黄河刘家峡水库增建减淤发电工程及调控关键技术研究与应用

李新杰，周 恒，李 晖，孙海涛，王海涛，付廷勤，费秉宏，王 婷

(1.黄河水利科学研究院,郑州 450003；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；3.国家电网甘肃省电力公司,兰州 730031;4.国网甘肃省电力公司刘家峡水电厂，甘肃 永靖 731600)

0 前 言

在多沙河流上兴建水库会改变河流的水流条件和泥沙运动状态，使泥沙在水库库区内淤积，造成有效库容逐年减少，影响水库综合效益的发挥[1]。随着泥沙淤积形成的沙坎不断向坝前推进，水库发电机组过机含沙量也会逐渐增加，加重机组磨损，缩短机组检修周期，增加机组检修时间，降低机组使用寿命，并会影响枢纽泄洪、排沙、发电及安全运行[2-4]。因此，对多沙河流上的水库开展工程和非工程措施的水沙调控技术研究就显得尤为重要。

自1974年三门峡水库采用“蓄清排浑、调水调沙”运用方式以来，国内外相关学者分别从水电站水沙优化调节中的排沙与泥沙处理技术、水库水沙联调多目标模型构建和模型求解等方面开展了相关理论研究工作[5-8]。而相关流域管理机构和水库管理部门也先后开展了梯级水库水沙电等多目标优化调度工程实践工作，并积累了大量的理论成果和工程管理经验[9-12]。由于多沙河流水沙条件的不确定性及水库泥沙运动规律的复杂性，使得水库防洪减淤节能增效的水沙调控技术有待于进一步系统化和全链条化。本文通过对黄河流域刘家峡水库泥沙运动规律和水沙调控理论研究和实践，提出水沙调控理论和工程实践的新思路，探索多沙河流水库减淤增效、节水增容的工程和非工程成套关键技术，并应用于刘家峡水库增建减淤发电工程及水沙调控实践中，旨在提升刘家峡水库的综合利用效益。

1 刘家峡水库概况

黄河刘家峡水库作为新中国成立60周年“百项重大经典建设工程”，是新中国乃至亚洲第一座百万千瓦级的大型水电站工程[13]。水库位于甘肃省永靖县境内的黄河干流上，距兰州市上游约100 km，是黄河上游龙～青段梯级水电开发规划的第15座水电站，是一座以发电为主兼有防洪、灌溉、防凌、养殖等综合利用并具有年调节能力的大型水利水电枢纽工程，电站装机容量1 390 MW，不仅承担西北电力系统调峰、调频任务，亦承担下游灌溉和防凌等综合利用任务[14-15]。刘家峡水电站与上游龙羊峡水电站联合调度运行，进行梯级水电站群联合补偿调节，使龙～青段梯级水电站群梯级保证出力和年发电量最大[16-17]。

刘家峡水库自1968年10月15日正式蓄水以来，到2015年汛后的近50 a间，全库共淤积泥沙16.86亿m3，剩余库容40.15亿m3，库容损失29.6%[18]。刘家峡水库坝前淤积主要是洮河泥沙引起的[19]。洮河在刘家峡大坝上游约1.5 km处汇入黄河干流，是一条水少沙多的河流，其多年平均入库沙量约2 860万t，占总入库沙量的31%，而其库容仅为总库容的2%。洮河库段死库容于1978年已淤满，水库运行到2002年汛后，洮河淤积三角洲顶点河床高程约1 720.00 m，比水库死水位1 694.00 m高出26 m，而在汛限水位1 726.00 m以下运行，已基本上成为河道性输沙，在三角洲顶点以下的前坡段至坝前形成异重流，泥沙直接输向大坝，洮河库容已基本上无滞沙能力，洮河泥沙对电站正常运行的威胁愈来愈严重[20]。洮河泥沙大量向坝前输移，使过机粗泥沙增多，加剧了水轮机的泥沙磨损，使机组检修周期缩短，检修时间加长，检修工作量增大，机组正常投运台数减少，严重影响了安全发电，降低了发电效益。另外，洮河库区泥沙淤积速度显著大于干流，进入洮河口的泥沙出现扩散现象，在洮河口附近黄河干流形成沙坎状淤积形态，坝前淤积面逐年淤高，沙坎河段淤积床面高程曾达到1 707.00 m，高出设计死水位13 m，水库调节能力下降，并出现过下游需水时，因沙坎阻水使河段过流能力不足而水位骤降的沙坎阻水现象[21]。为降低沙坎高程，曾进行过4次(1981、1984、1985、1988年)降低水位拉沙运行，虽有一定排沙效果，但由于实施过程排沙耗水量大、系统协调难度大，以后再未进行。

