呼和浩特抽水蓄能電站攔沙庫設計

魯紅凱， 趙 軼， 陳建華

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

呼和浩特抽水蓄能電站攔沙庫設計

魯紅凱， 趙 軼， 陳建華

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

呼和浩特抽水蓄能電站下水庫每年入庫沙量為3．42萬t。為避免泥沙對機組的磨損，導致機組頻繁檢修，影響電站的安全運行，在上游設置攔沙壩，將下水庫分隔為攔沙庫和蓄能電站專用下水庫。通過攔沙庫負責攔洪排沙，蓄能電站下水庫專職發(fā)電的方式，可徹底解決下水庫的泥沙問題。同時攔沙庫還可作為電站初期充水和運行期補水時的蓄水池。

抽水蓄能電站；泥沙；攔沙庫；設計

1 工程概況

呼和浩特抽水蓄能電站下水庫位于哈拉沁溝上，其上游建有以防洪為主兼顧農(nóng)業(yè)灌溉和供水的哈拉沁水庫。下水庫的入庫沙量由哈拉沁水庫下泄沙量和區(qū)間沙量構(gòu)成，多年平均入庫全沙量為

3．42萬t。為避免泥沙對機組的磨損，電站庫盆采用封閉型式，由上游攔沙壩和下游攔河壩圍筑形成。設置攔沙壩后在上游自然形成攔沙庫，其主要任務是攔蓄上游的洪水，汛期開啟左岸泄洪排沙洞，使上游洪水和泥沙不進入蓄能專用下水庫，保證蓄能專用下水庫內(nèi)始終為一庫清水，還作為電站初期充水和正常運行期補水時的蓄水池。攔沙庫正常補水水位、設計洪水位(P=0．2%)、校核洪水位(P=0．05%)均為1 400 m，冬季最高庫水位1 398 m。攔沙庫長約2 km，正常補水水位時水面寬約200 m、水面面積24．34萬m2、庫容為23

3．4萬m3。

攔沙庫平面布置見圖1。

圖1 攔沙庫平面布置圖

2 設置攔沙庫的必要性

哈拉沁水庫流域面積621 km2，多年平均懸移質(zhì)沙量為5

3．2萬t。呼和浩特抽水蓄能電站下水庫的入庫沙量由哈拉沁水庫下泄沙量和區(qū)間沙量構(gòu)成，多年平均入庫全沙量(含懸移質(zhì)和推移質(zhì))為

3．42萬t。

哈拉沁水庫位于呼和浩特抽水蓄能電站攔河壩上游約2．6 km處。考慮到哈拉沁水庫對洪水的調(diào)蓄作用，攔河壩處的洪水由哈拉沁水庫下泄過程和哈拉沁水庫－攔河壩區(qū)間洪水疊加組成。當哈拉沁水庫以上發(fā)生P=0．05%洪水時，下泄流量為412 m3/s；發(fā)生P=0．2%洪水時，下泄流量為402 m3/s。加上區(qū)間同頻率的洪水，則攔河壩處0．05%和0．2%洪峰流量分別為744 m3/s和657 m3/s。

為較好地解決電站泥沙問題，選擇經(jīng)濟合理的樞紐布置方案，在可行性研究階段設計時專門進行了下水庫設攔沙壩和不設攔沙壩方案的技術經(jīng)濟綜合比較，擬定不同的樞紐布置型式，分析相應的下水庫補水方式、機組過機泥沙情況、電站運行方式等因素，并與類似工程加以對比。經(jīng)分析認為:

