丰宁抽水蓄能电站泥沙淤积及防沙措施研究

刘书宝

(中国水电顾问集团公司北京勘测设计研究院 ，北京 100024)

1 抽水蓄能电站泥沙问题

丰宁抽水蓄能电站位于滦河干流，泥沙问题十分突出。丰宁抽水蓄能电站利用滦河干流上已建成的丰宁水电站水库为下水库，下水库正常高水位1 061 m，死水位1 042 m，装机3 600 MW。根据2008年实测的水库淤积横断面估算水库多年平均入库沙量为171万m3，正常蓄水位库沙比为34，属泥沙淤积非常严重水库。库尾丰宁专用水文站2007年实测最大含沙量为152 kg/m3，2008年实测最大含沙量为219 kg/m3，根据淤积计算，如果不采取工程措施丰宁抽水蓄能电站下水库到2020年剩余有效库容将不能满足电站正常运行所需要的有效库容，过机含沙量年平均最大为0.73 kg/m3，年最大为12.7 km3，因此必须采取工程措施处理丰宁抽水蓄能电站下水库的泥沙问题，才能保证电站正常运行。

2 下水库入库沙量的估算

丰宁抽水蓄能电站下水库入库沙量采用两种方法估算，一种是利用丰宁水库实测淤积横断面估算，另一种方法是利用丰宁专用水文站水沙关系估算。

1）利用丰宁水库实测淤积横断面估算

自2006年以来，丰宁水库库区共进行了5次水库淤积横断面测量，利用水库淤积断面计算的丰宁水库剩余库容见表1。

从表1可见，自2000年11月18日丰宁水库下闸蓄水至2006年10月，水库总淤积量为1 042万m3，多年平均淤积量为174万m3，至2007年11月总淤积量为1 172万m3，多年平均淤积量为167万m3，至2008年11月总淤积量为1 366万m3，多年平均淤积量为171万m3。

2）利用丰宁专用水文站水沙关系估算

丰宁专用水文站水沙关系见图1。

表1 丰宁水库剩余库容表 万m3

图1 丰定专用水文站 外沟门水文站水沙关系

丰宁水库上游约80 km处建有西山湾水库，西山湾水库为一多年调节水库，西山湾水库的建成，改变了其下游径流的天然状态。在逐日径流系列计算时，考虑了西山湾水库的调节作用，即丰宁入库径流为西山湾出库流量与西山湾～丰宁区间流量相加即为受西山湾调节影响的丰宁入库径流过程。利用丰宁专用水文站水沙关系，估算得丰宁水库多年平均入库沙量为203万t，泥沙干容重取1.3 g/cm3，则多年平均入库沙量为156万m3。推移质按照悬移质入库沙量的3%考虑，多年平均入库沙量为161万m3。

丰宁专用水文站2007年6月至2008年5月实测入库沙量为162万m3，2008年6月至2009年5月实测入库沙量187万m3，两年平均为175万m3，加上推移质总入库沙量约为180万m。两种方法计算的沙量相差不大，且与实测资料相近，为了工程安全取下水库多年平均入库沙量为 171 万 m3。

3 下水库泥沙淤积计算

3.1 泥沙淤积计算数学模型

泥沙淤积计算数学模型采用武汉大学一维不平衡输沙数学模型，基本方程如下：

上式中Q为流量；A为过流面积；As为河床变形面积；B为河宽；Z为水位；Jf为能坡；q1为侧向单位河长入流量；Sk和S*k分别为悬移质分组含沙量和水流挟沙力；Gk和G*k分别为推移质分组输沙率和有效输沙率；为分组沙沉速；恢复饱和系数，淤积时取0.25，冲刷时取1.0；推移质恢复饱和系数；Pk混合层床沙组成；Pok天然河床床沙组成；Em为混合层厚度；ε1和 ε2为标记，纯淤计算时 ε1=0，否则 ε1=1，当混合层下边界波及到原始河床时ε2=1，否则ε2=0；K为非均匀分组序数，且满足

3.2 泥沙淤积计算成果分析

丰宁抽水蓄能电站下水库泥沙淤积计算的原始断面为2008年11月实测断面，计算的不同淤积年限剩余库容见表2，不同淤积年限过机含沙量成果见表3，不同过机含沙量历时统计表见表4。

