基于抽水蓄能电站的下游河道水利特性优化分析

李保虎

(华北电力大学,北京 100096)

0 引 言

现实地质条件的限制会促使抽水蓄能电站的布置形式发生变化,其设计布局通常会影响到下游河道的水流冲刷等[1-2]。同时,下水库建成后,与下游河段的水位相差很大,若不采取相应的防护措施,可能会对水工建筑物和下游河道造成严重的损害[3-4]。为此,许多学者进行了相关研究。周望武[5]对梅州的抽水蓄能电站进行了深入分析,并对消能率进行了探讨,为降低下游河道冲刷提供了帮助。Alfredsen K等[6]将巴西、加拿大等国家的水电开发进行了比较分析,为减少水电发展中的生态破坏提供了建设性意见。孟健[7]对泄洪隧洞的消能特性进行了分析,从而有效提升了泄洪洞的消能效率。

在此背景下,本文对抽水蓄能电站的下游河道水力特性进行研究与优化,旨在减少下游水流流态紊乱、偏转等不利情况的出现,降低对下游河道的破坏,并改进水库的建设。

1 基于抽水蓄能电站的下游河道水利特性优化研究

1.1 抽水蓄能电站的水库水利特性分析

针对设计与运行偏差导致的泄洪道下泄水流流态紊乱的问题,本研究在物理模型的基础上,对抚宁抽水蓄能电站的下游河道水利特性进行研究优化分析,并通过实验验证其有效性。抽水蓄能电站是指在电网处于低谷时,将电力输送至上游水库,在高峰时段将其排入下游发电的电站。其可以在电网负荷较低的情况下,在高峰期间把多余的电力转化为高附加价值的电力,并可用于调频、稳态周波、电压等,同时可作为应急备用以及提高火力发电厂和核动力装置的工作效率[8-9]。根据不同的情况,可以将抽水蓄能电站分为不同的类型,其内容见图1。

图1 抽水蓄能电站分类类型内容

从图1可以看出,根据有无自然径流的存在,将抽水蓄能电站划分为纯抽水和混合抽水蓄能电站;根据调节能力的不同,可分为日调节、周调节、季节调节;根据所安装的抽水蓄能装置的种类,可划分为四机分置式、三机串联式和二机可逆式;按排列特征可将其划分为首部、中部、尾部;按照其运行工况,可以分为静止、发电、抽水、发电调相以及抽水调相;按照启动方式,可分为静止变频启动和背靠背启动。抽水蓄能电站在调整电网的运行过程中,主要依靠电站上下两个水库的流量进行交换,因此在设计中必须考虑到两个方向的流量。如果上水库漏水,可造成大量的水资源流失、抽水以及电力损耗,因此在抽水蓄能电站上进行水库的防渗是十分必要的。

抽水蓄能电站的特点与一般水电站有较大区别,它通过输水建筑物在上下两个水库之间进行流量的交换。电站上下水库的水位在正常水位和正常水位之间变化,如果在发电过程中遇到洪水,自然洪峰和发电站的水量就会相互影响,尤其是水库的调节能力不强,自然洪峰的流量又较大的情况下,其安全问题尤为突出。因此,与传统的水电站相比,蓄能电站的蓄水调整和排水结构的设置要复杂得多。在抽水蓄能电站下水库泄水建筑物的布局中,一般采用岸上溢洪道和小型泄洪洞相结合、坝体溢洪道和大流量泄洪洞结合、大型泄洪洞独立泄洪。另外,抽水蓄能电站的特点还有产能增长大、发展速度快、发电系统中作用重要、技术成熟等。

在实际水利工程中,抽水蓄能电站的作用主要是电力调动管理。首先是解决电网调峰问题日趋突出的情况;其次是充分发挥调压调相的功能,确保电网电压的稳定;最后则是保证电网的安全、稳定运行,充分发挥应急后备功能。此外,抽水蓄能电站的可逆水泵-电力电动机组运行工况、监控对象、自动化元件都比较多,信息量较大,其运行要求也较传统的水电站控制系统要高。目前,已建成的抽水蓄能电站在运行和管理上均达到较高的水准,主要体现在人员精简,基本实现无人或少人工作;总体效率较高,总体综合效率约75%;设备的可用率和启动成功率都比较高。

1.2 物理模型实验理论方法研究

为了直观地分析抽水蓄能电站下游河道的水利特性,本研究采用物理模型的方式来实现操作。在物理模型中,重要的泄洪建筑物分别为岸边侧槽溢洪道和泄洪放空洞。侧槽溢流设计方案为溢流式,包括溢流堰、消力池段等,其具体设计内容见图2。

