天池抽水蓄能电站上、下水库整体动床泥沙模型的设计与验证

张国良, 孙东坡, 胡祥伟, 张羽, 张兵

(1.河南天池抽水蓄能有限公司,河南 南阳 473000; 2.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 3.郑州澍青医学高等专科学校，河南 郑州 450011)



天池抽水蓄能电站上、下水库整体动床泥沙模型的设计与验证

张国良1, 孙东坡2, 胡祥伟1, 张羽2, 张兵3

(1.河南天池抽水蓄能有限公司,河南 南阳 473000; 2.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 3.郑州澍青医学高等专科学校，河南 郑州 450011)

抽水蓄能电站上、下水库联合运用时,库区及电站进、出水口附近的水流与泥沙淤积规律十分复杂,通常要进行泥沙模型试验研究。针对天池抽水蓄能电站，进行了上、下水库整体动床模型设计,分析确定了满足水流泥沙运动相似与河床变形相似的控制比尺;根据相应比尺确定了模型沙的种类和粒径,并进行了预备试验。利用专门设计的双向管、泵系统,实现了可以进行抽水蓄能和发电两种运行工况的上、下水库连接段的模拟;设计采用VDMS流场实时监测系统对库区与进出、水口的流速及流态进行精细观测。验证试验表明，整体模型的设计、制作满足模拟库区的水流泥沙运动相似与河床变形相似的要求,设计方法可为类似的整体泥沙模型设计提供参考和借鉴。

抽水蓄能电站;动床模型;相似比尺;连接段;模型验证

相对常规水电站,抽水蓄能电站水库的库容较小,且上、下水库间循环抽、放水运行。如果抽水蓄能电站所在河段的汛期洪水的泥沙含量较高，将会造成水库库容的损失和电站机电设备的磨蚀。因此,对抽水蓄能电站水库泥沙问题的研究很有必要[1]。目前主要的研究手段是动床泥沙模型试验,而上、下水库整体模型的设计与验证是这类河流模拟试验的关键技术。本文以天池抽水蓄能电站为例，探讨上、下水库整体动床泥沙模型设计与验证的相关技术问题。

1 天池抽水蓄能电站概况

1.1 河道及水文状况

天池抽水蓄能电站所在的黄鸭河流域地处石山林区,山高坡陡,植被良好,受人类活动影响较小,上、下库位置如图1所示。

下水库位于黄鸭河上游干流区,地处“U”型河谷,谷底高程468～472 m,河床宽70～120 m,坝址以上坡降35.1‰。坝前2 km范围内河道为典型的“Ω”形弯道,绕山(骆驼头)而行,其间有马蹄河与天池岈沟两条支流汇入;坝址位于“Ω”形弯道出口,建库后河道将裁弯取直。上水库位于黄鸭河左岸支流马蹄河上游,坝址以上河长4.46 km,平均坡降10%,两岸陡峭。

图1 天池抽水蓄能电站上、下库位置

对拟合的长系列月平均径流资料分析可知:下水库坝址处多年平均入库流量Q=1.281 m3/s,多年平均年径流量为4 447万m3,多年平均悬移质含沙量S=1.0 kg/m3,多年平均悬移质入库沙量为4.106万t;上水库坝址处多年平均年径流量为416万m3,多年平均悬移质入库沙量为0.497万t;悬移质泥沙组成见表1。黄鸭河洪水暴涨暴落,具有典型的山区河流特性;平时小水无推移质泥沙输移,洪水期河道推移质泥沙输移量约占悬移质泥沙输移量的20%。

表1 天池水文站2007年7月实测悬移质颗粒径级配

1.2 工程概述

天池抽水蓄能电站由上水库、下水库、输水系统及发电厂房组成,总装机容量为120万kW。上水库正常蓄水位1 063.0 m,总库容1 577.75万m3;坝顶高程1 068.4 m,最大坝高118.4 m。上库工程包括拦河大坝,溢洪道,电站进、出水口等,其总体布置的三维效果如图2所示。

图2 上水库工程布置三维效果图(鸟瞰)

下水库正常蓄水位537.5 m,总库容1 784.66万m3。下水库工程包括拦河大坝，排沙洞，溢洪道，电站进、出水口，输沙槽，拦沙潜堰等;大坝为钢筋混凝土面板堆石坝,坝顶高程540.6 m,最大坝高100.6 m。工程总体布置的三维效果如图3所示。

图3 下水库工程布置三维效果图(鸟瞰)

