泥沙淤积对电厂取水口影响研究

张绪进，张金林，周 勤，张 湛

(1.重庆交通大学西南水运工程科学研究所，重庆400016;2.重庆交通大学 河海学院，重庆400074)

为了保证火电厂冷却水的正常供应，需要对冷却水的取水口做合理的规划布置，在这个过程中取水口泥沙运动特性及冲淤变化分析是首要问题［1］，该问题的研究对电厂今后安全运行至关重要。

自1958年我国开始自主研究火电厂发电以来［2］，伴随着火力发电的快速发展，对电站取水口泥沙问题的研究也取得了一定的成果，但这些都是对于天然河流、水库等取水口的泥沙问题的研究，对处于变动回水区内取水口泥沙问题的研究则很少。回水变动区内［3-6］，水库运行引起该河段水位壅高，水流速度减小，水流挟沙能力降低，河段将出现累积性淤积，淤积量随着水库运行年限而增大，河床不断抬高，向高滩深槽方向发展。取水口位置泥沙的淤积、河床演变、水流条件的变化都有可能影响到电厂的正常取水，而泥沙淤积是影响电厂冷却水工程布局的主要问题［7］。因此，为了保证电厂的正常运行，对变动回水区内取水口位置泥沙淤积的研究显得十分必要。

1 工程河段概况

华能江津电厂新建工程位于重庆市江津区油溪镇境内的长江左岸，电厂取水口初步选定位于江津油溪镇境内的长江挖断山河段，目前工程河段为天然河道，多年来河床基本保持冲淤平衡状态，取水口河段下游距规划建设的长江小南海枢纽坝址仅约58 km，根据相关设计资料显示［2］，小南海枢纽正常蓄水位为197 m(吴淞高程)，回水长度约60 km，因此小南海枢纽建成后，电厂取水口工程将位于小南海库区回水变动区上段，其水流条件及泥沙冲淤情况均会发生重大变化，并对电厂的正常取水造成重要影响。而且拟建工程河段为“S”型弯曲河道，其中上段孝顺滩(距宜昌航道里程为765 km)至金刚背(距宜昌航道里程为760 km)河道弯曲，左岸有胜中坝、陡沙坎、关刀碛相连，岸线规则，但关刀碛碛翅伸出江中较开，枯水期河道较窄，右岸有孝顺滩、密滩盘等大小礁石，岸线不规则，其下9块田碛坝深入江中，与左岸金刚背相对，航槽弯窄，在金刚沱凹岸一侧，经水流长年累月的淘刷，形成深水沱，该处有回流汛后有淤沙，在河道左岸为凸岸淤积区，部分泥沙会在此沉积下来形成宽阔的碛坝燕坝;中段狗扒岩(距宜昌航道里程760 km)至燕坝尾(距宜昌航道里程758 km)为过渡段，河道相对顺直，其中左岸有狗扒岩、螃蟹石，岸线不规则，右岸则为燕坝，岸线顺直，水流平缓;下段葫芦碛(距宜昌航道里程758 km)至油溪镇(距宜昌航道里程753 km)河道弯曲，左岸为葫芦碛，岸线规则但较弯，其下有龙碛子等突出，岸线不规则，右岸有鸡公滩，石旺子等礁石、突咀，岸线极不规则，流急水乱。河段河势见图1。

图1 工程河段河势Fig.1 River regime of engineering reach

2 模型设计与制作

2.1 模型比尺

由于本试验河段属山区河流，河道边界条件较为复杂，水流三维性强，且试验的主要任务是研究取水口附近泥沙运动规律对取水的影响，根据试验任务要求，综合考虑试验场地、供水能力等因素，模型范围和模型相似条件选用平面比尺λL=200，垂直比尺λh=100，变率η=2的变态模型。

2.2 模型制作

模型地形根据长江干线泸渝段纳溪至娄溪沟航道图测量工程项目部2007年4月施测的工程河段1∶5 000地形图，采用断面板法进行缩制。平面上用三角网和主、副导线进行控制，断面间距60～70 cm(模型值)。全河段共塑造了95个断面，对于局部复杂地形采用加密断面板法进行复制。制模河段为长江距宜昌航道里程765～753 km全长约12.0 km的河段。