2 刘家峡水库增建减淤发电工程及调控关键技术

针对刘家峡水库泥沙淤积问题及水库安全及电站经济运行带来的危害，提出了水库异重流输沙理论与旁道排沙技术、复杂条件水下大型岩塞爆破理论和关键技术及“水、沙、电”一体化调控、全链条防淤抗磨与节水增效的技术，对刘家峡水库增建减淤发电工程及调控关键技术进行了优化研究与实践，研究技术路线如图1所示。

2.1 水库异重流输沙理论与旁道排沙技术

针对多沙河流水库泥沙淤积问题，对于库区内支流高含沙洪水入汇引起库区局部地形大幅度调整，甚至有产生较大规模的沙坎而形成二级水库的现象，特别是库区支流含沙洪水具有历时短、强度大、不同于干流异重流运动规律的边界条件特殊性的特点，开展了支流异重流入汇区水沙演化、支流异重流倒灌干流运动规律、以及交汇区泥沙淤积分布规律研究，探讨支流异重流倒灌干流浑水厚度、扩散角、头部流速、倒灌距离与流量、含沙量、入汇角、干流比降、库水位等因子之间的响应规律，探讨支流倒灌干流距离、形成沙坎高度与入库水沙、库区形态和水库调度的响应关系式；研究支流异重流入汇干流的输沙理论[22]。并基于该理论分析刘家峡水库坝前淤积问题，从调控改善水沙关系入手，研究在库岸底部设置旁道排沙洞系统工程进行库底排沙减淤的技术。形成的“水库异重流输沙理论与旁道排沙技术”具体如下：

图1 技术路线图

(1) 通过多沙河流水库干支流异重流倒灌的物理模型试验，分析了支流异重流入汇干流前后水流运动状态、异重流浑液面以及异重流头部运行特点以及流速、含沙量分布变化，提出了异重流倒灌距离与流量、含沙量、比降、入汇角等水沙及边界条件的响应关系式[23]：

(1)

式中:L为倒灌距离,m;Q为进口流量,L/s;J为干流比降。揭示了多沙河流支流异重流入汇区沙坎演化过程及成因，构建的沙坎抬升高度与运用水位、入库水沙等参数响应关系式：

(2)

式中:hL为沙坝历年抬升高度，m；ΔH为刘家峡水库运用年最高水位与平均水位差，m；WsH为红旗站来沙，亿t；WH为红旗站来水量，亿m3；lT为洮河淤积三角洲顶点距坝里程，km；WsX为循化站来沙量，亿t；WX为循化站来水量，亿m3。A为常数，取8.25×1016，通过对洮河异重流倒灌黄河干流运行长度计算值与实测值对比可知，计算结果与实测值吻合较好(见图2)。

图2 倒灌长度计算值与实测值对比图

刘家峡水库坝前沙坝历年抬升高程实测值与计算值对比较吻合，如图3所示。

图3 沙坝抬升高度实测值与计算值对比图

(2) 基于上述理论研究成果，结合物理模型试验和一、二维数学模型建模计算成果，优化比选并设计了排沙流量600 m3/s、洞径10 m、长1 487 m及洞身40°分岔引水、弃水发电的刘家峡水库增建排沙发电系统工程，见图4所示。

增建排沙发电系统工程建成运行5 a以来，运用水库异重流输沙理论与旁道排沙技术，洮河异重流排沙比由原来的60%～70%提高至95.3%，提高了约47%，仅排沙洞共排出泥沙1 050万t；原有机组过机含沙量明显降低，由11.9 kg/m3降为3.93 kg/m3，降低了67%。对减缓水库淤积、坝前淤积床面抬高、保证枢纽安全运行起到了积极的作用。

图4 排沙发电系统平面图

2.2 复杂条件水下大型岩塞爆破理论和关键技术

通过研究刘家峡水库增建减淤发电工程深水厚覆盖下的大型岩塞爆破陀螺分布式药室布置、爆破计算理论和方法，研发了为岩塞爆破创造自由面的爆破成腔理论及爆破成腔测试技术；创建高精度三维钻孔迹线定位法、岩塞灌浆等技术；构造深水高密度厚覆盖层中冲水系统[25]。形成的复杂条件水下大型岩塞爆破理论和关键技术具体如下：

(1) 提出了“覆盖层扰动→岩塞预裂成型→ 爆除岩塞→覆盖层再次扰动→冲水下泄”的爆破程序(见图5)。通过深水、厚覆盖、高密度的大直径岩塞一次性爆通技术，实现了爆通岩塞、精准成型、集碴稳定、振动可控、下泄顺畅的技术目标。

