荷葉壩水電站洪水調度運行方式擬定

王耀偉

（漢中市水利水電建筑勘測設計院,陜西 漢中 723000）

1 工程概況

荷葉壩水電站工程位于略陽縣境內嘉陵江干流,壩址位于略陽縣城以下6.9 km處。該電站是水利部長江水利委員會編制的《嘉陵江流域綜合規劃》嘉陵江干流略陽縣城以下陜西省境內水電開發方案4個梯級的第一個梯級,河床徑流式電站。壩址控制流域面積19864 km2,正常蓄水位632.00 m,水庫總庫容1688 萬m3,中型工程,主要建筑物III等3 級,洪水標準按50 年一遇洪水設計,500 年一遇洪水校核。主要建筑物從左到右依此為電站廠房壩段、泄洪沖沙閘壩段和翻板閘壩段。泄洪沖沙閘3 孔10 m×14.5m（寬×高）,采用開敞式布置,液壓翻板門14 孔10 m×6 m（寬×高）,堰頂高程626.00 m,閘門頂高程632.00 m[1]。

2 問題的提出

電站多年平均懸移質輸沙量2380 萬t,推移質輸沙量119萬t,多年平均總輸沙量2499 萬t。水庫正常蓄水位632 m時,庫容832萬m3,回水長度約11 km,壩前水深和庫容都較小,且入庫沙量相對較多,庫沙比0.4,所以水庫一旦蓄水,很快達到淤積平衡。由于庫區右岸有寶成鐵路沿江岸通過,壩址以上6.9 km處為略陽縣城,所以通過調度和其它措施提高水庫排沙,有效的控制水庫泥沙淤積床面,減少庫區淹沒浸沒,是電站設計中應解決的一個主要問題。對此,不僅要設立必要的樞紐防排沙設施,更要有嚴格的排沙運行方式。

3 水庫排沙運行方式的擬定

水庫排沙的方式有滯洪排沙、異重流排砂、泄空排沙等,但最經常的最普遍的還是滯洪排沙。河流水沙特性就是大水大沙,汛期沙量比較集中,尤其中小洪水下,歷時短,潭面水深快速下降,泥沙沉降前即順主槽而下,排沙效率高。大洪水漫灘情況下,加之滯洪歷時長,會是泥沙大量落淤,排沙效果顯著降低。由此可見,要提高水庫排沙效率,必須嚴格控制庫水位,盡量控制主槽洪水排沙效果。

荷葉壩水電站為了有效控制水庫泥沙淤積床面,擬采用按分界流量控制壩前水位的運行方式,即當入庫流量小于分界流量時,在正常蓄水位運行,當入庫流量大于分界流量時水庫排沙水位乃至進行敞泄運行。

分界流量的選擇,以能控制入庫大部分泥沙及沙峰過程為原則。分析略陽水文站實測中水中沙年（1960 年、1985 年、1992 年）水沙資料,不同流量級下荷葉壩水庫壩址輸沙情況見表1。

表1 荷葉壩水庫壩址水沙統計表

分析表1可知,當分界流量取400 m3/s時,可控制入庫沙量的69%~74%,平均71%,大于400 m3/s流量出現的天數為18天~25天,平均約22天；敞泄沖刷分界流量取800 m3/s,中水年份一般有2天~6天,平均4天,可對庫區產生有效沖刷,又對發電影響不大。綜合分析,為了既能有效控制入庫水沙,不使庫區產生累積性淤積,又對發電影響不大,擬選擇排沙水位分界流量為400 m3/s,敞泄分界流量為800 m3/s。即當入庫流量小于分界流量400 m3/s時,在正常蓄水位運行,當入庫流量大于分界流量小于800 m3/s時降低水庫水位至排沙水位628.5 m運行,當入庫流量大于800 m3/s時,水庫敞泄排沙運行。

荷葉壩水庫壩前水深和庫容都較小,且入庫沙量相對較多,據水庫泥沙淤積形態判別式=V/WS/J0分析[2],=0.04,遠小于形態判別參數2.2,因此,該水庫泥沙淤積形態為錐體。同時,水庫庫容較小,入庫沙量相對較多,庫區最終將以推移質泥沙淤積為主,根據推移質淤積比降公式J=0.79J0（HQJ0）-0.17,計算的該水庫淤積平衡比降為0.5‰。根據荷葉壩水庫的運行方式,當流量大于400 m3/s小于800 m3/s時,水庫壩前運行水位為628.5 m,此時庫區淤積物中主要為懸移質中較粗顆粒和推移質,因此,淤積平衡比降應小于以推移質淤積為主的平衡比降,為安全計,本次取排沙水位時的淤積平衡比降為0.4‰。

