓄能电站运行的清水水库。

为防止含沙洪水进入上水库而形成浑水上库，影响电站正常发电运行，上库库周设置排洪沟，汛期发生洪水时，含沙水流不入上水库，直接从排洪沟排走。

3.3 采取工程措施后水库淤积计算及结果

(1) 上水库

上水库周边设置排洪沟，洪水泥沙不入库，仅抽水挟沙进入上库，由于下库长期保持清水水库运行，抽水挟沙可忽略不计，因此，上水库可不考虑泥沙淤积问题。

(2) 下水库

设计中考虑超过20年一遇的洪水部分入库水沙才能翻过拦沙坝进入下库。经对柴坪站洪水资料分析，39 a实测资料中，仅2002年特大洪水洪峰流量超过20年一遇，其流量大于20年一遇洪峰的历时约4.5 h，泥沙淤积不严重，因此，下水库可不考虑泥沙淤积问题。

(3) 拦沙坝

拦沙坝水库采用汛期开闸敞泄排沙运行方式，水库运行后将逐步形成以造床流量控制的淤积平衡床面。采用2年一遇洪水作为造床流量，考虑以推移质为主淤积平衡比降，取天然河道比降的1/2,即1%。

根据分析的水库泥沙淤积形态，采用水库三角洲冲淤经验模型，进行水库泥沙淤积计算。淤积平衡后，库内共淤积9.4万m3，淤积河段长度389.00 m，坝前平均淤积高程927.60 m。

镇安下水库库尾设置拦沙坝的主要目的是泄洪排沙和给下库补充清水。根据水库排沙运行方式，超过20年一遇的洪水部分水沙才能翻过拦沙坝进入下库，泥沙淤积对电站运行影响甚微，除初期蓄水进出下水库的泥沙外，后期运行几乎无泥沙进出下库。因此，下水库库水清澈，能够满足抽水蓄能电站对过机含沙量的要求。

4 结 语

(1) 抽水蓄能电站水量在上下库之间往复循环，所需要的水库库容往往较小，泥沙淤积会造成调节库容的损失；且常规抽水蓄能电站均为高水头电站，镇安抽水蓄能电站额定水头为446 m，对过机含沙量的要求很高。

(2) 本文通过水库淤积一维数学模型计算分析，不采取工程防排沙措施，有效库容损失率随着电站运行年限增加而增大，且电站运行过机含沙量较大，难以满足镇安抽水蓄能电站允许过机含沙量要求，对水轮机磨损较严重，影响电站正常运行。

(3) 为了长期保持有效库容，保证电站取水的水质要求，提出防排沙工程措施，利用有利的地形条件，在下水库拦河坝上游设置拦沙坝，坝前设置泄洪排沙洞，能够下泄常遇洪水，保持清水进入下库，使下库成为有利于抽水蓄能电站运行的清水水库，满足抽水蓄能电站对过机含沙量的要求。

参考文献:

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[4] 丁志华,李义茂. 抽水蓄能电站进/出水口的水力设计[J].西北水电,1985,(S1):117-135.

[5] 张建,詹义正,郭选英.河南国网宝泉抽水蓄能电站泥沙问题研究[G].中国水力发电工程学会水文泥沙专业委员会学术讨论会，2007：224-227.

[6] 陈储军,张帜,易越.蒲石河抽水蓄能电站泥沙问题分析[J].水文科技信息,1997,(3):11-15.

[7] 王铁锋,刘书宝,夏传清.水文泥沙专业在抽水蓄能电站设计中的关键技术问题及探讨[G].中国水力发电工程学会水文泥沙专业委员会学术讨论会，2003：430-432.

[8] 向波，宋刚福，周婷，周晓蔚. 抽水蓄能电站水沙调度研究[J].水力发电学报, 2012, 31(4):89-93.