(1)哈拉沁水庫建成后，雖攔截了河道的大部分泥沙，但呼和浩特抽水蓄能電站下水庫入庫懸移質(zhì)含沙量仍高達15．3 kg/m3。根據(jù)下水庫預測來沙情況，在不設攔沙壩時，即使采用在碾壓混凝土重力攔河壩上設置泄洪排沙底孔、上下水庫進/出水口設置沉沙池和擋沙坎等措施，但在哈拉沁水庫泄洪時，這些工程措施對減少過機泥沙作用不大。發(fā)生洪水時若電站采取不避沙方式運行，過機含沙量約為1．46 kg/m3～1．97 kg/m3，遠超過0．15 kg/m3的設計控制要求，對額定水頭521 m的呼和浩特抽水蓄能電站來說，其空蝕磨損應比常規(guī)電站嚴重得多，水泵水輪機本身的措施已難以解決泥沙磨損危害，磨損會相當嚴重。若采用下水庫蓄清排渾的措施，洪水期水期機組停止運行，電站又起不到日調(diào)峰、事故備用的作用，會大大降低電站的經(jīng)濟效益。加之上、下水庫進/出水口為雙向水流，流態(tài)復雜，變化頻繁，其附近沉積的泥沙會被揚起，長期的過機泥沙造成對機組的嚴重磨損，導致機組頻繁檢修。

(2)雖從列明的分項建筑物直接投資來看，下水庫不設攔沙壩方案比設攔沙壩方案節(jié)省1．6億元，采用不避沙方式運行，除四臺機50年增加更換轉(zhuǎn)輪投資約1．5億元外，每年僅水泵水輪機大修一項至少也將造成調(diào)峰電量直接損失3 500萬千瓦時左右，約1 750萬元；而為解決過機泥沙機組磨損問題，采用避沙方式運行，每次洪水考慮泥沙沉清時間，電站在4天內(nèi)將無法運行，影響電站直接發(fā)電效益1339萬元，最多一年可能多達上億元損失。當然，這還不包括對電網(wǎng)調(diào)度運行造成的間接損失、每年多出的24萬m3～30萬m3的補水費用以及下水庫庫盆范圍深厚覆蓋層下可能滲漏點處理將增加的費用。

(3)呼和浩特抽水蓄能電站泥沙問題較突出，必須采取攔沙、治沙、排沙等各種措施，盡量減少過機泥沙，并從樞紐布置及水庫調(diào)度運行方式上來減少入庫和過機含沙量。若不采取攔沙或主汛期停機避沙運行等措施，其過機泥沙問題將嚴重影響電站機組選型、設計、制造和今后的運行，機組大修周期將遠遠小于8～10年的基本要求，機組將長期停機檢修，否則水輪機效率嚴重下降，甚至無法停機危及電站運行安全。而主汛期停機避沙運行，將嚴重影響呼和浩特抽水蓄能電站對蒙西電網(wǎng)的作用。借鑒山西西龍池抽水蓄能下水庫岸邊庫從根本上解決多泥沙河流泥沙問題的布置型式，在呼和浩特抽水蓄能電站下水庫設置攔沙壩，將下水庫分隔為攔沙庫和蓄能電站專用下水庫，攔沙庫負責攔洪排沙，蓄能電站下水庫專職發(fā)電的方式，可徹底解決下水庫的泥沙問題。

綜上所述，呼和浩特抽水蓄能電站下水庫設攔沙壩方案與不設攔沙壩方案相比，具有不可替代的優(yōu)勢，樞紐布置簡單，電站建設和運行綜合費用相對較低，運行安全，維護簡單，管理方便，真正能承擔電網(wǎng)調(diào)峰、事故備用的任務。可見，在呼和浩特抽水蓄能電站下水庫設置攔沙壩是必要的，將下水庫分隔為攔沙庫和蓄能電站專用下水庫，通過攔沙庫負責攔洪排沙，蓄能電站下水庫專職發(fā)電的方式，可徹底解決下水庫的泥沙問題。

