草街水電站尾水渠段擴挖清淤優化方案研究

楊忠超，耿 磊

(重慶交通大學內河航道整治技術交通行業重點實驗室，重慶 400074)

0 引 言

我國許多水電站在施工期和運行后尾水河床均存在程度不同的堆渣問題。堆渣使尾水位抬高，影響建筑物的泄流能力，進而對建筑物的安全構成威脅并加大了河流沿岸不安全因素，同時由于達不到設計標準，造成了電量損失，最后通過采取尾水渠清挖清渣措施，提高了發電效益。例如，劉家峽水電站[1]通過尾水渠清挖清渣，清除堆渣約6萬m3，尾水位降低2 m左右，每年增發電量在1億kW·h以上；丹江口水電站尾水渠完成清挖清渣工程量12.9萬m3，尾水位下降18 cm，年均增發電量1 121萬kW·h，取得了顯著的經濟效益[2]；水布埡水電站先后進行了2次尾水河道清渣清挖工程，第1次尾水河道清渣清挖工程量為27.2萬m3，尾水位降低0.6～1.9 m，年均發電量增加0.27億kW·h，第2次尾水河道清渣清挖方量為5.0萬m3，尾水位降低0.3～1.1 m，年均發電量可增0.15億kW·h[3]。

近年來數值模擬技術不斷完善，已成為庫尾河道清淤重要的研究手段。林勁松等[4]應用一維河床沖淤變形計算模型，通過尾水河道不同疏挖方案比較，研究龍羊峽水庫回水影響下的羊曲水電站尾水疏挖效果。趙忠文[5]采用數學模型和物理模型相結合的方法，研究了太平灣電廠尾水河道清淤效果。因此，通過數值模擬研究草街水電站尾水渠段擴挖清淤工程是有效可行的。

1 工程概況

草街水電站位于重慶市合川區草街鎮附近的嘉陵江上，距嘉陵江河口68 km。樞紐按三級航道標準建設船閘一座，可通過2×1 000噸級船隊。草街水電站自建成以來，由于上、下游開發，對清挖的廢土廢渣處理不當，巖石、雜物等沖到下游造成河床淤塞，使目前運行尾水位較設計尾水位(175.5 m)偏高，流道水頭損失增大，導致水輪機工作水頭降低，機組長期不能在高效率區工作或洪水期不能在額定出力運行。此外，在電站建設施工期間，尾水渠擴挖段亂石清淤不徹底，在機組下泄流量影響下，水流相當紊亂。草街水電站尾水渠擴挖段露出水面部分的孤石共有19個(高于175.5 m)，在亂石突出區域，形成跌水等現象(見圖1)，嚴重影響了機組的工作水頭，降低了機組的發電量。因此，對草街水電站尾水渠進行擴挖清渣，既能改善尾水渠流態，保證下泄暢通，又能降低尾水位，提高發電水頭，增加發電出力，改善水電站經濟效益。

圖1 草街水電站尾水渠現場圖片

2 數學模型的建立

2.1 研究河段網格剖分

采用淺水方程建立二維水流數學模型，選取的計算區域為上起電站下游尾水斷面，下至溫塘峽口，全長約6 km。計算區域網格共劃分44 224個單元、20 303個節點，見圖2；對局部區域網格加密，見圖3。

圖2 工程計算網格剖分

圖3 計算網格局部

2.2 模型驗證

2.2.1 水位驗證

取水流量Q=627 m3/s，計算尾水位結果見表1。由表1可知，測點計算水位值與實測水位(嘉陵江2018年3月9日)比較吻合，說明數學模型水流阻力與原型比較相似，數學模型參數選擇基本合理。

表1 水位驗證 m

2.2.2 流速流向驗證

圖4為典型斷面的流速驗證，可見計算流速與實測流速誤差在0～0.1 m/s。圖5表明計算流向與實測浮標流向基本一致。因此水流數模計算的流速分布及其大小與實際水流基本吻合。

圖4 流速驗證

圖5 流向驗證

3 尾水渠清挖方案優化研究

3.1 數模計算工況

本次數值模擬計算考慮了7級流量，如表2所示。數值模擬計算尾門水位根據草街水電站2018年調度日報表給出的逐日平均流量及實測水位關系推求，如圖6所示。

圖6 草街樞紐壩下實測水位流量關系

表2 計算工況

3.2 測點布置

圖7為統計分析電站尾水渠內水位沿程變化，

圖7 測點布置示意

在電站尾水渠及以下布置水位測點共3×30個，垂線間距34.5 m，測點間距40.3 m。

3.3 清挖設計方案成果分析

3.3.1 清挖設計方案

根據草街壩下尾水渠實測地形，清挖設計方案如圖8所示，對尾水渠進行大范圍清挖，開挖起點樁號為壩0+215.00，保留現狀鋼筋混凝土底板，樁號壩0+215.00～壩0+661.51為水平段開挖，長446.51 m，設計河底高程為175.50 m。壩0+661.51～壩0+683.51為斜坡段，長22 m，從175.50 m高程開挖至173.30 m高程，斜坡坡比為1∶10。壩0+683.51之后按173.30 m高程開挖至下游河床。總清挖方量60 000 m3。