2 模型设计

2.1 模型研究任务

对天池抽水蓄能电站库区泥沙的淤积状况、水沙运行特点和过机泥沙进行水力模拟,对不同水沙条件下库区的水流形态、泥沙淤积量、淤积分布及排沙设施进行分析研究。验证泥沙防治工程措施(建筑物布置)和非工程措施(调度方式)的合理性,提出泥沙防治的优化措施和方法。研究内容主要包括:长系列年上、下库区的水流形态与泥沙淤积分布,典型洪水下水库泥沙淤积的发展及分布,对洪水期水库的运行调度及泥沙防治提出建议。根据进库水沙条件、电站运用方式,模拟研究电站运行(抽、放水)时进、出水口附近的流态与冲淤状况,分析进、出水口附近含沙量与过机泥沙的关系。根据研究任务,必须采用正态动床泥沙模型开展水沙模拟研究;考虑到库区泥沙组成较细,为了保证冲淤相似,模型沙宜采用轻质沙。

2.2 模型相似准则

试验研究对象为涉及水利枢纽的库区河段,水流运动以重力为主导力,满足佛汝德准则;同时应兼顾水流紊动阻力相似。研究河段以悬移质泥沙为主,对河床演变有较大的影响;河床质为沙卵石,随着河道水流强度的变化,悬移质与推移质间会互相转化。根据原型河道的边界情况和来水来沙特点,需开展浑水动床模型试验,满足泥沙运动及河床变形相似的要求。模型设计上应遵循的相似条件[2]如下。

1)水流重力相似条件:

(1)

2)水流阻力相似条件:

(2)

3)水流挟沙相似条件:

λS=λS*;

(3)

4)泥沙悬移相似条件:

(4)

5)泥沙起动相似条件:

λV=λVC;

(5)

6)悬移质引起河床冲淤变形相似条件:

(6)

式中:λL、λH分别为水平比尺及垂直比尺;λV为流速比尺;λn是糙率比尺;λJ为比降比尺;λS、λS*分别为含沙量比尺和水流挟沙力比尺;λω为泥沙沉速比尺;m为指数;λVC为泥沙起动流速比尺;λt2为河床变形时间比尺;λγ0为悬移质淤积物干容重比尺。

基于上述相似要求,要通过综合分析与预备试验,确定控制比尺和选择模型沙,完成模型设计。

2.3 模型沙选择

拟建坝前入库实测悬移质的中值粒径为0.018 mm,坝前泥沙淤积物可能更细。为准确模拟库区河道的河床演变特性,必须严格控制模型沙的物理、化学等基本特性。根据多年来在动床模型试验方面的实践经验[1],比较几种模型沙的物理特性,见表2。

表2 模型沙容重与粒径比尺之间的关系

兼顾泥沙沉降相似与起动相似的要求,得到泥沙粒径比尺(λd)必须满足的关系为:

(7)

式中:λ(γS-γ)/γ为相对浮容重比尺;其余符号的意义同前。

根据表2数据可知,模型沙为离子交换树脂时,满足沉降相似的粒径比尺(1.20)与满足起动相似的粒径比尺(0.95)比较接近, 粒径比尺的平均值为1.07。故初步选择离子交换树脂为试验模型沙。

2.4 相似比尺的确定

首先,根据水流运动相似的要求,初步拟定模型的几何比尺、流速比尺与糙率比尺等;然后,根据挟沙相似与河床变形相似的要求,确定与泥沙有关的比尺。在确定满足挟沙相似的含沙量比尺时,选用多家较可靠的挟沙力公式进行优选比较,见表3;模型沙还选用粉煤灰与离子交换树脂进行对比。

表3 各公式的含沙量比尺计算结果

显然,表3中含沙量比尺不超过1.00的均不合适。屈孟浩挟沙力公式得出的含沙量比尺相对比较合理,该公式在不少泥沙模型中都得到了成功运用[3],相应的含沙量比尺为[2]:

(8)

式中:λγS为泥沙容重比尺;λγS-γ为泥沙浮容重比尺;其余各符号意义同前。结合表2和表3的数据可以看出,离子交换树脂显然比粉煤灰更适合选做模型沙。

根据式(1)—(6)中提出的相似要求,同时考虑满足泥沙运动相似采用的式(7)—(8),采用离子交换树脂作为模型沙,得到满足上述相似准则的模型主要比尺,见表4。

表4 正态模型比尺汇总

从总体上看,所选模型沙可以兼顾泥沙的沉降相似(为主)与起动相似,含沙量比尺比较适宜,两个时间比尺差异较小,相对误差为2.62%。故模型设计是可以满足库区水流泥沙运动相似与河床变形相似的要求。

2.5 模型沙制备与特性试验

2.5.1 模型沙制备

离子交换树脂是一种在交联聚合物结构中含有离子交换基团的功能高分子球粒,直径为1.0～1.2 mm,为棕黄色半透明珠体,无特殊气味。根据模型粒径比尺的要求,采用高速粉碎机对原状离子交换树脂进行了粉碎,由光电颗分仪测得细化后模型沙的中值粒径为0.018～0.020 mm,平均粒径0.019 mm。模型沙级配曲线如图4所示。