3 攔沙庫設計

3．1 攔沙庫布置

庫區(qū)兩岸多為呂梁期片麻狀黑云母花崗巖，局部有透鏡狀斜長角閃巖和團塊狀大理巖展布，地形坡度30°～40°，坡腳分布崩坡積和崩洪積土夾碎石，厚3 m～20 m。河床為沖積洪積砂卵礫石漂石層，厚20 m～22 m。兩岸局部發(fā)育有Ⅰ級階地，高于現(xiàn)河床2 m～4 m，水磨灣一帶還殘存有少量的高階地。庫區(qū)主要有左二溝、左三溝、左四溝和石狐子溝，溝內(nèi)多有洪積和崩坡積物分布，山洪爆發(fā)時極易帶入攔沙庫，左二溝、左四溝溝口還發(fā)育有洪積扇。

庫區(qū)斷層較少且規(guī)模不大，主要結(jié)構(gòu)面為兩組高陡傾角的構(gòu)造裂隙，NEE組走向NE60°左右，以傾向SE為主，高陡傾角，密度約1條/m～3條/m。NW組走向NW320°～330°，以傾向SW為主，高陡傾角，密度2條/m～3條/m。物理地質(zhì)現(xiàn)象主要有卸荷、風化作用及少量的崩塌。卸荷主要發(fā)育于凸出的小山梁。全強風化較淺，一般為1 m～2 m，部分地段無全強風化帶。崩塌體一般以小規(guī)模零星分布，為近代崩塌形成的碎塊石堆積，主要展布于支溝內(nèi)。庫區(qū)基本上不存在水庫滲漏、庫岸穩(wěn)定及浸沒等工程地質(zhì)問題。

攔沙壩上游300 m以上為河道治理段，保證河道最小泄水底寬大于12 m，兩岸堆渣體迎水面緩于1∶1．75，表面設60 cm厚的漿砌石護坡，護坡底部采用60 cm厚的拋石護腳。攔沙壩上游20 m范圍內(nèi)庫底清理至1 374 m高程后與上游河道順接，兩岸從1 401．8 m高程順坡清理，陡于1∶1．75的河床覆蓋層削坡后采用60 cm厚的漿砌石護坡，庫坡堆渣體和覆蓋層開挖坡比為1∶3。

3．2 攔沙庫運行調(diào)度方式

下水庫采用自流補水方案，在攔沙壩內(nèi)設置2根DN700的補水鋼管，進口中心線高程1 385．5 m，縱坡1%，出口中心線高程1 385．3 m，鋼管斜長19．83 m，管上設兩道電動蝶閥和一道鴨嘴閥。攔沙庫非汛期作為電站初期充水和運行期補水的蓄水池，正常補水水位為1 400 m。雖攔沙庫蓄水可導致地下水位上升，但庫尾距哈拉沁水庫砂壤土厚斜墻砂礫石壩壩腳還有約400 m的水平距離，且強透水砂卵礫石漂石層的地下水位上升有限，不會對哈拉沁水庫砂礫石壩的穩(wěn)定造成不利影響。

電站運行期補水時，攔沙庫水位為1 400m～1 393m時可隨時向蓄能專用下水庫補水；攔沙庫水位低于1 393 m時，采用蓄能專用下水庫淹沒出流補水方式，或蓄能專用下水庫水位不低于1 385．3 m的自由出流補水方式。

電站初期充水時，為防止攔沙壩內(nèi)設置的補水管下泄水流掏刷壩腳或干砸下游壩面造成聚氨酯保溫保濕材料的破壞，攔沙庫水位達到正常補水水位并沉清后才能開始向蓄能專用下水庫初期充水，攔沙庫水位降至1 393 m后停止充水，需再從哈拉沁水庫補水使攔沙庫水位升高并沉清后再充水。攔沙庫沉清時間按庫水中懸移質(zhì)含沙量低于20 g/m3的標準確定。

