黃河劉家峽水庫增建減淤發電工程及調控關鍵技術研究與應用

2021-11-29 07:25:46李新杰孫海濤王海濤付廷勤費秉宏

西北水電 2021年5期

李新杰，周恒，李暉，孫海濤，王海濤，付廷勤，費秉宏，王婷

(1.黃河水利科學研究院,鄭州 450003；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065；3.國家電網甘肅省電力公司,蘭州 730031;4.國網甘肅省電力公司劉家峽水電廠，甘肅永靖 731600)

0 前言

在多沙河流上興建水庫會改變河流的水流條件和泥沙運動狀態，使泥沙在水庫庫區內淤積，造成有效庫容逐年減少，影響水庫綜合效益的發揮[1]。隨著泥沙淤積形成的沙坎不斷向壩前推進，水庫發電機組過機含沙量也會逐漸增加，加重機組磨損，縮短機組檢修周期，增加機組檢修時間，降低機組使用壽命，并會影響樞紐泄洪、排沙、發電及安全運行[2-4]。因此，對多沙河流上的水庫開展工程和非工程措施的水沙調控技術研究就顯得尤為重要。

自1974年三門峽水庫采用“蓄清排渾、調水調沙”運用方式以來，國內外相關學者分別從水電站水沙優化調節中的排沙與泥沙處理技術、水庫水沙聯調多目標模型構建和模型求解等方面開展了相關理論研究工作[5-8]。而相關流域管理機構和水庫管理部門也先后開展了梯級水庫水沙電等多目標優化調度工程實踐工作，并積累了大量的理論成果和工程管理經驗[9-12]。由于多沙河流水沙條件的不確定性及水庫泥沙運動規律的復雜性，使得水庫防洪減淤節能增效的水沙調控技術有待于進一步系統化和全鏈條化。本文通過對黃河流域劉家峽水庫泥沙運動規律和水沙調控理論研究和實踐，提出水沙調控理論和工程實踐的新思路，探索多沙河流水庫減淤增效、節水增容的工程和非工程成套關鍵技術，并應用于劉家峽水庫增建減淤發電工程及水沙調控實踐中，旨在提升劉家峽水庫的綜合利用效益。

1 劉家峽水庫概況

黃河劉家峽水庫作為新中國成立60周年“百項重大經典建設工程”，是新中國乃至亞洲第一座百萬千瓦級的大型水電站工程[13]。水庫位于甘肅省永靖縣境內的黃河干流上，距蘭州市上游約100 km，是黃河上游龍～青段梯級水電開發規劃的第15座水電站，是一座以發電為主兼有防洪、灌溉、防凌、養殖等綜合利用并具有年調節能力的大型水利水電樞紐工程，電站裝機容量1 390 MW，不僅承擔西北電力系統調峰、調頻任務，亦承擔下游灌溉和防凌等綜合利用任務[14-15]。劉家峽水電站與上游龍羊峽水電站聯合調度運行，進行梯級水電站群聯合補償調節，使龍～青段梯級水電站群梯級保證出力和年發電量最大[16-17]。

劉家峽水庫自1968年10月15日正式蓄水以來，到2015年汛后的近50 a間，全庫共淤積泥沙16.86億m3，剩余庫容40.15億m3，庫容損失29.6%[18]。劉家峽水庫壩前淤積主要是洮河泥沙引起的[19]。洮河在劉家峽大壩上游約1.5 km處匯入黃河干流，是一條水少沙多的河流，其多年平均入庫沙量約2 860萬t，占總入庫沙量的31%，而其庫容僅為總庫容的2%。洮河庫段死庫容于1978年已淤滿，水庫運行到2002年汛后，洮河淤積三角洲頂點河床高程約1 720.00 m，比水庫死水位1 694.00 m高出26 m，而在汛限水位1 726.00 m以下運行，已基本上成為河道性輸沙，在三角洲頂點以下的前坡段至壩前形成異重流，泥沙直接輸向大壩，洮河庫容已基本上無滯沙能力，洮河泥沙對電站正常運行的威脅愈來愈嚴重[20]。洮河泥沙大量向壩前輸移，使過機粗泥沙增多，加劇了水輪機的泥沙磨損，使機組檢修周期縮短，檢修時間加長，檢修工作量增大，機組正常投運臺數減少，嚴重影響了安全發電，降低了發電效益。另外，洮河庫區泥沙淤積速度顯著大于干流，進入洮河口的泥沙出現擴散現象，在洮河口附近黃河干流形成沙坎狀淤積形態，壩前淤積面逐年淤高，沙坎河段淤積床面高程曾達到1 707.00 m，高出設計死水位13 m，水庫調節能力下降，并出現過下游需水時，因沙坎阻水使河段過流能力不足而水位驟降的沙坎阻水現象[21]。為降低沙坎高程，曾進行過4次(1981、1984、1985、1988年)降低水位拉沙運行，雖有一定排沙效果，但由于實施過程排沙耗水量大、系統協調難度大，以后再未進行。

