潍坊抽水蓄能电站过机泥沙预测研究

席伟彦，刘 欣，赵海镜，张艳红

(1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；2.国网新源控股有限公司，北京 100761；3.隆化县水务局，河北 承德 068150)

目前，我国正在大力发展新能源产业，各地已建、在建或规划了大量抽水蓄能电站。抽水蓄能电站具有调峰填谷、调频调相、紧急事故备用等作用，机组启动与停机过程较频繁、负荷变化大，其运行包括水轮机工况和水泵工况，这些运行特点与常规电站水轮机或水泵不完全一样。抽水蓄能电站的水头一般都很高，通过电站水轮机的水流流速很大，水流中挟带泥沙，水流和泥沙共同作用于水轮机，对水轮机产生较大的破坏作用，因而对过机泥沙控制的要求特别高[1-3]。抽水蓄能电站进、出水口水流泥沙流态复杂，给过机泥沙的分析带来一定难度。目前，该方面虽有一定的研究进展[4- 6]，但尚无成熟的确定方法。宝泉抽水蓄能电站曾委托武汉大学进行了物理模型试验，试验的目的是研究抽水蓄能电站运行过程、水轮机过机泥沙情况。通过研究，建立了不同的来水来沙条件下，入库含沙量与抽水时过机含沙量的关系曲线；在此基础上，综合分析各种影响因素，提出了一种估算过机泥沙的方法[7]。潍坊抽水蓄能电站位于山东省潍坊市临朐县，设计过程中需对其过机泥沙进行预测。本文借鉴宝泉抽水蓄能电站的过机泥沙估算方法，经过工程类比，对其进行改进以计算潍坊抽水蓄能电站过机泥沙。

1 工程概况

潍坊抽水蓄能电站装机容量1 200 MW(4×300 MW)，满发利用小时为5 h。电站建成后，在山东电网系统中承担调峰、填谷、调频、调相和紧急事故备用等任务。电站上水库正常蓄水位628.00 m，死水位598.00 m；下水库正常蓄水位289.00 m，死水位266.00 m。为保证抽水蓄能电站正常发电，在下水库内设置抽水蓄能电站保证发电库容，相应保证发电水位为273.50 m。下水库利用已建嵩山水库，控制流域面积154 km2，现状正常蓄水位289.00 m，死水位266.00 m，汛期限制水位284.50 m，防洪高水位为290.46 m，是一座以防洪、灌溉为主，兼有养殖、发电等综合利用的中型多年调节水库。

2 电站下水库泥沙特征

2.1 流域产沙概况

潍坊抽水蓄能电站下水库无泥沙监测资料，根据2017年4月实测的嵩山水库库区地形计算库容曲线，并与建库前原始库容曲线相比，嵩山水库47年总淤积量为146.4万m3，水库排沙比按5%计，则水库47年总入库沙量为153.7万m3。淤积主要集中在库内中前部，死水位266.00 m下淤积量为131.7万m3，占总淤积量的90%，正常蓄水位289.00 m至死水位之间的淤积量为14.7万m3。

根据现场查勘，嵩山水库库尾泥沙颗粒较细，粗颗粒泥沙含量较少，推移质沙量按总沙量的5%考虑，则年入库悬移质沙量为3.11万m3，年入库推移质沙量为0.16万m3。水库泥沙悬移质干容重1.30 t/m3，推移质干容重1.65 t/m3，则年入库悬移质沙量为4.04万t，年入库推移质沙量为0.27万t，年入库总沙量4.31万t，多年平均含沙量为1.59 kg/m3。

2.2 下水库泥沙特征

下水库所在的五井石河为山区性河流，流域植被覆盖率高，水土保持状况良好，河流水量较小。根据邻近流域的黄山水文站1960年～2000年水沙资料统计，多年平均流量过程与输沙量过程对应关系良好，水沙过程基本同步，具有水大则沙大，水小则沙小的特点；水沙年内分配不均，水沙均主要集中在汛期6月～9月。

