泥沙淤積對電廠取水口影響研究

張緒進，張金林，周 勤，張 湛

(1.重慶交通大學西南水運工程科學研究所，重慶400016;2.重慶交通大學 河海學院，重慶400074)

為了保證火電廠冷卻水的正常供應，需要對冷卻水的取水口做合理的規劃布置，在這個過程中取水口泥沙運動特性及沖淤變化分析是首要問題［1］，該問題的研究對電廠今后安全運行至關重要。

自1958年我國開始自主研究火電廠發電以來［2］，伴隨著火力發電的快速發展，對電站取水口泥沙問題的研究也取得了一定的成果，但這些都是對于天然河流、水庫等取水口的泥沙問題的研究，對處于變動回水區內取水口泥沙問題的研究則很少?；厮儎訁^內［3-6］，水庫運行引起該河段水位壅高，水流速度減小，水流挾沙能力降低，河段將出現累積性淤積，淤積量隨著水庫運行年限而增大，河床不斷抬高，向高灘深槽方向發展。取水口位置泥沙的淤積、河床演變、水流條件的變化都有可能影響到電廠的正常取水，而泥沙淤積是影響電廠冷卻水工程布局的主要問題［7］。因此，為了保證電廠的正常運行，對變動回水區內取水口位置泥沙淤積的研究顯得十分必要。

1 工程河段概況

華能江津電廠新建工程位于重慶市江津區油溪鎮境內的長江左岸，電廠取水口初步選定位于江津油溪鎮境內的長江挖斷山河段，目前工程河段為天然河道，多年來河床基本保持沖淤平衡狀態，取水口河段下游距規劃建設的長江小南海樞紐壩址僅約58 km，根據相關設計資料顯示［2］，小南海樞紐正常蓄水位為197 m(吳淞高程)，回水長度約60 km，因此小南海樞紐建成后，電廠取水口工程將位于小南海庫區回水變動區上段，其水流條件及泥沙沖淤情況均會發生重大變化，并對電廠的正常取水造成重要影響。而且擬建工程河段為“S”型彎曲河道，其中上段孝順灘(距宜昌航道里程為765 km)至金剛背(距宜昌航道里程為760 km)河道彎曲，左岸有勝中壩、陡沙坎、關刀磧相連，岸線規則，但關刀磧磧翅伸出江中較開，枯水期河道較窄，右岸有孝順灘、密灘盤等大小礁石，岸線不規則，其下9塊田磧壩深入江中，與左岸金剛背相對，航槽彎窄，在金剛沱凹岸一側，經水流長年累月的淘刷，形成深水沱，該處有回流汛后有淤沙，在河道左岸為凸岸淤積區，部分泥沙會在此沉積下來形成寬闊的磧壩燕壩;中段狗扒巖(距宜昌航道里程760 km)至燕壩尾(距宜昌航道里程758 km)為過渡段，河道相對順直，其中左岸有狗扒巖、螃蟹石，岸線不規則，右岸則為燕壩，岸線順直，水流平緩;下段葫蘆磧(距宜昌航道里程758 km)至油溪鎮(距宜昌航道里程753 km)河道彎曲，左岸為葫蘆磧，岸線規則但較彎，其下有龍磧子等突出，岸線不規則，右岸有雞公灘，石旺子等礁石、突咀，岸線極不規則，流急水亂。河段河勢見圖1。

圖1 工程河段河勢Fig.1 River regime of engineering reach

2 模型設計與制作

2.1 模型比尺

由于本試驗河段屬山區河流，河道邊界條件較為復雜，水流三維性強，且試驗的主要任務是研究取水口附近泥沙運動規律對取水的影響，根據試驗任務要求，綜合考慮試驗場地、供水能力等因素，模型范圍和模型相似條件選用平面比尺λL=200，垂直比尺λh=100，變率η=2的變態模型。