2 劉家峽水庫增建減淤發電工程及調控關鍵技術

針對劉家峽水庫泥沙淤積問題及水庫安全及電站經濟運行帶來的危害，提出了水庫異重流輸沙理論與旁道排沙技術、復雜條件水下大型巖塞爆破理論和關鍵技術及“水、沙、電”一體化調控、全鏈條防淤抗磨與節水增效的技術，對劉家峽水庫增建減淤發電工程及調控關鍵技術進行了優化研究與實踐，研究技術路線如圖1所示。

2.1 水庫異重流輸沙理論與旁道排沙技術

針對多沙河流水庫泥沙淤積問題，對于庫區內支流高含沙洪水入匯引起庫區局部地形大幅度調整，甚至有產生較大規模的沙坎而形成二級水庫的現象，特別是庫區支流含沙洪水具有歷時短、強度大、不同于干流異重流運動規律的邊界條件特殊性的特點，開展了支流異重流入匯區水沙演化、支流異重流倒灌干流運動規律、以及交匯區泥沙淤積分布規律研究，探討支流異重流倒灌干流渾水厚度、擴散角、頭部流速、倒灌距離與流量、含沙量、入匯角、干流比降、庫水位等因子之間的響應規律，探討支流倒灌干流距離、形成沙坎高度與入庫水沙、庫區形態和水庫調度的響應關系式；研究支流異重流入匯干流的輸沙理論[22]。并基于該理論分析劉家峽水庫壩前淤積問題，從調控改善水沙關系入手，研究在庫岸底部設置旁道排沙洞系統工程進行庫底排沙減淤的技術。形成的“水庫異重流輸沙理論與旁道排沙技術”具體如下：

圖1 技術路線圖

(1) 通過多沙河流水庫干支流異重流倒灌的物理模型試驗，分析了支流異重流入匯干流前后水流運動狀態、異重流渾液面以及異重流頭部運行特點以及流速、含沙量分布變化，提出了異重流倒灌距離與流量、含沙量、比降、入匯角等水沙及邊界條件的響應關系式[23]：

(1)

式中:L為倒灌距離,m;Q為進口流量,L/s;J為干流比降。揭示了多沙河流支流異重流入匯區沙坎演化過程及成因，構建的沙坎抬升高度與運用水位、入庫水沙等參數響應關系式：

(2)

式中:hL為沙壩歷年抬升高度，m；ΔH為劉家峽水庫運用年最高水位與平均水位差，m；WsH為紅旗站來沙，億t；WH為紅旗站來水量，億m3；lT為洮河淤積三角洲頂點距壩里程，km；WsX為循化站來沙量，億t；WX為循化站來水量，億m3。A為常數，取8.25×1016，通過對洮河異重流倒灌黃河干流運行長度計算值與實測值對比可知，計算結果與實測值吻合較好(見圖2)。

圖2 倒灌長度計算值與實測值對比圖

劉家峽水庫壩前沙壩歷年抬升高程實測值與計算值對比較吻合，如圖3所示。

圖3 沙壩抬升高度實測值與計算值對比圖

(2) 基于上述理論研究成果，結合物理模型試驗和一、二維數學模型建模計算成果，優化比選并設計了排沙流量600 m3/s、洞徑10 m、長1 487 m及洞身40°分岔引水、棄水發電的劉家峽水庫增建排沙發電系統工程，見圖4所示。

增建排沙發電系統工程建成運行5 a以來，運用水庫異重流輸沙理論與旁道排沙技術，洮河異重流排沙比由原來的60%～70%提高至95.3%，提高了約47%，僅排沙洞共排出泥沙1 050萬t；原有機組過機含沙量明顯降低，由11.9 kg/m3降為3.93 kg/m3，降低了67%。對減緩水庫淤積、壩前淤積床面抬高、保證樞紐安全運行起到了積極的作用。

圖4 排沙發電系統平面圖

2.2 復雜條件水下大型巖塞爆破理論和關鍵技術

通過研究劉家峽水庫增建減淤發電工程深水厚覆蓋下的大型巖塞爆破陀螺分布式藥室布置、爆破計算理論和方法，研發了為巖塞爆破創造自由面的爆破成腔理論及爆破成腔測試技術；創建高精度三維鉆孔跡線定位法、巖塞灌漿等技術；構造深水高密度厚覆蓋層中沖水系統[25]。形成的復雜條件水下大型巖塞爆破理論和關鍵技術具體如下：