电站预可行性研究阶段在嵩山水库库尾河床取得悬移质落淤泥沙沙样，并进行了颗粒级配和矿物成分分析试验(见表1、2)。

表1 潍坊抽水蓄能电站下水库悬移质泥沙颗粒级配

表2 潍坊抽水蓄能电站下水库悬移质泥沙矿物成分及含量 %

3 下水库泥沙淤积及回水计算成果

3.1 下水库泥沙淤积计算

3.1.1 下水库泥沙淤积计算方法

潍坊抽水蓄能电站下水库没有实测水文、泥沙资料，不具备详细冲淤计算的基本条件，本文依据嵩山水库2017年实测地形资料对嵩山水库淤积进行了估算。将嵩山水库在2017年实测的水位库容曲线和建库前的水位库容曲线进行对比，得到建库以来嵩山水库库容曲线变化规律，按时间比例估算电站建成后淤积50年的库容曲线。

3.1.2 下水库泥沙淤积计算成果

(1)淤积量估算。嵩山水库已运行47年，现状泥沙淤积问题不严重，且库沙比较大。根据施工组织设计，潍坊抽水蓄能电站下水库施工期在进出水口处设置围堰，不影响水库正常运行，潍坊抽水蓄能电站规划水平年2025年，电站建成后运行50年，即从现状库区地形测量时间(2017年)起淤积58年，总淤积量为189.7万m3。其中，悬移质180.2万m3，推移质9.5万m3。

(2)剩余库容与淤积高程估算。嵩山水库作为潍坊抽水蓄能电站下水库以后，不改变水库的运行方式，因此水库泥沙将按现状淤积形态继续淤积。根据建库以来嵩山水库库容曲线变化规律，按时间比例估算电站建成后淤积50年的库容曲线，成果见图1。

图1 嵩山水库淤积50年库容曲线

嵩山水库水位266.00～273.50 m之间为电站下水库专用库容。根据电站建成后淤积50年库容曲线，266.00 m以下淤积量为162.5万m3，占现状死库容的40.5%；266.00 m至273.50 m水位之间的淤积量为19.7万m3，占现状专用库容的2.46%。

电站下水库进出水口位于水库右侧，距离坝线306.0 m，进出水口附近的实测断面DM6深泓高程为256.40 m，进出水口处现状地面高程为267.10 m。电站建成50年后，水库库容在260.50 m高程以下全部淤满，坝前淤积高程为260.50 m，适当预留安全裕度，取进出水口断面淤积高程为262.00 m。另按坝前段主要为悬移质，采用平衡比降法，悬移质泥沙淤积比降取河床比降的50%，推算至进出水口的淤积高程为261.80 m，推算的嵩山水库坝址泥沙淤积形态图(电站建成50年)见图2。嵩山水库现状放水洞的底板高程为262.00 m，因此进出水口处泥沙淤积长期保持在262.00 m以下是有保证的。

图2 嵩山水库坝址泥沙淤积形态(50年)

3.2 下水库回水计算成果

采用基于天然河道恒定非均匀渐变流的基本方程进行计算。根据库区不同淹没对象防洪标准采用不同频率(P=3.33%、5%、20%)设计洪水，对应洪峰流量下的水库回水尖灭点距坝址约4.68～4.86 km。

4 电站过机泥沙估算

鉴于目前尚无成熟的抽水蓄能电站过机泥沙计算方法，且不同抽水蓄能电站的工程特性有一定差别；因此，在进行潍坊抽水蓄能电站过机泥沙估算时，不能照搬其他已有成果。本文先对潍坊和宝泉抽水蓄能电站进行工程类比，分析工程特性差别对过机泥沙的影响，对宝泉抽水蓄能电站的过机泥沙计算采用“宝泉公式”进行改进，来计算潍坊抽水蓄能电站过机泥沙。