攔沙庫汛期負責攔洪排沙，泄洪排沙洞布置在左岸，進口位于攔沙壩上游約210 m處。為確保哈拉沁水庫砂礫石壩的安全，泄洪排沙洞按宣泄攔沙壩址處2000年一遇洪水設計，設計和校核洪水位采用與正常補水水位同高，汛期處于敞泄狀態(tài)，攔沙庫內(nèi)的洪水和泥沙通過泄洪排沙洞排往攔河壩下游，不進入蓄能專用下水庫。泄洪排沙洞進口高程為1380 m，設一道7 m×9 m的事故檢修平板閘門和一道7 m×8 m的弧形工作閘門；洞身長525．437 m，洞線縱坡為4．14%，洞身凈斷面尺寸為7．0 m×9．5(8．5)m，城門洞型；出口在攔河壩下游約140 m處，出口高程1 358 m，采用反弧挑流鼻坎消能。攔沙庫水位達1 400 m時，泄洪排沙洞最大下泄流量為764 m3/s。

3．3 支溝處理

攔沙庫內(nèi)出露的左三溝、左四溝溝口距泄洪排沙洞進口和攔沙壩較近，有可能影響泄洪排沙洞正常運行和攔沙壩施工期的安全，因此都進行了處理。

左三溝大部分分布于陰坡，地表植被發(fā)育，洪水不易將覆蓋層帶入庫內(nèi)影響泄洪排沙洞的正常運行，但溝左岸的崩積物及危巖崩塌后比較容易進入庫內(nèi)，由于塊石較大，易堵塞泄洪排沙洞，將左三溝的崩積物、危巖、溝口附近的卵礫石予以清除。

圖2 左四溝回填典型斷面圖

左四溝溝口有少量裸露的卵礫石，覆蓋層展布區(qū)植被發(fā)育良好，且成分以懸移質(zhì)為主，因此，除溝口裸露的卵礫石外，其余地段覆蓋層不需清理，為避免施工期因雨水沖刷等原因引起坍岸危及攔沙壩安全，左四溝溝口1 384 m高程以下的河床覆蓋層予以清除，填筑石渣作為左岸環(huán)庫路基，頂寬11 m，臨庫側(cè)坡比為1∶1，采用1 m厚鋼筋石籠護坡；靠山側(cè)坡比為1∶1．2，溝底設置漿砌石擋渣墻和漿砌石護底，集水通過路基內(nèi)1 394．2 m高程埋設的兩根內(nèi)徑1 m的鋼筋混凝土涵管排入攔沙庫。

4 結(jié)語

呼和浩特抽水蓄能電站下水庫位于多沙的哈拉沁溝上，為減少泥沙對有效庫容的淤積，降低進/出水口前泥沙淤積高程和過機含沙量，改善機組的磨損條件，設置攔沙壩將下水庫分隔為攔沙庫和蓄能專用下水庫。攔沙庫主要任務是攔洪排沙，通過泄洪排沙洞使上游洪水和泥沙不進入呼和浩特抽水蓄能電站下水庫，保證下水庫內(nèi)始終為一庫清水，電站不因泥沙問題而停止運行；同時作為蓄水池，通過攔沙壩內(nèi)埋設的補水鋼管解決了電站初期充水和運行期補水問題。呼和浩特抽水蓄能電站這種攔沙庫的布置方式，可供類似工程參考。

［1］ 趙軼，錢玉英，等．《呼和浩特抽水蓄能電站樞紐布置簡介》．《抽水蓄能電站工程建設文集2009》，ISBN 978－7－5083－9506－7．

TV743;TG802

B

1001-2184(2015)05-0152-03

魯紅凱(1982-)，男，河南太康人，畢業(yè)于河海大學水利水電工程專業(yè)，工程師，主要從事水工建筑物設計；趙 軼(1970-)，女，四川瀘州人，畢業(yè)于葛洲壩水電工程學院水利水電工程專業(yè)，教授級高級工程師，專業(yè)總工，主要從事水工建筑物設計；陳建華(1976-)，女，山西運城人，畢業(yè)于華北水利水電學院水工結(jié)構(gòu)專業(yè)，工學碩士，高級工程師，副設總，主要從事水工建筑物設計．

(責任編輯:卓政昌)

2015-08-28