表2 丰宁抽水蓄能电站下水库不同淤积年限水库剩余库容表

表3 丰宁抽水蓄能电站下水库不同年限过机含沙量统计表

表4 丰宁抽水蓄能电站下水库进出水口不同过机含沙量历时统计表

丰宁抽水蓄能电站运行的基准年是50年，正常运行所需的调节库容为4 148万m3，由表2可见，下水库运行超过25年后，剩余有效库容不能满足电站运行的要求。由表3、表4可见，丰宁抽水蓄能电站下水库过机含沙量较大，含沙量大于40 g/m3的天数超过240 d，电站全年有2/3的时间不能正常运行，因此只有解决好下水库的泥沙问题，才能保证丰宁抽水蓄能电站正常运行。

4 下水库排沙措施研究

4.1 丰宁排沙措施研究

丰宁抽水蓄能电站下水库为河道型水库，利用地形条件在水库中部布设拦沙坝，在右岸设置泄洪排沙洞。根据工程前期进展情况，初拟2015年拦排沙系统建成，拦沙坝把丰宁抽水蓄能电站下水库分成两个库，一个是专用下水库，满足电站正常运行；另一个是拦沙库，拦沙库的作用是汛期排沙，非汛期给专用库补水，拦沙库和专用库通过拦沙库溢洪道连接。

4.2 专用下水库库容计算

专用下水库库容计算是在丰宁抽水蓄能电站下水库泥沙淤积计算的基础上进行的，首先进行下水库泥沙淤积计算，然后从拦沙坝处斩断统计专用下水库库容，根据初拟的工程进度安排，计划2015年下水库拦排沙系统建成，用下水库特征水位库容统计成果见表5。

表5 丰宁抽水蓄能电站专用下水库特征水位库容统计表

由表5可见，2015年时丰宁专用下水库剩余有效库容为4 148万m3，能够满足电站运行要求。

4.3 拦沙库泥沙淤积计算

拦沙库初拟的运行方式是6—9月汛期敞泄，根据拟定的水库运行方式进行泥沙淤积计算，拦沙库泥沙淤积形态呈带状淤积，剩余有效库容见表6。

表6 丰宁抽水蓄能电站拦沙库库容曲线表

拦沙库的主要任务是在水库运行基准年内淤积泥沙，同时向专用下水库补充蒸发渗漏损失水量。专用下水库补水口和拦沙库溢洪道布置在一起，进口底板高程为1 056 m。由表6可见，拦沙库运行50年后，正常蓄水位1 061 m以下剩余库容为912万m3，1 056～1 061 m之间剩余库容为546.58万m3，能够满足专用库补水的要求。

5 物理模型试验

为了进一步论证丰宁抽水蓄能电站建设拦排沙系统后的排沙效果，委托北京水利科学研究院进行了泥沙物理模型试验。采用变态模型，水平比尺150，垂直比尺75，为型相似，模型在遵循几何比尺相似的同时，还满足水流运动、泥沙输移和河床冲淤等方面相似准则。

模型试验统计的专用下水库2015年剩余有效库容4 004万m3，拦沙库库容曲线见表7。

表7 丰宁抽水蓄能电站拦沙库库容曲线表

模型试验成果与数学模型计算成果基本一致，验证了拦排沙系统建成后，可以有效地解决丰宁抽水蓄能电站下水库的泥沙问题。

6 结语

1）抽水蓄能电站的水量在上下库之间反复循环，所需要的水库库容往往较小，拦河坝建于多沙河流上,泥沙问题往往十分突出。为长期保持有效库容,保证电站取水的水质要求,必须考虑一定的排沙工程措施,并采取合理的调度运用方式。

2）丰宁抽水蓄能电站利用有利的地形条件，建设拦排沙系统，在汛期拦沙库敞泄，非汛期蓄水为专用库补水，有效地解决了电站的泥沙问题，使电站的运行不受汛期洪水的限制，运行更灵活。

3）鉴于丰宁抽水蓄能电站下水库泥沙淤积严重，对电站运行所需的有效库容影响很大，因此拦排沙系统早建设，对电站是非常有利的。