2.3 模型相似

试验重点研究电厂取水口工程附近水沙条件，模型设计除确保水流条件相似外，还须确保泥沙运动、河床冲淤的相似［7］。因此，要求模型水流须同时满足阻力相似和重力相似;悬沙须同时满足沉降相似，扬动相似和挟沙能力相似;底沙须同时满足起动相似、沉降相似和输沙量相似［8］。

2.4 模型沙的选择

合适的模型沙是确保模型冲淤相似的重要条件。精煤性能稳定，比重适中，便于加工，是目前广泛采用的材料之一［1］。本泥沙模型试验选用荣昌精煤作模型沙，其容重为1.33 t/m3，具有比重轻、性质稳定等优点，加工后其粒径范围可满足模型沙级配要求，模型沙起动特性是在长50 m，宽0.6 m，高0.8 m的变坡水槽内进行的，试验水深范围为3.3～28.56 cm，中值粒径为0.03 ～1.65 mm，模型沙沉降流速及容重委托长江水利委员会上游水文水资源勘测局进行检测。模型沙与原型沙有关特性见表1。

表1 原型沙与模型沙(煤粉)特性Table 1 Characteristics of prototype sand and model sand/(t·m －3)

3 研究方法

本泥沙试验采用20世纪90年代减沙后的来水来沙系列(1991—2010系列)进行重复试验，考虑到规划的小南海枢纽尚未开工建设，其开工到建成尚需一定时日，而天然情况下工程河段为典型的山区河流，其年内虽有一定的冲淤变化，但年际冲淤基本保持平衡状态，因此本模型浑水泥沙试验将在模型上首先模拟10 a天然情况水沙变化过程，然后在此基础上进行小南海水库运行后水沙试验，小南海建成后将施放30个水文年，放水系列见表2。

表2 模型浑水泥沙试验放水系列Table 2 Model drainage of muddy water sediment test series

模型流量和尾门水位采用西南水运工程科学研究所自行研制的SX-1微机流量水位自动控制系统进行可视化自动控制，该系统反映灵敏，可迅速准确地跟踪峰谷流量和水位的变化过程。悬移质含沙量通过浑度仪监测并配合1 000 mL比重瓶称重进行控制，悬沙级配由光电测沙仪和Mastersizer 2 000粒度计分析确定，淤积地形用电阻式测淤仪测量，流速由西南水运工程科学研究所自行生产的DLS-2动态流速测试仪测定。

4 试验成果及分析

4.1 天然情况

4.1.1 泥沙淤积量及分布

采用2001—2010年10 a水沙资料，模拟天然情况下工程河段的泥沙淤积过程，试验成果见表3。

表3 工程河段泥沙淤积(天然情况)Table 3 Sediment deposition of engineering reach(Natural)

根据试验成果分析，天然情况浑水试验5 a末，试验河段泥沙淤积部位主要在河段的边滩碛坝及深沱回流区，试验河段主流区均未发生明显的泥沙淤积。根据统计数据显示，试验河段5 a末总淤积量为195.34 万m3，淤积强度为17.97 万 m3/km，前5 a淤积速率为3.59万m3/(km·a)。天然情况浑水试验10 a末，试验河段泥沙淤积部位与5 a末基本相同，根据统计数据显示，试验河段10 a末总淤积量为334.37 万 m3，其中 5 ～10 a淤积方量约 139.03万 m3，淤积强度为30.76万 m3/km，5～10 a淤积速率为2.56万m3/(km·a)，与前5 a相比淤积速率略有降低。

4.1.2 取水河段泥沙淤积

根据数学模型计算成果和物理模型试验成果，选定取水河段为狗扒岩附近河道左岸，距宜昌航道里程为759.8 ～759.1 km，取水河段(CS44—CS49)泥沙淤积断面见图2。

图2 取水河段泥沙淤积断面(天然情况)Fig.2 Cross-section of sediment deposition at engineering river reach(Natural)

由泥沙试验成果看，本工程取水工程位于左岸深槽区附近，由于此区域位于河道主流区流速较大，泥沙不易在此落淤，因此取水河段上游600 m至该河段下游600 m范围近2 km的河段均为不淤区，且从泥沙淤积区域的发展情况来看，其上游金刚沱淤积区及下游葫芦碛淤积区均未出现向下或向上发展的趋势。