图5 岩塞爆破程序图

基于深水高密度厚覆盖下创造岩塞爆破自由面的爆破空腔理论；提出“电极阵列测试爆破空腔”技术，解决了厚淤积覆盖条件下的岩塞可爆性问题。

(2) 针对深水厚覆盖复杂条件下岩塞“阻抗平衡”和药量计算的难题，提出了深水厚覆盖下的大型岩塞爆破陀螺分布式药室布置、爆破计算理论程序和计算方法。研究并完善了深水厚淤积高密度覆盖的水下岩塞爆破陀螺分布药室布置及药量计算理论。水下岩塞爆破综合难度系数HD值为2 116 m2。提出的陀螺分布式药室布置方式见图6。

图6 陀螺分布式药室结构示意图

具有厚淤积覆盖的水下集中药包爆破计算药量的爆破作用指数修正如公式(3)～(4)所示：

(3)

(4)

式中：Q为炸药用量，kg；K为标准抛掷爆破单位耗药量，kg/m3；W为最小抵抗线，m；f(n水)为爆破作用指数函数；n水为水下爆破作用指数；n陆为陆地上爆破作用指数；H水为爆破时覆盖层表面以上水深，m；H淤为爆破时最小抵抗线处岩石面上淤积(或覆盖层)厚度，m。

公式(3)～(4)中爆破作用指数修正系数μ是(H水+2H淤)的幂函数，可以简化为：

μ=0.8017H0.108

(5)

当H=0时，μ=0；当μ=1时，H=7.74，公式适用于具有一定的水深条件，规定水深应大于20 m。

通过爆碴、沙、水和气等四相流在长隧洞中岩塞爆破冲击瞬间下泄状态的运动机理和规律数值模拟分析，研究了多碴、多泥沙、少水等复杂多相混合流在长隧洞中易淤堵的技术，构建了深水高密度厚覆盖层中冲水系统，确保了岩塞爆除，淤积物顺畅下泄，满足了刘家峡洮河口排沙洞排沙、泄洪、发电的综合功能[25-26]。复杂淤积覆盖条件下多相流下泄运动规律数值模拟分析见图7。

图7 复杂淤积覆盖条件下多相流下泄运动规律数值模拟分析图

提出的复杂条件水下大型岩塞爆破理论和关键技术，解决了处在深水、高密度、厚淤积覆盖的大口径岩塞一次安全爆通的难题，最终实现了刘家峡水库增建减淤发电工程深水厚覆盖下大型岩塞精准爆通、集碴稳定、振动可控、下泄顺畅的效果。

2.3 “水、沙、电”一体化调控、全链条防淤抗磨与节水增效技术

针对刘家峡水库增建减淤发电工程建成后，存在排沙与发电相结合的、特殊的、运行条件近乎恶劣且又具有重大作用的问题，研究了排沙发电系统淤积或磨蚀部位与机理，探讨了浑水排沙弃水发电“一洞两用”节水增容及动边界条件下排沙与发电优化调控方法；集成研发了“水、沙、电”一体化调控、全链条防淤抗磨与节水增效技术[27]。

(1) 水沙电一体化调控技术。针对排沙发电系统进口盲洞段淤堵的问题，提出了以排沙为主、兼顾冲淤排沙弃水发电的“一洞两用”技术。既可实现排沙洞库底排沙减淤，调节水库水沙关系，解决近坝支流汇入引起的坝前淤积问题，又可利用冲淤排沙弃水及水库弃水发电，使排沙洞“一洞两用”，并提出节水利用、浑水发电新技术。通过增建排水系统水沙电一体化合理调度，合理、充分地利用水资源，提升了刘家峡水库综合运用效益。

(2) 防淤抗磨技术。针对高含沙水流在输水发电系统存在全流程各部位泥沙淤积、磨损破坏问题，通过CFD分析软件优化水力设计，适当降低转轮出口相对流速，加强水轮机结构设计，采用抗磨性能良好的不锈钢材料及加工工艺、抗磨喷涂等主要措施，减轻了机组过流部件的磨损，提高了水轮机的抗磨蚀性能，延长了机组检修周期，确保机组运行稳定和安全。基于此集成提出了集进口盲洞段防淤堵、闸门门槽抗磨蚀、排沙洞洞身段抗冲磨、发电洞及调压井防淤减淤、水轮机组抗磨蚀及尾水渠防沙石等全链条防淤抗磨技术。

(3) 节水增效、扩机增容技术。针对排沙发电系统进口盲洞段排沙淤积与发电之间存在水资源矛盾的问题，总结国内已建工程排沙设施进水口的淤堵实例及其给水库安全运行带来的巨大风险和危害，创新性地提出了解决增建排沙洞的进口在非排沙期淤堵的扩机技术方案，实现了集约节水利用、弃水再利用，增加发电效益，不仅解决了排沙发电系统进口盲洞淤积问题，又能利用这部分排沙弃水和水库梯级调度的弃水装机发电，使宝贵的水资源得到充分合理利用，形成了弃水再利用的集约型节水新技术。