圖8 清挖設計方案

3.3.2 清挖設計方案對電站下游水位的影響分析

圖9為清挖設計方案清淤后尾水池沿程水位變化。表3統計了實施后各級流量尾水位(第1個測點)水位降幅。

圖9 尾水渠水位沿程分布

表3 各清挖方案下游尾水位下降值

由圖9和表3可知：

(1)尾水渠清挖后，草街水電站尾水位均會出現不同幅度的降落。

(2)下泄流量越小，尾水渠清挖后電站尾水位降幅越大，出庫流量350～2 400 m3/s時，尾水位降低約16～27 cm。當出庫流量高于6 000 m3/s，尾水渠清挖導致尾水位的降低不明顯，小于3 cm。其原因是流量越小，尾水池水位越低，方案實施后改變的過水面積越大，跌水越明顯。

(3)當出庫流量小于1800 m3/s時，壩下300 m范圍內水位明顯下降；300 m后水位變幅不大。當出庫流量介于1 800～13 000 m3/s時，水位降低范圍限于壩下100 m內。

3.4 清挖優化方案成果分析

3.4.1 清挖優化方案

鑒于清挖設計方案尾水池水位變化范圍在壩下300 m范圍內。因此為了節省工程量，提出了2種優化方案。分別是：①優化方案1。尾水渠及下游河道樁號0+170.42～0+604.82清淤邊界線內超出175.50 m高程部分。壩0+683.51之后按173.30 m高程開挖至下游河床。總清挖方量約40 000 m3。②優化方案2。尾水渠及下游河道樁號0+170.42～0+523.78清淤邊界線內超出175.50 m高程部分。壩0+683.51之后按173.30 m高程開挖至下游河床。總清挖方量約30 800 m3。

3.4.2 清挖優化方案對電站下游水位的影響分析

從圖9和表3給出的兩個優化方案水位沿程分布和水位降幅統計可知，優化方案水位沿程變化與設計方案變化規律一致，水位降幅基本相當，表明優化方案縮小開挖范圍，降低工程量，可達到與設計方案一樣的降低尾水位的效果。同時，2種優化方案的水位降幅基本相當。

3.4.3 尾水渠清挖對電站下游流速分布的影響分析

圖10為尾水渠清挖前后的流場，圖11為方案實施前后沿程流速分布。

圖10 計算流場(Q=1 800 m3/s)

圖11 尾水渠沿程流速分布

比較清挖實施前后尾水渠流場和流速分布，由圖10和圖11可知：

(1)清挖前，由于電站下游于尾水渠內亂石、孤石、堆積物分布較多，河床沿程高低起伏，導致沿程流速分布比較紊亂，尾水渠清挖后，河床表面比較平整，沿程流速變得更加平順，流態更加平穩。

(2)當流量小于1 200 m3/s時，由于尾水渠優化方案后部沒有開挖，存在阻水和壅水作用，因此在樁號K+700前流速減小；設計方案全部清挖，流速分布更加平緩。當流量大于1 800 m3/s時，3個方案的流速分布均較清挖前變得平緩。

(3)比較優化方案的流場圖和測點流速分布，優化方案1由于較優化方案2開挖范圍更大，流速分布更為均勻、平順。

4 結 語

草街水電站建設施工期間，尾水渠擴挖段亂石清淤不徹底，河床淤塞，運行尾水位偏高，且在亂石突出區域，形成跌水、亂流等現象，導致水輪機工作水頭降低，影響機組的發電量。本文基于淺水方程建立了草街水電站下游河段二維水流模型，流速和水位驗證表明計算值與實測值吻合良好，可用于清挖方案效果比選。數值模擬計算表明，清挖工程實施后可有效降低尾水位，尾水渠水流更加平順，增加發電效益。清挖后尾水渠水位變化限于壩下300 m范圍內，設計方案和優化降低尾水位的效果基本相當。綜合考慮清挖工程量和尾水渠內流速分布，推薦優化方案1。