4.2 小南海成库后

4.2.1 泥沙淤积量及分布

小南海水库蓄水运行后，非汛期其坝前水位将抬高至正常蓄水位197 m至消落水位195 m运行，汛期则运行水位保持为正常蓄水位197 m至汛限水位193 m间运行。根据小南海水库回水计算成果，在非汛期(10月—次年5月)，工程河段水位相应抬高，其抬高幅度最大约12 m，汛期当流量较小时，工程河段水位也有不同程度的抬高，仅当入库流量为较大洪水时，其回水才未到达本工程河段。

试验进行了小南海水库运行后水沙试验共30个水文年试验，试验时采用1991—2010年水文系列循环施放，并同小南海水库设计计算时一样考虑了上游金沙江、岷江干流水库的拦沙作用，试验分别实测了水库运行第5、第10、第15、第20、第25、第30 a末工程河段泥沙淤积量，试验成果详见表4。

表4 小南海成库后泥沙淤积参数统计Table 4 Parameter statistics of sediment deposition after construction of Xiaonanhai Reservoir

由试验成果可见，小南海成库运行后，由于工程河段水位抬高，流速减缓，水流输沙能力降低，工程河段泥沙淤积呈累积性增长，其中水库运行初期淤积较快，随着水库运行年限的增长，淤积边滩的逐渐形成，虽然泥沙淤积量逐渐增大，但泥沙的淤积速率逐步放缓。

4.2.2 取水河段泥沙淤积

小南海成库后取水河段(CS44—CS49)断面泥沙淤积情况见图3。

图3 取水河段泥沙淤积断面(小南海成库后)Fig.3 Cross-section of sediment deposition at engineering river reach(after the construction of Xiaonanhai Reservoir)

由试验结果看，小南海蓄水运行后由于水位抬高、流速减缓、挟沙能力下降，取水河段的淤积方量和淤积强度均有所增大，但同天然情况一样该河段泥沙淤积区域主要为右岸燕坝，而本工程取水工程位于左岸深槽区附近，由于此区域位于河道主流区流速较大，泥沙不易在此落淤，因此取水河段上游600 m至该河段下游600 m范围近2 km的河段仍为不淤区，且从泥沙淤积区域的发展情况来看，其上游金刚沱淤积区及下游葫芦碛淤积区亦未出现向下或向上发展的趋势。

5 结论

1)天然情况下，由于工程河段长江河道多年来均基本保持河床稳定状态，尽管工程河段局部区域仍不断发生淤积或冲刷变化，但总体冲淤变化幅度不大，且工程河段淤积区域主要集中在边滩、深水沱回流区，取水河段位于主流附近，泥沙不易落淤，因此取水河段附近约2 km长的河段为不淤区，且上游金刚沱淤积区及下游葫芦碛淤积区亦未出现向下或向上发展的趋势，说明天然情况下泥沙淤积变化不会对取水工程造成不良影响。

2)小南海水库按197 m方案运行以后，工程河段位于水库回水变动区，由于汛期水位有一定壅高，加重了该河段的泥沙淤积。同时汛后水位较天然情况大幅升高，流速减缓，水流不能归槽，使得部分河段在汛期淤积的泥沙不能及时冲走，造成该河段出现泥沙累积性淤积，根据试验结果，试验河段泥沙淤积的主要部位包括：①弯道的凸岸边滩(取水河段右岸的九块田、燕坝以及下游葫芦碛尾等);②宽浅边滩(试验河段上游的胜中坝、陡沙坎);③凹岸的回流缓流区(金刚沱、马粪沱等沱内泥沙的大量落淤)。尽管试验河段在小南海蓄水运行后将产生累积性淤积，但电厂取水河段位于凹岸主流区附近，电厂取水河段一侧均为不淤区，且该处深泓线与上下游深泓线相比低得多，该处地形变化大，水流紊动强烈，取水河段在小南海蓄水运行后不会被淤沙覆盖，这对保证取水及水质等较为有利。

综上所述，天然情况下工程河段冲淤变化不大，小南海蓄水运行后，取水口河段将出现泥沙累积性淤积，其分布在总体上符合水库变动回水区泥沙淤积的一般规律，随着水库运行时间的增长，该河段将进一步向着顺直、微弯、高滩深槽方向发展，直至达到新的冲淤平衡为止。根据试验预测，无论是天然河道情况还是水库按197 m方案运行以后的不同时段，取水河段均为不淤区，取水口附近河床均较为稳定，取水条件好。

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