3 工程应用及效益

研究成果已在刘家峡水库增建减淤发电工程(洮河口排沙洞及扩机工程)中得到全面应用。2015年排沙洞建成投运，2018年排沙洞300 MW发电工程并网投产，并发挥了巨大防洪效益、安全效益、供水(灌溉)效益、节水效益和发电效益。

(1) 洮河口排沙洞建成运行，异重流排沙效果良好。洮河口排沙洞2015年9月6日成功进行岩塞爆破，排沙洞扩机机组2018年8月发电。2018年刘家峡水库采用洮河排沙洞异重流排沙8次，排沙洞用水量为同期出库水量的23.8%，排沙占同期出库沙量的75.5%，平均出库含沙量38.6 kg/m3，为过机含沙量的9.8倍，平均排沙比95.3%。与采用原有泄水道异重流排沙(1974年至2015年)相比，过机含沙量和排沙耗水率明显降低，泄水道排沙耗水率由原来的38.2 m3/t降低到25.9 m3/t，降低了32%。过洞沙量明显增加，排沙效果比设计预期更好[28]。

(2) 洮河口沙坎淤积高程得到控制。以黄4号断面为例，洮河口排沙洞未进行充分异重流排沙前，2015年和2016年的2个汛期，黄4号断面平均淤积抬高约0.8 m，非汛期冲刷约0.5 m，年平均淤积抬高0.3 m。2017年和2018年的2个汛期仅淤积抬高约0.3 m。考虑非汛期的冲刷作用，年平均淤积抬高值更小，沙坎淤积抬升势头基本得到控制。

(3) 坝前泥沙淤积抬升得到控制。以黄2号断面为例，断面主槽2014—2015年淤积83 m2，河床淤高1.3 m，2015—2016年淤积面积194 m2，河床淤高3 m，2016—2018年冲刷5 m2，河床降低约0.1 m。洮河排沙洞建成运行后，洞口前形成冲刷漏斗，洮河口形成约20 m深的冲刷深槽，截排了大部分洮河来沙，进入坝前段沙量显著减少，坝前段淤积明显趋缓，扭转了坝前泥沙不断累积淤积的被动局面，降低了坝前泥沙淤积对闸门安全运行的威胁。

(4) 排沙能力增强。异重流排沙时段，坝前机组过机含沙量明显降低，机组磨损问题趋缓；非异重流排沙时段，洮河入库含沙量较低，在洮河口仍有明显的异重流现象，洮河口扩机电站进水口高程较低，其前有规模较大的冲刷漏斗及冲刷主槽，洮河入库相较干流含沙量较大的水流入槽，洮河口排沙洞扩机机组过机平均含沙量明显比坝前发电机组的高，2018、2019年平均过机含沙量分别为坝前的2.4、3.7倍。由于经2018年较大流量、较长历时冲刷排沙，洮河口冲刷主槽充分形成，有利于洮河来沙分选入槽，提高了洮河口排沙洞水流挟沙效果，同样流量挟沙量更大，过机含沙量倍比增加。

(5) 节水增效、扩机增容。洮河口排沙洞及扩机电站建成运行后，基本解决了困扰刘家峡水电站多年安全运行的电站工程泥沙问题，增加发电效益，解决了原有电站装机容量偏小、利用小时偏低的问题，提高了电站机组检修备用率和电力系统的调峰、调频和事故备用容量，在提高电网安全、电能品质、经济运行等方面发挥积极的作用。按照发电效率增长率为刘家峡水电厂全场发电量的2%考虑，设计上网电价0.355元/kWh，近3 a扩机工程累计发电量30.352亿kWh，弃水再利用90.68亿m3，发电效益10.77亿元。近3 a扩机工程发电效益见表1。

表1 近3 a扩机工程发电效益表(截止2020年5月底)

4 结 论

(1) 刘家峡水库增建减淤发电工程及调控关键技术在刘家峡洮河口排沙洞及扩机工程得到了全面应用，利用“水库异重流输沙理论与旁道排沙技术”，大幅减少坝前淤积量和水库过机含沙量，起到了较好的排沙减淤效果，恢复或提高了水库原有的功能，延长了水库使用寿命。

(2) 利用“复杂条件水下大型岩塞爆破理论和关键技术”，实现了增建减淤发电工程岩塞爆破一次精准爆通，满足功能要求、安全稳定、成型优良的高标准要求。

(3) 采用“水、沙、电”一体化调控、全链条防淤抗磨与节水增效技术，实现了水资源的集约节约利用，提高电网系统调峰、调频及备用容量，增加电量效益和电能品质，提高了工程综合效益。

随着黄河流域泥沙运动动力学机制、泥沙调控技术的深入研究，多沙河流水库泥沙调控关键技术将会不断完善，并将发挥更大的作用。