图4 模型沙样颗粒级配曲线(光电颗分仪法)

这基本与天池水文站2007年7月实测的悬移质粒径级配一致,模型沙级配满足相似条件。

2.5.2 物理与力学特性试验

为了解模型沙的物理特性及主要力学指标,进行了预备试验研究[4-7]。离子交换树脂经粉碎细化后,粉末呈不规则状,色泽浅黄,接近天然沙颜色。采用量筒法测得离子交换树脂模型沙的膨胀率为4%～5%,满足模型试验的精度要求。采用堆丘法测得模型沙的水下休止角在23°～33°。采用群体沉降消光法测得不同粒径(0.018～0.025 mm)模型沙的沉速为0.024～0.034 cm/s。在17 m长的玻璃水槽中,对模型沙进行了起动流速的试验研究,得到模型沙起动流速与水深、淤积历时之间的关系曲线,如图5所示。由图5可知，随淤积历时的增加,相同水深的起动流速明显增大。

图5 起动流速与水深、淤积历时的关系曲线

3 模型制作与布置

3.1 模型制作

河道模型的制作遵循《河工模型试验规程》(SL 99— 2012)的要求,按照河道地形图塑制,模型断面间距不超过1 m控制。过流建筑物使用有机玻璃制作,满足阻力相似要求;过流部件均采用精密数控机床加工,遵循《水工模型试验规程》(SL 155—2012)的要求。

连接上、下水库的抽水及发电系统包括电站进出、水口，压力管道系统与水泵水轮机。为了能动态模拟抽水蓄能电站上、下水库之间的联动,设计了一套可以控制流量与流动方向、可以往复流动的连接段管路系统。它包括采用PVC工程塑料管模拟的压力钢管段,有机玻璃管模拟的叉管段;由管道泵、流量计、四通阀等组成的双向供水系统,上、下水库的上、下水功能及上、下水库的水头差通过管道加压泵予以实现;双向供水管路系统如图6所示。

图6 上、下水库连接段双向供水管路系统

3.2 模型布置

上、下水库原型高程差528 m,平面相距3～4 km; 而在模型试验中，上、下水库之间只涉及水流往复输送，因此，连接段能满足双向往复输送水流的要求即可。所以上、下水库模型区的整体布置如图7所示,上、下库整体模型照片如图8所示。

图7 上、下库模型平面布置

图8 上、下库整体模型鸟瞰图

4 模型的验证

4.1 阻力相似的水位验证

针对2009年黄鸭河的实测来水来沙过程及天池水文站的实测水位、流速等参数进行复演与验证试验。试验初始边界为2014年的天然河道地形,河流依然绕“Ω”形河湾进入下游河道;分别进行了流量为3.3～11.4 m3/s的5组验证试验。与2009年实测水位过程对比,特征流量下的验证水面线如图9所示。由图9可知，对应各特征流量下，各测点水位符合良好。

图9 库区河道沿程水位验证

考虑到山区河道中卵砾石较多、糙率较大且模型水位略偏低等特点,进行了河床梅花加糙,加糙砾石粒径5～7 mm，如图10所示。加糙后水面线得到了调整,水位误差小于0.10 m,基本满足河道阻力相似要求。

图10 库区河道小砾石河床加糙

4.2 水流运动相似的流速验证

针对2009年实测来水过程,进行了洪水复演与流速分布验证。试验采集了各级流量的河道流速,观察了河道流态,马蹄河以下河道流态如图11所示。

图11 验证试验中的河道流态(Q=11.4 m3/s)

由图11分析表明:模拟河段上游水流湍急、比降陡峻,主流偏右;在马蹄河入口附近有折冲水流，随着流量增大,主流逐渐左移;模型典型断面的实测流速与原型观测值基本相近，最大流速都在2.5 m/s左右;水流绕骆驼头山进入“Ω”形河湾后比降相对变缓,河势与2009年调查的洪水河势基本一致。

4.3 修建工程后河势、流态的验证

修建工程后的河势、流态,采用与同步进行的库区平面二维水动力数值模拟成果相互参照印证。4.3.1 一般洪水期的库区水流形态(主流、回流区)

在一般洪水(小于10年一遇的洪水)期,上游来水来沙相对较多。库区水流运动既有上、下水库之间发电与蓄能的往复调整流动,又有上游来流,泄水建筑物也会适时泄流以满足工程运行时设定的库水位限制条件。