2.2 模型制作

模型地形根據長江干線瀘渝段納溪至婁溪溝航道圖測量工程項目部2007年4月施測的工程河段1∶5 000地形圖，采用斷面板法進行縮制。平面上用三角網和主、副導線進行控制，斷面間距60～70 cm(模型值)。全河段共塑造了95個斷面，對于局部復雜地形采用加密斷面板法進行復制。制模河段為長江距宜昌航道里程765～753 km全長約12.0 km的河段。

2.3 模型相似

試驗重點研究電廠取水口工程附近水沙條件，模型設計除確保水流條件相似外，還須確保泥沙運動、河床沖淤的相似［7］。因此，要求模型水流須同時滿足阻力相似和重力相似;懸沙須同時滿足沉降相似，揚動相似和挾沙能力相似;底沙須同時滿足起動相似、沉降相似和輸沙量相似［8］。

2.4 模型沙的選擇

合適的模型沙是確保模型沖淤相似的重要條件。精煤性能穩定，比重適中，便于加工，是目前廣泛采用的材料之一［1］。本泥沙模型試驗選用榮昌精煤作模型沙，其容重為1.33 t/m3，具有比重輕、性質穩定等優點，加工后其粒徑范圍可滿足模型沙級配要求，模型沙起動特性是在長50 m，寬0.6 m，高0.8 m的變坡水槽內進行的，試驗水深范圍為3.3～28.56 cm，中值粒徑為0.03 ～1.65 mm，模型沙沉降流速及容重委托長江水利委員會上游水文水資源勘測局進行檢測。模型沙與原型沙有關特性見表1。

表1 原型沙與模型沙(煤粉)特性Table 1 Characteristics of prototype sand and model sand/(t·m －3)

3 研究方法

本泥沙試驗采用20世紀90年代減沙后的來水來沙系列(1991—2010系列)進行重復試驗，考慮到規劃的小南海樞紐尚未開工建設，其開工到建成尚需一定時日，而天然情況下工程河段為典型的山區河流，其年內雖有一定的沖淤變化，但年際沖淤基本保持平衡狀態，因此本模型渾水泥沙試驗將在模型上首先模擬10 a天然情況水沙變化過程，然后在此基礎上進行小南海水庫運行后水沙試驗，小南海建成后將施放30個水文年，放水系列見表2。

表2 模型渾水泥沙試驗放水系列Table 2 Model drainage of muddy water sediment test series

模型流量和尾門水位采用西南水運工程科學研究所自行研制的SX-1微機流量水位自動控制系統進行可視化自動控制，該系統反映靈敏，可迅速準確地跟蹤峰谷流量和水位的變化過程。懸移質含沙量通過渾度儀監測并配合1 000 mL比重瓶稱重進行控制，懸沙級配由光電測沙儀和Mastersizer 2 000粒度計分析確定，淤積地形用電阻式測淤儀測量，流速由西南水運工程科學研究所自行生產的DLS-2動態流速測試儀測定。

4 試驗成果及分析

4.1 天然情況

4.1.1 泥沙淤積量及分布

采用2001—2010年10 a水沙資料，模擬天然情況下工程河段的泥沙淤積過程，試驗成果見表3。

表3 工程河段泥沙淤積(天然情況)Table 3 Sediment deposition of engineering reach(Natural)

根據試驗成果分析，天然情況渾水試驗5 a末，試驗河段泥沙淤積部位主要在河段的邊灘磧壩及深沱回流區，試驗河段主流區均未發生明顯的泥沙淤積。根據統計數據顯示，試驗河段5 a末總淤積量為195.34 萬m3，淤積強度為17.97 萬 m3/km，前5 a淤積速率為3.59萬m3/(km·a)。天然情況渾水試驗10 a末，試驗河段泥沙淤積部位與5 a末基本相同，根據統計數據顯示，試驗河段10 a末總淤積量為334.37 萬 m3，其中 5 ～10 a淤積方量約 139.03萬 m3，淤積強度為30.76萬 m3/km，5～10 a淤積速率為2.56萬m3/(km·a)，與前5 a相比淤積速率略有降低。