图2 侧槽溢流具体设计内容

从图2可以看出,溢洪道从溢流堰到消力池段总计321.1m。其中,溢流堰总计50m,高5m;侧槽的首部底宽约2.5m,高程约218m,底板厚度1.5m,而出口的底宽和高程分别为5和213m。侧槽的底坡设置为11%,侧槽内侧的坡比设定为1:0.6。溢洪道下泄最大流量210.6m3/s。当处于全开工况时,其流量系数计算公式如下:

(1)

式中:m为溢洪道全开时的流量系数;P为泄量;B为闸孔的宽度;g为重力加速度;H为溢流堰堰顶以上的水头。

当处于局部打开时,其流量系数计算公式如下:

(2)

式中:μ为溢流堰局部打开时的流量系数;e为闸门的开启高度。

工程导流阶段的泄洪放水孔是无压力的,而在操作阶段工作闸门前是有压力的[10]。泄洪洞为短压进口结构,包括导流段、底流消能段和护坦段等。具体设计内容见图3。

图3 泄洪放空洞具体设计内容

从图3可以看出,泄洪放空洞从进口闸室开始至消力池为止,全长总计448.5m。其中,进口闸室选用岸塔式的方式进行布置,其闸室底部的高程总计180m,段长总计26m,底坡4.7%,下泄最大流量743.6 m3/s。在物理模型数据中,洪水起始水位是在最低发电量与正常水位之间的任何一种可能水位。抚宁抽水蓄能电站在满足电网调峰需求的前提下,在调整时充分考虑到机组在不同的发电量和洪水之间的相互影响。同时,在天然洪水进入下游水库后,要及时开闸泄洪,将库水排出,并严格控制下库水位,以保证蓄能电站正常运行时的调蓄能力,防止发电量过多和人为洪峰。

为了防止人为洪灾,调整期间,洪峰前的下泄水量不得超过入库洪水;洪峰过后,下游的下泄水量不会超过最大的洪水。同时,要确保水库的发电量,防止出现过多的洪水。在考虑到洪峰和机组的出力时,应采取不同的操作模式。在出现超出设计标准200年或更高的特别洪水、下水库水位超出设计洪峰水位并有继续上升的趋势时,电站必须停止运行,利用泄洪设备进行泄洪。因此,抽水蓄能电站的特征水位和泄量见图4。

图4 抽水蓄能电站的特征水位和泄量

从图4可以看出,物理模型实验工况总计4个,分别为校验洪水并将泄洪洞闸门全开(工况1)、设计洪水并将泄洪洞闸门全开(工况2)、泄洪洞闸门的局开并设计防冲洪水(工况3)以及洪水常遇并将泄洪洞闸门局开(工况4)。

在校验洪水并将泄洪洞闸门全开中,最大泄洪总量954.2 m3/s。溢洪道为210.6 m3/s,泄洪洞为743.6m3/s,水库内最高水位224.59m,而下游水位168.04m。在设计洪水并将泄洪洞闸门全开中,最大泄洪总量728.2 m3/s。溢洪道为0m3/s,泄洪洞为728.2m3/s,水库内最高水位223m,而下游的水位167.29m。泄洪洞闸门的局开并设计防冲洪水中,最大泄洪总量为642m3/s。溢洪道为0m3/s,泄洪洞为642m3/s,水库内最高水位223m,而下游水位166.99m。洪水常遇并将泄洪洞闸门局开中,最大泄洪总量为53 m3/s。溢洪道为0 m3/s,泄洪洞为53m3/s,水库内最高水位2 239m,而下游水位163.84m。

最后,依据物理水工模型中的实验规程,将模型的初拟比尺取值为50。因此,整体的物理水工模型范围包含上下游两个的要求设计,分别为上游段必须是来流平滑段,下游段要包含消能区下游段的水流通畅段。总体采用泄洪排水孔,从0～200m的上游至0～890m的泄洪洞,模型总长度为218m。泄洪洞和进水塔、溢流堰、消力池等均为有机玻璃材料。模型按设计单位提出的要求,将防冲速度设定为1～2m/s,平均设置为15m/s。

2 下游河道水利优化效果分析

在已有数据分析结果下,将进行常规的消能防冲性能测试。该测试通常以水工模型为基础,但由于河道水利优化,应将在建工程作为考虑,因此将进行基于河工动床模型的参数修正,从而代替既定的水工消能防冲。以某市境内某蓄电站为例,进行河工动床模型修改实验,修改后的结果见图5。