(1) 提出了“覆蓋層擾動→巖塞預裂成型→ 爆除巖塞→覆蓋層再次擾動→沖水下泄”的爆破程序(見圖5)。通過深水、厚覆蓋、高密度的大直徑巖塞一次性爆通技術，實現了爆通巖塞、精準成型、集碴穩定、振動可控、下泄順暢的技術目標。

圖5 巖塞爆破程序圖

基于深水高密度厚覆蓋下創造巖塞爆破自由面的爆破空腔理論；提出“電極陣列測試爆破空腔”技術，解決了厚淤積覆蓋條件下的巖塞可爆性問題。

(2) 針對深水厚覆蓋復雜條件下巖塞“阻抗平衡”和藥量計算的難題，提出了深水厚覆蓋下的大型巖塞爆破陀螺分布式藥室布置、爆破計算理論程序和計算方法。研究并完善了深水厚淤積高密度覆蓋的水下巖塞爆破陀螺分布藥室布置及藥量計算理論。水下巖塞爆破綜合難度系數HD值為2 116 m2。提出的陀螺分布式藥室布置方式見圖6。

圖6 陀螺分布式藥室結構示意圖

具有厚淤積覆蓋的水下集中藥包爆破計算藥量的爆破作用指數修正如公式(3)～(4)所示：

(3)

(4)

式中：Q為炸藥用量，kg；K為標準拋擲爆破單位耗藥量，kg/m3；W為最小抵抗線，m；f(n水)為爆破作用指數函數；n水為水下爆破作用指數；n陸為陸地上爆破作用指數；H水為爆破時覆蓋層表面以上水深，m；H淤為爆破時最小抵抗線處巖石面上淤積(或覆蓋層)厚度，m。

公式(3)～(4)中爆破作用指數修正系數μ是(H水+2H淤)的冪函數，可以簡化為：

μ=0.8017H0.108

(5)

當H=0時，μ=0；當μ=1時，H=7.74，公式適用于具有一定的水深條件，規定水深應大于20 m。

通過爆碴、沙、水和氣等四相流在長隧洞中巖塞爆破沖擊瞬間下泄狀態的運動機理和規律數值模擬分析，研究了多碴、多泥沙、少水等復雜多相混合流在長隧洞中易淤堵的技術，構建了深水高密度厚覆蓋層中沖水系統，確保了巖塞爆除，淤積物順暢下泄，滿足了劉家峽洮河口排沙洞排沙、泄洪、發電的綜合功能[25-26]。復雜淤積覆蓋條件下多相流下泄運動規律數值模擬分析見圖7。

圖7 復雜淤積覆蓋條件下多相流下泄運動規律數值模擬分析圖

提出的復雜條件水下大型巖塞爆破理論和關鍵技術，解決了處在深水、高密度、厚淤積覆蓋的大口徑巖塞一次安全爆通的難題，最終實現了劉家峽水庫增建減淤發電工程深水厚覆蓋下大型巖塞精準爆通、集碴穩定、振動可控、下泄順暢的效果。

2.3 “水、沙、電”一體化調控、全鏈條防淤抗磨與節水增效技術

針對劉家峽水庫增建減淤發電工程建成后，存在排沙與發電相結合的、特殊的、運行條件近乎惡劣且又具有重大作用的問題，研究了排沙發電系統淤積或磨蝕部位與機理，探討了渾水排沙棄水發電“一洞兩用”節水增容及動邊界條件下排沙與發電優化調控方法；集成研發了“水、沙、電”一體化調控、全鏈條防淤抗磨與節水增效技術[27]。

(1) 水沙電一體化調控技術。針對排沙發電系統進口盲洞段淤堵的問題，提出了以排沙為主、兼顧沖淤排沙棄水發電的“一洞兩用”技術。既可實現排沙洞庫底排沙減淤，調節水庫水沙關系，解決近壩支流匯入引起的壩前淤積問題，又可利用沖淤排沙棄水及水庫棄水發電，使排沙洞“一洞兩用”，并提出節水利用、渾水發電新技術。通過增建排水系統水沙電一體化合理調度，合理、充分地利用水資源，提升了劉家峽水庫綜合運用效益。

(2) 防淤抗磨技術。針對高含沙水流在輸水發電系統存在全流程各部位泥沙淤積、磨損破壞問題，通過CFD分析軟件優化水力設計，適當降低轉輪出口相對流速，加強水輪機結構設計，采用抗磨性能良好的不銹鋼材料及加工工藝、抗磨噴涂等主要措施，減輕了機組過流部件的磨損，提高了水輪機的抗磨蝕性能，延長了機組檢修周期，確保機組運行穩定和安全。基于此集成提出了集進口盲洞段防淤堵、閘門門槽抗磨蝕、排沙洞洞身段抗沖磨、發電洞及調壓井防淤減淤、水輪機組抗磨蝕及尾水渠防沙石等全鏈條防淤抗磨技術。