在蓄能期,电站向上水库抽水,同时下水库通过排沙洞和溢洪道泄流,库区河道流态受两处边界出流的影响(类似于汇)。当上游来流流量大于208 m3/s时,上游来流在越过CS10断面后,一小部分底流会左转进入“Ω”形河湾下行,越过拦沙潜堰后趋近下水库进、出水口;大部分表流和部分底流则沿右侧输沙槽下行至排沙洞、溢洪道而泄出库外;还有部分水流绕行骆驼头进入下水库进、出水口;河道平面流态如图12(a)所示。

在发电期,电站向下水库泄水,同时下水库通过排沙洞和溢洪道泄流,受“一进一出”两处边界进出流的影响(类似于一源一汇),下库水位持续增高,库区平面流态如图12(b)所示。

两种工况的河势、流态与平面二维水动力数值模拟成果基本一致。

图12 库区河道平面流态

4.3.2 电站进、出水口区的流态

利用布设在试验区上方的VDMS流场实时监测系统,采集了不同库水位时下水库区的表面流场以及进、出水口区的局部表面流场,并解析出这些区域的表面流速场,如图13所示。对应的水沙情况为:Q=61.22 m3/s,S=1.74 kg/m3。

图13 进、出水口局部流场

由图13可知:在下水库进、出水口的前方有对称的大回流区,涡旋方向相反;涡旋强度则与库水位成反比,库水位越低,回流流速越高。这表明进、出水口设置消涡栅是很有必要的。但从总体上看,涡旋流速较小,表面回流流速不超过0.08 m/s。经比对,上述实测水流形态(主流位置、表流与底流走向、回流区位置等)与二维数值模拟的流场状况基本一致。

4.4 上、下水库连接段运行及测试的验证

在验证试验中,对各工况下连接上、下水库的电站运行进行了模拟。模拟表明,双向流管路系统工作正常,可准确地模拟上、下水库之间不同运行状态时的水流往复运动,流量控制准确,流向改变迅速。在透明叉管段可观测管中流态,在专门设置的接流孔可实时取样,测试不同工况下的过机含沙量。

5 结语

1)抽水蓄能电站上、下水库整体模型设计需要多方面的协调,基于相似准则,利用预备试验,统筹考虑选取模型控制比尺与模型沙,可以满足动床模型水沙运动相似与河床变形相似诸方面的要求。

2)上、下水库连接控制系统实现了上、下水库之间的双向往复流动与同步联动,满足试验需求。

3)验证试验表明,模型水位和流态与原型一致,误差在允许范围内,模型满足坝区水流的阻力相似与运动相似的要求;上、下水库连接段很好地模拟了电站运行时的双向水流。

4)模型设计与制作满足抽水蓄能电站上、下水库水沙运动模拟的相似要求,相关设计原则与技术可供类似模型设计参考。

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(责任编辑：陈海涛)

Design and Verification of Integral Movable-bed Sediment Model for Up-down Reservoirs of Tianchi Pumped Storage Power Station

ZHANG Guoliang1, SUN Dongpo2, HU Xiangwei1, ZHANG Yu2, ZHANG Bing3

(1.Henan Tianchi Pumped Storage Power Company Limited, Nanyang 473000, China; 2.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China; 3.Zhengzhou Shuqing Medical College, Zhengzhou 450011, China)

It is very necessary to do an experiment for sediment model on the flow and sediment deposition near the inlet and outlet of power station and the reservoir when the up and down reservoir of the pumped storage power station is jointly used. Taking Tianchi pumped storage power station as an example, we explored the design and verification of integral sediment model for up-down reservoir. The integral movable-bed model of up-down reservoir has been designed, the control scale which satisfied the similarity laws of flow and sediment motion and the similarity laws of riverbed deformation, was investigated, the types and particle diameters of model sediment were confirmed to correspond to the similar scale, and the preliminary experiment was carried on. The two operation conditions of pumped storage and generation power were realized to simulate the linkage section of up-down reservoir by using a specially designed positive and negative direction pipe-pump system. Adopting VDMS flow-field and real-time monitoring system in the design, the velocity and flow pattern near inlet and outlet and reservoir were finely observed. Experiments have verified that the design and manufacture of integral model satisfy the similarity of flow and sediment motion and the similarity of riverbed deformation in the reservoir, and the design method gives a reference to the design for similar integral sediment model.

pumped storage power station; movable-bed model; similar scale; linkage section of up-down reservoirs; model verification

2016-12-02

国家自然科学基金项目(51079055)。

张国良(1968—),男,山东莱阳人,教授级高级工程师,博士,从事水力发电方面的研究。E-mail:huxw0509@126.com。

孙东坡(1950—),男,河南开封人,教授,博导,从事河流动力学方面的研究。E-mail:sundongpo@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.03.011

TV147

A

1002-5634(2017)03-0070-06