造床流量指對塑造河床起主導作用的某一級流量,在水庫及河道泥沙分析中常用平灘流量或者1.5 年~2 年一遇洪峰流量。根據荷葉壩水庫的運行方式的變化,分別確定相應的造床流量和河相關系,成果見表2。

表2 荷葉壩水庫造床流量及河相關系表

根據現場查勘,荷葉壩水庫所在河段推移質以沙礫石為主,由起動流速公式U=4.6d1/3h1/6（式中U為起動流速,m3/s；d為泥沙粒徑,m；h為水深,m）計算,水庫運行在排沙水位628.5 m流量為800 m3/s時,“DM114”斷面（壩前段）和“DM2”斷面（略陽縣城）的起動粒徑分別為0.020 m和0.022 m；水庫敞泄運行流量為1200 m3/s時,“DM114”斷面（壩前段）和“DM2”斷面（略陽縣城）的起動粒徑分別為0.031 m和0.030 m,流量1660 m3/s時,“DM114”斷面（壩前段）和“DM2”斷面（略陽縣城）的起動粒徑分別為0.046 m和0.068 m。

據此,進行水庫泥沙沖淤計算,結果如下：

荷葉壩水庫正常蓄水位632 m排沙水位628.5 m,當水庫壩前運行水位控制在排沙水位628.5 m時,壩前段約2 km的泥沙淤積床面較高,同時在略陽縣城附近也有淤積。結合河段多年沖於情況調查,初步分析表明,在大流量情況下,若采用敞泄沖刷排沙運行方式,中、小卵石及礫石質推移質基本可沖刷出庫。

根據荷葉壩水庫壩址不同設計代表年日平均流量成果,流量大于800 m3/s平均出現的天數約為4 天,流量大于1200 m3/s平均出現的天數約為1 天,見表5[1]。綜合以上兩個因素,當流量大于800 m3/s水庫敞泄運行時,可將壩前段及庫區（略陽縣城附近）淤積泥沙沖刷出庫,形成一個以推移質淤積為主的沖淤平衡河槽。

綜上所述,電站按徑流式運行,以向漢中電網提供電量為主。由于水庫不承擔河道上、下游防洪任務,調洪目的主要是為了樞紐自身的安全,洪水調節起調水位為正常蓄水位632.00 m。調洪方式為：

①當河道來水量小于400 m3/s時,扣除發電流量,多余水量由翻板閘通過調整開啟度自動調節,此時,泄洪沖沙閘關閉。

②當河道來水量增大,大于400 m3/s,小于800 m3/s時,根據水庫泥沙淤積及回水計算,水庫應通過泄洪沖沙閘控制在排沙水位628.500 m運行。

③當河道來水量繼續增大,大于800 m3/s時,泄洪沖沙閘全開,按敞泄方式泄洪,溯源沖沙,之后隨著來水量加大,水位上升,直至下泄流量等于河道上游來水量,此時水庫水位達到壩前最高洪水位；隨著河道來水量逐漸小于水庫水位對應的泄流能力時,水庫水位下降、水力自控翻板閘門逐漸回關蓄水,關閉泄洪沖沙閘,使上游水位始終保持在要求的范圍內,即上游正常水位。

水庫泥沙淤積是一個復雜的演化過程,它不僅與入庫水沙條件有關,而且與河道邊界條件、樞紐防排沙布置、水庫排沙運行方式有關,在實際運行過程中,應采用“蓄清排渾”“蓄小排大” 等方式,適時降低庫水位泄流沖刷,通過沿程沖刷、溯源沖刷將泥沙排出庫區。

通過水庫沖淤及采用明渠恒定非均勻漸變流能量方程進行回水計算,水庫建成后當遭遇30 年一遇設計洪水時,回水長度5.06 km,距離略陽縣城仍有1.84 km,淤沙尖滅點6.45 km,未到距離壩址6.9 km的略陽縣城。隨著水庫的運行,水庫庫區河道基本處于一個動態平衡的狀態。由于各年來水量和來沙量的不同,各段河道有沖有淤,但河道大體走勢基本保持不變水庫泥沙淤積基本達到平衡,水庫排沙比達到98%。

4 結語

按分界流量控制壩前水位,確定的水庫排沙運行方式較為合理,這一措施的提出,較好地解決了多沙河流蓄水發電和維持有效庫容、減小淹沒損失之間的矛盾,可為同類工程所借鑒。