4.1.2 取水河段泥沙淤積

根據數學模型計算成果和物理模型試驗成果，選定取水河段為狗扒巖附近河道左岸，距宜昌航道里程為759.8 ～759.1 km，取水河段(CS44—CS49)泥沙淤積斷面見圖2。

圖2 取水河段泥沙淤積斷面(天然情況)Fig.2 Cross-section of sediment deposition at engineering river reach(Natural)

由泥沙試驗成果看，本工程取水工程位于左岸深槽區附近，由于此區域位于河道主流區流速較大，泥沙不易在此落淤，因此取水河段上游600 m至該河段下游600 m范圍近2 km的河段均為不淤區，且從泥沙淤積區域的發展情況來看，其上游金剛沱淤積區及下游葫蘆磧淤積區均未出現向下或向上發展的趨勢。

4.2 小南海成庫后

4.2.1 泥沙淤積量及分布

小南海水庫蓄水運行后，非汛期其壩前水位將抬高至正常蓄水位197 m至消落水位195 m運行，汛期則運行水位保持為正常蓄水位197 m至汛限水位193 m間運行。根據小南海水庫回水計算成果，在非汛期(10月—次年5月)，工程河段水位相應抬高，其抬高幅度最大約12 m，汛期當流量較小時，工程河段水位也有不同程度的抬高，僅當入庫流量為較大洪水時，其回水才未到達本工程河段。

試驗進行了小南海水庫運行后水沙試驗共30個水文年試驗，試驗時采用1991—2010年水文系列循環施放，并同小南海水庫設計計算時一樣考慮了上游金沙江、岷江干流水庫的攔沙作用，試驗分別實測了水庫運行第5、第10、第15、第20、第25、第30 a末工程河段泥沙淤積量，試驗成果詳見表4。

表4 小南海成庫后泥沙淤積參數統計Table 4 Parameter statistics of sediment deposition after construction of Xiaonanhai Reservoir

由試驗成果可見，小南海成庫運行后，由于工程河段水位抬高，流速減緩，水流輸沙能力降低，工程河段泥沙淤積呈累積性增長，其中水庫運行初期淤積較快，隨著水庫運行年限的增長，淤積邊灘的逐漸形成，雖然泥沙淤積量逐漸增大，但泥沙的淤積速率逐步放緩。

4.2.2 取水河段泥沙淤積

小南海成庫后取水河段(CS44—CS49)斷面泥沙淤積情況見圖3。

圖3 取水河段泥沙淤積斷面(小南海成庫后)Fig.3 Cross-section of sediment deposition at engineering river reach(after the construction of Xiaonanhai Reservoir)

由試驗結果看，小南海蓄水運行后由于水位抬高、流速減緩、挾沙能力下降，取水河段的淤積方量和淤積強度均有所增大，但同天然情況一樣該河段泥沙淤積區域主要為右岸燕壩，而本工程取水工程位于左岸深槽區附近，由于此區域位于河道主流區流速較大，泥沙不易在此落淤，因此取水河段上游600 m至該河段下游600 m范圍近2 km的河段仍為不淤區，且從泥沙淤積區域的發展情況來看，其上游金剛沱淤積區及下游葫蘆磧淤積區亦未出現向下或向上發展的趨勢。

5 結論

1)天然情況下，由于工程河段長江河道多年來均基本保持河床穩定狀態，盡管工程河段局部區域仍不斷發生淤積或沖刷變化，但總體沖淤變化幅度不大，且工程河段淤積區域主要集中在邊灘、深水沱回流區，取水河段位于主流附近，泥沙不易落淤，因此取水河段附近約2 km長的河段為不淤區，且上游金剛沱淤積區及下游葫蘆磧淤積區亦未出現向下或向上發展的趨勢，說明天然情況下泥沙淤積變化不會對取水工程造成不良影響。