(3) 節水增效、擴機增容技術。針對排沙發電系統進口盲洞段排沙淤積與發電之間存在水資源矛盾的問題，總結國內已建工程排沙設施進水口的淤堵實例及其給水庫安全運行帶來的巨大風險和危害，創新性地提出了解決增建排沙洞的進口在非排沙期淤堵的擴機技術方案，實現了集約節水利用、棄水再利用，增加發電效益，不僅解決了排沙發電系統進口盲洞淤積問題，又能利用這部分排沙棄水和水庫梯級調度的棄水裝機發電，使寶貴的水資源得到充分合理利用，形成了棄水再利用的集約型節水新技術。

3 工程應用及效益

研究成果已在劉家峽水庫增建減淤發電工程(洮河口排沙洞及擴機工程)中得到全面應用。2015年排沙洞建成投運，2018年排沙洞300 MW發電工程并網投產，并發揮了巨大防洪效益、安全效益、供水(灌溉)效益、節水效益和發電效益。

(1) 洮河口排沙洞建成運行，異重流排沙效果良好。洮河口排沙洞2015年9月6日成功進行巖塞爆破，排沙洞擴機機組2018年8月發電。2018年劉家峽水庫采用洮河排沙洞異重流排沙8次，排沙洞用水量為同期出庫水量的23.8%，排沙占同期出庫沙量的75.5%，平均出庫含沙量38.6 kg/m3，為過機含沙量的9.8倍，平均排沙比95.3%。與采用原有泄水道異重流排沙(1974年至2015年)相比，過機含沙量和排沙耗水率明顯降低，泄水道排沙耗水率由原來的38.2 m3/t降低到25.9 m3/t，降低了32%。過洞沙量明顯增加，排沙效果比設計預期更好[28]。

(2) 洮河口沙坎淤積高程得到控制。以黃4號斷面為例，洮河口排沙洞未進行充分異重流排沙前，2015年和2016年的2個汛期，黃4號斷面平均淤積抬高約0.8 m，非汛期沖刷約0.5 m，年平均淤積抬高0.3 m。2017年和2018年的2個汛期僅淤積抬高約0.3 m。考慮非汛期的沖刷作用，年平均淤積抬高值更小，沙坎淤積抬升勢頭基本得到控制。

(3) 壩前泥沙淤積抬升得到控制。以黃2號斷面為例，斷面主槽2014—2015年淤積83 m2，河床淤高1.3 m，2015—2016年淤積面積194 m2，河床淤高3 m，2016—2018年沖刷5 m2，河床降低約0.1 m。洮河排沙洞建成運行后，洞口前形成沖刷漏斗，洮河口形成約20 m深的沖刷深槽，截排了大部分洮河來沙，進入壩前段沙量顯著減少，壩前段淤積明顯趨緩，扭轉了壩前泥沙不斷累積淤積的被動局面，降低了壩前泥沙淤積對閘門安全運行的威脅。

(4) 排沙能力增強。異重流排沙時段，壩前機組過機含沙量明顯降低，機組磨損問題趨緩；非異重流排沙時段，洮河入庫含沙量較低，在洮河口仍有明顯的異重流現象，洮河口擴機電站進水口高程較低，其前有規模較大的沖刷漏斗及沖刷主槽，洮河入庫相較干流含沙量較大的水流入槽，洮河口排沙洞擴機機組過機平均含沙量明顯比壩前發電機組的高，2018、2019年平均過機含沙量分別為壩前的2.4、3.7倍。由于經2018年較大流量、較長歷時沖刷排沙，洮河口沖刷主槽充分形成，有利于洮河來沙分選入槽，提高了洮河口排沙洞水流挾沙效果，同樣流量挾沙量更大，過機含沙量倍比增加。

(5) 節水增效、擴機增容。洮河口排沙洞及擴機電站建成運行后，基本解決了困擾劉家峽水電站多年安全運行的電站工程泥沙問題，增加發電效益，解決了原有電站裝機容量偏小、利用小時偏低的問題，提高了電站機組檢修備用率和電力系統的調峰、調頻和事故備用容量，在提高電網安全、電能品質、經濟運行等方面發揮積極的作用。按照發電效率增長率為劉家峽水電廠全場發電量的2%考慮，設計上網電價0.355元/kWh，近3 a擴機工程累計發電量30.352億kWh，棄水再利用90.68億m3，發電效益10.77億元。近3 a擴機工程發電效益見表1。