草街水电站尾水渠段扩挖清淤优化方案研究

杨忠超，耿 磊

(重庆交通大学内河航道整治技术交通行业重点实验室，重庆 400074)

0 引 言

我国许多水电站在施工期和运行后尾水河床均存在程度不同的堆渣问题。堆渣使尾水位抬高，影响建筑物的泄流能力，进而对建筑物的安全构成威胁并加大了河流沿岸不安全因素，同时由于达不到设计标准，造成了电量损失，最后通过采取尾水渠清挖清渣措施，提高了发电效益。例如，刘家峡水电站[1]通过尾水渠清挖清渣，清除堆渣约6万m3，尾水位降低2 m左右，每年增发电量在1亿kW·h以上；丹江口水电站尾水渠完成清挖清渣工程量12.9万m3，尾水位下降18 cm，年均增发电量1 121万kW·h，取得了显著的经济效益[2]；水布垭水电站先后进行了2次尾水河道清渣清挖工程，第1次尾水河道清渣清挖工程量为27.2万m3，尾水位降低0.6～1.9 m，年均发电量增加0.27亿kW·h，第2次尾水河道清渣清挖方量为5.0万m3，尾水位降低0.3～1.1 m，年均发电量可增0.15亿kW·h[3]。

近年来数值模拟技术不断完善，已成为库尾河道清淤重要的研究手段。林劲松等[4]应用一维河床冲淤变形计算模型，通过尾水河道不同疏挖方案比较，研究龙羊峡水库回水影响下的羊曲水电站尾水疏挖效果。赵忠文[5]采用数学模型和物理模型相结合的方法，研究了太平湾电厂尾水河道清淤效果。因此，通过数值模拟研究草街水电站尾水渠段扩挖清淤工程是有效可行的。

1 工程概况

草街水电站位于重庆市合川区草街镇附近的嘉陵江上，距嘉陵江河口68 km。枢纽按三级航道标准建设船闸一座，可通过2×1 000吨级船队。草街水电站自建成以来，由于上、下游开发，对清挖的废土废渣处理不当，岩石、杂物等冲到下游造成河床淤塞，使目前运行尾水位较设计尾水位(175.5 m)偏高，流道水头损失增大，导致水轮机工作水头降低，机组长期不能在高效率区工作或洪水期不能在额定出力运行。此外，在电站建设施工期间，尾水渠扩挖段乱石清淤不彻底，在机组下泄流量影响下，水流相当紊乱。草街水电站尾水渠扩挖段露出水面部分的孤石共有19个(高于175.5 m)，在乱石突出区域，形成跌水等现象(见图1)，严重影响了机组的工作水头，降低了机组的发电量。因此，对草街水电站尾水渠进行扩挖清渣，既能改善尾水渠流态，保证下泄畅通，又能降低尾水位，提高发电水头，增加发电出力，改善水电站经济效益。

图1 草街水电站尾水渠现场图片

2 数学模型的建立

2.1 研究河段网格剖分

采用浅水方程建立二维水流数学模型，选取的计算区域为上起电站下游尾水断面，下至温塘峡口，全长约6 km。计算区域网格共划分44 224个单元、20 303个节点，见图2；对局部区域网格加密，见图3。

图2 工程计算网格剖分

图3 计算网格局部

2.2 模型验证

2.2.1 水位验证

取水流量Q=627 m3/s，计算尾水位结果见表1。由表1可知，测点计算水位值与实测水位(嘉陵江2018年3月9日)比较吻合，说明数学模型水流阻力与原型比较相似，数学模型参数选择基本合理。

表1 水位验证 m

2.2.2 流速流向验证

图4为典型断面的流速验证，可见计算流速与实测流速误差在0～0.1 m/s。图5表明计算流向与实测浮标流向基本一致。因此水流数模计算的流速分布及其大小与实际水流基本吻合。

图4 流速验证

图5 流向验证

3 尾水渠清挖方案优化研究

3.1 数模计算工况

本次数值模拟计算考虑了7级流量，如表2所示。数值模拟计算尾门水位根据草街水电站2018年调度日报表给出的逐日平均流量及实测水位关系推求，如图6所示。

图6 草街枢纽坝下实测水位流量关系

表2 计算工况

3.2 测点布置

图7为统计分析电站尾水渠内水位沿程变化，

图7 测点布置示意

在电站尾水渠及以下布置水位测点共3×30个，垂线间距34.5 m，测点间距40.3 m。

3.3 清挖设计方案成果分析

3.3.1 清挖设计方案

根据草街坝下尾水渠实测地形，清挖设计方案如图8所示，对尾水渠进行大范围清挖，开挖起点桩号为坝0+215.00，保留现状钢筋混凝土底板，桩号坝0+215.00～坝0+661.51为水平段开挖，长446.51 m，设计河底高程为175.50 m。坝0+661.51～坝0+683.51为斜坡段，长22 m，从175.50 m高程开挖至173.30 m高程，斜坡坡比为1∶10。坝0+683.51之后按173.30 m高程开挖至下游河床。总清挖方量60 000 m3。