2)小南海水庫按197 m方案運行以后，工程河段位于水庫回水變動區，由于汛期水位有一定壅高，加重了該河段的泥沙淤積。同時汛后水位較天然情況大幅升高，流速減緩，水流不能歸槽，使得部分河段在汛期淤積的泥沙不能及時沖走，造成該河段出現泥沙累積性淤積，根據試驗結果，試驗河段泥沙淤積的主要部位包括：①彎道的凸岸邊灘(取水河段右岸的九塊田、燕壩以及下游葫蘆磧尾等);②寬淺邊灘(試驗河段上游的勝中壩、陡沙坎);③凹岸的回流緩流區(金剛沱、馬糞沱等沱內泥沙的大量落淤)。盡管試驗河段在小南海蓄水運行后將產生累積性淤積，但電廠取水河段位于凹岸主流區附近，電廠取水河段一側均為不淤區，且該處深泓線與上下游深泓線相比低得多，該處地形變化大，水流紊動強烈，取水河段在小南海蓄水運行后不會被淤沙覆蓋，這對保證取水及水質等較為有利。

綜上所述，天然情況下工程河段沖淤變化不大，小南海蓄水運行后，取水口河段將出現泥沙累積性淤積，其分布在總體上符合水庫變動回水區泥沙淤積的一般規律，隨著水庫運行時間的增長，該河段將進一步向著順直、微彎、高灘深槽方向發展，直至達到新的沖淤平衡為止。根據試驗預測，無論是天然河道情況還是水庫按197 m方案運行以后的不同時段，取水河段均為不淤區，取水口附近河床均較為穩定，取水條件好。

［1］陳惠泉，許玉麟，賀益英.火核電廠冷卻水試驗研究50年進展體驗［J］.中國水利水電科學研究院學報，2008，6(4)：288-295.Chen Huiquan，Xu Yulin，He Yiying.Progress and experience of 50 years，study on cooling water circulation of thermal nuclear power plants［J］.Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2008，6(4)：288-295.

［2］重慶交通大學，西南水運科學研究所.重慶長江小南海水電站預可行性研究報告［R］.重慶：重慶交通大學，2008.Southwestern Water Science Research Institute，Chongqing Jiaotong University.Chongqing Changjiang Xiaonanhai Hydropower Station Preliminary Feasibility Study Report［R］.Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2008.

［3］張曉明，安利，王召兵.重慶電廠東、西廠取水條件試驗研究［J］.重慶交通學院學報，2006，25(2)：150-153.Zhang Xiaoming，An Li，Wang Zhaobing.Experiment study on intaking water condition of Chongqing east and west power plant［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2006，25(2)：150-153.

［4］章厚玉，楊德安，楊建.丹江口水庫變動回水區泥沙沖淤規律研究［J］.長江工程職業技術學院學報，2005，22(2)：5-7.Zhang Houyu，Yang Dean，Yang Jian.Research on the law of silt scouring in varying backflow zone of Danjingkou Reservoir［J］.Journal of Changjiang Engineering Vocational College，2005，22(2)：5-7.

［5］金煒，楊勝發，周華軍.川維廠取水口泥沙淤積研究［J］.重慶交通大學學報：自然科學版，2007，26(4)：132-137.Jin Wei，Yang Shengfa，Zhou Hunjun.Ressearch on suspended sediment of Chuanwei inlet［J］.Journal of Chongqing Jiaotong U-niversity：Natural Science，2007，26(4)：132-137.

［6］張鶴，郭維東，王智，等.哈爾濱第一熱電廠取水口模型試驗研究［J］.水利水電科技進展，2007，27(1)：53-59.Zhang He，Guo Weidong，Wang Zhi，et al.Ressearch on suspended sediment of Haerbing［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2007，27(1)：53-59.

［7］張瑋.廣西秀江變動回水區河床演變規律研究［D］.南京：河海大學，2006.Zhang Wei.Study on Regularity of Riverbed Evolution in Fluctuating Backwater Area of Xiujiang River，Guangxi Province［D］.Nanjing：Hohai University，2006.

［8］陸航波.郁江西津水庫泥沙淤積對南寧電廠取水口的影響研究［J］.紅水河，2009，28(5)：17-20.Lu Hangbo.Study on how sediment deposition of Xijin Reservoir in Yujiang River affects water intake of Nanning power plant［J］.Hongshui River，2009，28(5)：17-20.