黃河龍口水利樞紐工程排沙洞設計

魯永華 任智鋒 高文軍 李幫芬

1 入庫泥沙特征

龍口水庫入庫沙量由萬家寨水庫出庫沙量和萬家寨—龍口區間來沙組成,萬家寨水庫泥沙沖淤平衡后的多年平均出庫沙量為1.32億t,萬家寨—龍口區間多年平均沙量0.19億t,龍口水庫多年平均懸移質入庫沙量合計1.51億t。干流因萬家寨水庫攔截無推移質泥沙入庫,萬家寨—龍口區間推移質主要來自支流偏關河,推移質多年平均入庫量1萬t。龍口水庫多年平均徑流量178.1億m3,多年平均含沙量6.36 kg/m3,最大含沙量289 kg/m3。龍口水庫干流入庫泥沙經萬家寨水庫調節后,出庫泥沙多年平均 d50為0.023mm。萬家寨—龍口區間懸移質泥沙較粗,d50為0.039mm。

龍口水庫上游的萬家寨水庫采用“蓄清排渾”運行方式,排沙期8、9兩個月。萬家寨水庫8、9月入庫泥沙占年沙量的44%,出庫泥沙占年沙量的64%。經水庫調節后泥沙更為集中在8、9兩個月進入龍口水庫,非汛期龍口水庫入庫沙量不足年沙量的10%。

2 水庫排沙期運用原則

為了保持一定的調節庫容,龍口水庫在排沙期8、9月的運用原則如下:當入庫流量小于1340m3/s時,水庫進行日調節,水庫在死水位888m至水位892m之間運行,為保證水庫的排沙效果,運行水位應盡量降低,日調節蓄水水位以滿足日調節發電所需水量為控制條件。排沙期入庫流量等于或大于1340m3/s時,水庫在死水位888m運行,電站在基荷運行或棄水調峰。當水庫因為日調節運用造成水庫排沙期調節庫容不能滿足日調節需要時,水庫水位降至885m進行沖沙。

3 樞紐排沙設施布置

黃河是著名的多泥沙河流,黃河上修建電站,解決好泥沙問題至關重要,若排沙不力,將導致庫容迅速萎縮、上游河床抬高、水輪機嚴重磨蝕等一系列嚴重后果。

為減少過機泥沙,保證水庫調節庫容和電站“門前清”,龍口水庫采用蓄清排渾、汛期排沙的運用方式:汛期大孔口(底孔)排沙、小孔口(排沙洞)沖沙。

汛期水庫排沙,要有足夠的泄量才能較多的沖走水庫淤沙,樞紐主要的泄洪、排沙建筑物12#～16#底孔壩段布置于河床中部、電站壩段右側,每個壩段設2個底孔,共計10個。底孔進口為有壓短管,后部為無壓明流洞,進口底高程863.0m,孔口尺寸4.5m×6.5m(寬×高)。樞紐共設9個排沙洞,5#～8#電站壩段每個壩段設2個排沙洞,副安裝間壩段設1個排沙洞。5#～8#壩段電站排沙洞進口高程860.0m,進口尺寸5.9m×3.0m(寬×高),中間斷面為φ 3.0m的圓形,出口高程854.0m,出口斷面1.9m×1.9m;10#副安裝間壩段排沙洞進口高程860.0m,進口尺寸3.0m×3.0m,中間斷面為φ 3.0m的圓形,出口斷面1.9m×1.9m,出口高程為855.0m。各壩段排沙洞進口均設有平板事故檢修閘門,由壩頂雙向門機啟閉;出口設工作閘門和檢修閘門,由尾水雙向門機啟閉。

4 排沙洞設計

4.1 進口高程及流量的選定

排沙洞進口高程的設置主要是考慮電站“門前清”,減少過機泥沙和粗顆粒過機。關于排沙洞進口高程的選擇主要有兩種觀點:一種觀點認為機組進水口與排沙洞進口高程差以不小于0.2H′(H′為最低運行水位至排沙洞底高程)為宜,青銅峽、天橋據此設計;另一種觀點認為,只有最低運行水位至發電進水口中心距離hi與最低運行水位至排沙洞底高程的距離 hH之比小于0.4～0.5時,才能減小過機泥沙和粗顆粒過機,水頭條件允許的電站均將排沙洞進口設置的較低,如小浪底、萬家寨、碧口、魯布革等電站,排沙效果良好。

龍口電站為河床式電站,水頭較低,受此制約,要達到較好的排沙效果,應盡可能降低排沙建筑物進口高程,故排沙洞進口高程取河床底高程860.0m。排沙洞進口底高程確定后,引用流量的大小將直接影響到排沙漏斗的范圍。排沙洞規模過小會導致拉沙能力不足,難以保證電站 “門前清”,排沙洞規模過大則會導致水能浪費。

已建類似電站排沙與發電的分流比如下:葛洲壩大江0.26∶0.74、葛洲壩二江0.15∶0.85、 八盤峽0.12∶0.88、青銅峽0.18∶0.82、大化0.21∶0.79?？紤]到黃河含沙量較大的特點,龍口電站設計工況下機組壩段排沙與發電分流比取0.4∶0.6,設計洪水位896.56m時,電站地段排沙洞的單孔泄量71m3/s,副安裝間壩段排沙洞的單孔泄量73 m3/s。