图5 改造后河道分布

从图5可以看出,原河道的地形建模中,针对河道左岸的深泓运动进行分析发现,下游的防护段前部的冲刷会叠加主流顶冲,会对左岸的防护进行冲击。这种情况会在水流经过左面桥墩的情况下,对大桥下游的弯道顶点承载造成威胁,会直接影响到其安全性能。在修正结果中,将护底长度缩减60m,且右岸的边界与定床相连,右岸边坡也被取消。此外,鉴于下游的护底深度仅1m,护坦难以抵挡冲刷。本研究还对下游冲刷深坑进行处理,在完整的河工动床模型下,对改进前后的河道冲刷情况进行性能测试,测试具体情况见表1。

表1 改进前后冲刷性能测试结果

表1的原方案和改进方案1的冲刷面积大于方案2和方案3。这是因为水流受到消能墩影响,发生了二次跌落,左侧的护坦会造成水流单宽流量增加,从而导致一部分水流冲刷下游边坡,形成扰流冲刷;另一部分会随主道水流冲刷,增加冲刷面积和深度。方案2和方案3的数据中,左岸430-480段冲刷面积远大于其他地带。这是因为方案仅保留了左岸的护坦下游面,没有定床贴坡将加剧水面的二次跌落,原有动床将被破坏,随着冲刷进行,深度能到6.5以上,存在安全隐患。

为了测试防冲性能,本研究记录了各个位置的水位情况,结果见图6。

图6 各个方案的河流水位情况

在图6的水岸线情况中,随着冲刷过程进行,水位能达到总体下降。图6(a)的左岸情况显示,改进方式均能改善护坦末的水位;图6(b)的水位情况显示,改善措施并未对右岸水位有所影响。因此,在各个方案下,能确保消能防冲条件的水流通过大桥,但护坦下游左岸以及下游右岸顶点处容易造成冲刷情况,扭面和下游河道衔接过程还需进行基础防护。

鉴于此,本研究将再进行改进实验,以解决各种安全隐患问题。本次实验将尝试降低消力池底板,取消导墙和消力墩,护坦左岸扭面和贴坡也将被取消,以围脚堰作为边界;针对下游需防护问题,将定制一个防护坡。在新的模型基础上进行防冲工况测试,以验证水利特性。工况设置将模拟洪水冲流参数,工况1设置长为40m、厚度为2m的护坦抛石;工况2将增设顶点防护抛石(12.5m×40m×2.5m);工况3对护坡末端增设3个抛石,左岸抛石与工况2抛石相仿,右岸抛石为15m×30m×5m。对新的优化设置进行消能防冲工况测试,水流情况见表2。

表2 洪水参数为1%的流速测试

表2中,洪水参数1%表示百年一遇洪水,这是所有洪水强度中最强的一种。在该条件下,流速最高能达到6.38m/s。工况2设置的抛石防护出现5.5m的冲刷坑,增大抛石厚度降低了冲刷坑的深度,并且当流速过大时,抛石将承受巨大冲击。因此,改进意见是舍弃密度较小的碎石堆积,选取柔性高强度的材料作为抛石。

另一个性能测试为河道的冲刷实验,冲刷性能的变量为洪水强度,因此设置了各种力学参数冲刷实验。各条件下的流速数据见表3。

表3 不同洪水参数条件下各地段的流速测试

表3工况测试中,包括强度最高的1%洪水冲刷测试,洪水能通过大桥,表明整体水利方案可行。在2%和5%的洪水强度下,水流直线流动,且水势较猛,在此之下的洪水强度中水流会出现变向情况。上述导流组的强度与5%类似,但下游的水势演变结局较5%组别更缓。根据河道冲刷实验和工况测试结果,建议在下游40m处增设抛石,且抛石材料为柔性高强度,以抵御高强度冲击;左岸的防护工程迎水面和下游右岸顶点处进行加固防护。

3 结 论

抽水蓄能河道电站会在下水库形成水位落差,在考虑洪水的情况下,需要进行防护设置,使其水利特性容纳泄洪与消能力。本研究针对原有的水工模型进行分析,对消力池的各参数进行对比优化,选择将曲面挑坎和折流坎作为泄洪洞和溢洪入口的版型,并将优化的河工动床方案用于实际的水利特性优化改进实验,在不同等级的洪水强度下,改进方案能接受最高强度的洪水冲击,最大流速出现在护坡末增设40m×2m抛石的冲击条件,速度为6.38m/s。基于水利特性测试结果,将在后续研究中增设防护方案优化实验,以增强消力池和下游河道的性能。