图8 清挖设计方案

3.3.2 清挖设计方案对电站下游水位的影响分析

图9为清挖设计方案清淤后尾水池沿程水位变化。表3统计了实施后各级流量尾水位(第1个测点)水位降幅。

图9 尾水渠水位沿程分布

表3 各清挖方案下游尾水位下降值

由图9和表3可知：

(1)尾水渠清挖后，草街水电站尾水位均会出现不同幅度的降落。

(2)下泄流量越小，尾水渠清挖后电站尾水位降幅越大，出库流量350～2 400 m3/s时，尾水位降低约16～27 cm。当出库流量高于6 000 m3/s，尾水渠清挖导致尾水位的降低不明显，小于3 cm。其原因是流量越小，尾水池水位越低，方案实施后改变的过水面积越大，跌水越明显。

(3)当出库流量小于1800 m3/s时，坝下300 m范围内水位明显下降；300 m后水位变幅不大。当出库流量介于1 800～13 000 m3/s时，水位降低范围限于坝下100 m内。

3.4 清挖优化方案成果分析

3.4.1 清挖优化方案

鉴于清挖设计方案尾水池水位变化范围在坝下300 m范围内。因此为了节省工程量，提出了2种优化方案。分别是：①优化方案1。尾水渠及下游河道桩号0+170.42～0+604.82清淤边界线内超出175.50 m高程部分。坝0+683.51之后按173.30 m高程开挖至下游河床。总清挖方量约40 000 m3。②优化方案2。尾水渠及下游河道桩号0+170.42～0+523.78清淤边界线内超出175.50 m高程部分。坝0+683.51之后按173.30 m高程开挖至下游河床。总清挖方量约30 800 m3。

3.4.2 清挖优化方案对电站下游水位的影响分析

从图9和表3给出的两个优化方案水位沿程分布和水位降幅统计可知，优化方案水位沿程变化与设计方案变化规律一致，水位降幅基本相当，表明优化方案缩小开挖范围，降低工程量，可达到与设计方案一样的降低尾水位的效果。同时，2种优化方案的水位降幅基本相当。

3.4.3 尾水渠清挖对电站下游流速分布的影响分析

图10为尾水渠清挖前后的流场，图11为方案实施前后沿程流速分布。

图10 计算流场(Q=1 800 m3/s)

图11 尾水渠沿程流速分布

比较清挖实施前后尾水渠流场和流速分布，由图10和图11可知：

(1)清挖前，由于电站下游于尾水渠内乱石、孤石、堆积物分布较多，河床沿程高低起伏，导致沿程流速分布比较紊乱，尾水渠清挖后，河床表面比较平整，沿程流速变得更加平顺，流态更加平稳。

(2)当流量小于1 200 m3/s时，由于尾水渠优化方案后部没有开挖，存在阻水和壅水作用，因此在桩号K+700前流速减小；设计方案全部清挖，流速分布更加平缓。当流量大于1 800 m3/s时，3个方案的流速分布均较清挖前变得平缓。

(3)比较优化方案的流场图和测点流速分布，优化方案1由于较优化方案2开挖范围更大，流速分布更为均匀、平顺。

4 结 语

草街水电站建设施工期间，尾水渠扩挖段乱石清淤不彻底，河床淤塞，运行尾水位偏高，且在乱石突出区域，形成跌水、乱流等现象，导致水轮机工作水头降低，影响机组的发电量。本文基于浅水方程建立了草街水电站下游河段二维水流模型，流速和水位验证表明计算值与实测值吻合良好，可用于清挖方案效果比选。数值模拟计算表明，清挖工程实施后可有效降低尾水位，尾水渠水流更加平顺，增加发电效益。清挖后尾水渠水位变化限于坝下300 m范围内，设计方案和优化降低尾水位的效果基本相当。综合考虑清挖工程量和尾水渠内流速分布，推荐优化方案1。