4.2 排沙洞進口斷面確定

排沙洞進口斷面尺寸依據合適的進口流速來確定,進口流速宜大于啟動最大粒徑時的流速。龍口電站推移到壩前的泥沙中最大粒徑為80mm,用成都勘測設計研究院1978年提出的卵石起動流速公式計算,起動流速v0=3.79m/s。進口流速也不宜過大,類似情況的資料表明:當排沙洞進口與廠房進口同一斷面上流速之比達3.9時,會嚴重影響水輪機出力。根據上述原則,擬定電站壩段排沙洞進口尺寸為5.9m×3.0m(寬×高),孔口寬度同電站進口寬度,便于門槽布置。電站壩段排沙洞進口設計流速為4.01m/s,電站進口檢修門處設計流速為1.29m/s,排沙洞進口流速與電站進口流速比為3.1。因副安裝間壩段排沙洞距電站進水口較遠,故采用較大的進口流速以達到較好的拉沙效果,排沙洞進口尺寸為3.0m×3.0m,進口設計流速8.1m/s。

4.3 排沙洞抗磨設計

黃河泥沙具有含量高、硬度大的特點,排沙洞內水流夾沙、且流速較高(電站壩段排沙洞出口設計流速19.7 m/s,副安裝間壩段排沙洞出口設計流速20.2m/s),在彎折拐角處水流方向急變,局部流速更大,極易發生沖蝕、破壞。排沙洞在抗磨設計上,盡量使排沙洞洞線平順,彎段盡量采用較大的直徑,斷面形狀變化時盡量采用較長的漸變段。另外,排沙洞內壁采用抗磨蝕和抗裂能力較強的材料:排沙洞前端方變圓段、中部圓形斷面段和后端圓變方段內壁采用鋼板襯砌,排沙洞進口段和出口段內壁采用40cm厚C40抗沖磨混凝土摻高性能UF500纖維素纖維作為抗磨層。

5 排沙洞模型試驗

針對泥沙問題本工程進行了樞紐泥沙整體模型試驗和電站壩段排沙洞的斷面模型試驗。

整體模型試驗比較5個排沙洞方案(4個電站壩段每壩段設1個排沙洞+副安裝間段設1個排沙洞)和9個排沙洞方案(4個電站壩段每壩段設2個排沙洞+副安裝間壩段設1個排沙洞)。試驗表明:設置排沙洞后,電站進水口前將形成1個沖刷槽,每個排沙洞前均形成1個沖刷漏斗;當排沙洞單獨運用時,在孔口附近形成彼此相連的沙坎;與9個排沙洞相比,5個排沙洞形成的沙坎體積較大;電站與排沙洞共同運用時,9個排沙洞形成的排沙漏斗容積大于5個排沙洞,9個排沙洞的排沙效果好于5個排沙洞,9個排沙洞方案電站進水口基本能保證“門前清”。

兩方案下排沙洞與電站含沙量及粒徑分布見表1。

由表1可知,當排沙洞與電站共同運用時,同一庫水位條件下,5個排沙洞方案與9個排沙洞方案相比,過機相對含沙量較大,泥沙粒徑也較粗、從過機泥沙效果來看,設置9個排沙洞要優于5個排沙洞,在排沙洞的設置不影響機組的間距情況下,每個電站壩段宜設置2個排沙洞。

表1 排沙洞和電站相對含沙量及粒徑分布表

電站壩段排沙洞斷面模型試驗表明:模型試驗排沙洞流量和流速與設計值計算值較為接近;排沙洞進口水流十分平穩,出口兩邊水面經常有漩渦出現,直徑約4.5m,出口中部水面波動為0.8m左右,對電站尾水擾動不大;在下泄各級洪水時,排沙洞頂部沿程壓力均為正值。

6 運行期間應注意的問題

龍口水庫的主要泥沙問題是偏關河的粗顆粒泥沙及泥沙淤積末端。

偏關河流域處于黃土高原,降雨量小,雨強大,暴雨集中,洪水峰高量小,洪水含沙量大,泥沙顆粒粗,年沙量大部分集中在洪水期。入庫泥沙一旦落淤,再沖刷需水量較多,因此,排沙期偏關河洪水入庫時,庫水位應降到沖沙水位排沙。

泥沙淤積末端上延后可能影響到萬家寨電站的尾水,影響泥沙淤積末端的主要因素是排沙期的庫水位,庫水位越高,淤積末端距萬家寨電站的尾水越近,因此,當8、9月長期出現小流量時,不宜長期高水位運行。

7 結 語

本工程主要排沙設施為10個底孔和9個排沙洞,大孔口(底孔)排沙、小孔口(排沙洞)沖沙。根據自身河床式電站的特點和水庫水沙特性,結合模型試驗選定了9個排沙洞方案,確定了排沙洞合理的分流比、進口流速和進口尺寸。另外,針對排沙洞高速夾沙水流的的磨蝕問題,從排沙洞體型和內壁材料兩方面進行了針對性的設計。