4.1 类比条件

宝泉和潍坊抽水蓄能电站特性比较情况如表3所示。

表3 宝泉和潍坊抽水蓄能电站特性比较

4.2 宝泉抽水蓄能电站物理模型试验成果

文献[7]试验成果表明：除床面泥沙起悬影响外，过机含沙量的大小取决于上游来水来沙量、进出水口高程、沿程淤积等主要因素。根据观测结果建立不同淤积水平年条件下，入库含沙量与抽水过机含沙量关系式。在进、出水口淤积高程可事先预测的前提下，分析各式间的系数变化关系如

(1)

式中，Dz为进/出水口累计淤积厚度，m；S入库为入库含沙量，kg/m3；S抽水为抽水过机含沙量，kg/m3。

4.3 潍坊抽水蓄能电站过机含沙量估算

由表3可以看出，宝泉和潍坊抽水蓄能电站的多年平均入库悬移质含沙量比较接近，都是悬移质沙量集中在汛期7月和8月；并且来沙从入库到坝前已经历了约6 km长河段的淤积。其次，两个电站抽水时段接近；而洪水历时一般为24 h，洪峰期较短，洪峰本身不一定与抽水时间相遇。另外，电站发电时将会有大部分的由下水库抽入上库的泥沙自上库返回，再加上一些防止泥沙过机的措施；因此两个电站入库泥沙有相近的条件。鉴于潍坊抽水蓄能电站下水库进出水口与坝址的距离小于宝泉抽水蓄能电站，本阶段潍坊抽水蓄能电站过机含沙量先分析进出水口与坝址的距离差可能带来的过机含沙量差别，然后参考“宝泉公式”，采用一定的改进措施进行过机含沙量计算。

由泥沙扩散理论中“悬浮指标”[8]的概念：当悬浮指标Z(Z=ω/κU*。其中，ω为单颗粒泥沙在静水中的沉速，m/s；κ为卡门常数，取κ=0.4；U*为摩阻流速，m/s)< 5.0时，某粒径的泥沙颗粒能够在相应的河流里起悬；当Z≥ 5.0时某粒径的泥沙颗粒不能够在相应的河流里起悬。经过计算，对于进出水口处的水流，粒径d=0.03 mm对应的悬浮指标值约为5.0；结合实测悬移质泥沙级配成果可知，粒径小于0.03 mm的沙重百分数为约35%，即有约35%的悬移质泥沙在进出水口处可以起悬。而在距离坝前1.5 km处d=0.1 mm对应的悬浮指标值仍小于5.0，说明在距离坝前1.5 km处，小于0.1 mm的泥沙全部可以起悬。基于以上分析，本阶段潍坊抽水蓄能电站过机含沙量取“宝泉公式”计算结果的0.35倍。

按式(1)计算结果的0.35倍估算潍坊抽水蓄能电站各月过机含沙量，即按式(2)估算潍坊抽水蓄能电站各月过机含沙量

(2)

根据推算得到的下水库逐月入库径流成果、嵩山水库建库前和现状水位-库容曲线，经过试算得到汛期(5月～10月)流量和输沙率之间的关系如下

(3)

式中，Qs为悬移质输沙率，kg/s；Qm为洪峰流量，m3/s。

发生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况下，可由式(2)得到不同频率洪水对应的入库含沙量S入库，然后采用式(3)可推算得到发生不同频率洪水时的抽水含沙量作为过机含沙量，见表4。

表4 发生不同频率洪水时的潍坊抽水蓄能电站过机含沙量成果

5 结 语

本文分析了潍坊抽水蓄能电站下水库泥沙特性，开展了下水库泥沙淤积及回水计算。借鉴宝泉抽水蓄能电站过机泥沙计算方法成果，根据泥沙紊动扩散理论，在工程类比的基础上，通过对“宝泉公式”进行改进，推算得到了潍坊抽水蓄能电站发生不同频率洪水时的过机含沙量。遇到同类工程时，建议按以下方法预测过机泥沙。

(1)分析工程下水库泥沙特性，开展下水库泥沙淤积及回水计算。

(2)根据河流动力学相关理论，在工程类比的基础上，分析具体工程和宝泉抽水蓄能电站的差别，对“宝泉公式”进行改进。

(3)利用改进的“宝泉公式”进行具体抽水蓄能电站过机泥沙预测。