荷叶坝水电站洪水调度运行方式拟定

王耀伟

（汉中市水利水电建筑勘测设计院,陕西 汉中 723000）

1 工程概况

荷叶坝水电站工程位于略阳县境内嘉陵江干流,坝址位于略阳县城以下6.9 km处。该电站是水利部长江水利委员会编制的《嘉陵江流域综合规划》嘉陵江干流略阳县城以下陕西省境内水电开发方案4个梯级的第一个梯级,河床径流式电站。坝址控制流域面积19864 km2,正常蓄水位632.00 m,水库总库容1688 万m3,中型工程,主要建筑物III等3 级,洪水标准按50 年一遇洪水设计,500 年一遇洪水校核。主要建筑物从左到右依此为电站厂房坝段、泄洪冲沙闸坝段和翻板闸坝段。泄洪冲沙闸3 孔10 m×14.5m（宽×高）,采用开敞式布置,液压翻板门14 孔10 m×6 m（宽×高）,堰顶高程626.00 m,闸门顶高程632.00 m[1]。

2 问题的提出

电站多年平均悬移质输沙量2380 万t,推移质输沙量119万t,多年平均总输沙量2499 万t。水库正常蓄水位632 m时,库容832万m3,回水长度约11 km,坝前水深和库容都较小,且入库沙量相对较多,库沙比0.4,所以水库一旦蓄水,很快达到淤积平衡。由于库区右岸有宝成铁路沿江岸通过,坝址以上6.9 km处为略阳县城,所以通过调度和其它措施提高水库排沙,有效的控制水库泥沙淤积床面,减少库区淹没浸没,是电站设计中应解决的一个主要问题。对此,不仅要设立必要的枢纽防排沙设施,更要有严格的排沙运行方式。

3 水库排沙运行方式的拟定

水库排沙的方式有滞洪排沙、异重流排砂、泄空排沙等,但最经常的最普遍的还是滞洪排沙。河流水沙特性就是大水大沙,汛期沙量比较集中,尤其中小洪水下,历时短,潭面水深快速下降,泥沙沉降前即顺主槽而下,排沙效率高。大洪水漫滩情况下,加之滞洪历时长,会是泥沙大量落淤,排沙效果显著降低。由此可见,要提高水库排沙效率,必须严格控制库水位,尽量控制主槽洪水排沙效果。

荷叶坝水电站为了有效控制水库泥沙淤积床面,拟采用按分界流量控制坝前水位的运行方式,即当入库流量小于分界流量时,在正常蓄水位运行,当入库流量大于分界流量时水库排沙水位乃至进行敞泄运行。

分界流量的选择,以能控制入库大部分泥沙及沙峰过程为原则。分析略阳水文站实测中水中沙年（1960 年、1985 年、1992 年）水沙资料,不同流量级下荷叶坝水库坝址输沙情况见表1。

表1 荷叶坝水库坝址水沙统计表

分析表1可知,当分界流量取400 m3/s时,可控制入库沙量的69%~74%,平均71%,大于400 m3/s流量出现的天数为18天~25天,平均约22天；敞泄冲刷分界流量取800 m3/s,中水年份一般有2天~6天,平均4天,可对库区产生有效冲刷,又对发电影响不大。综合分析,为了既能有效控制入库水沙,不使库区产生累积性淤积,又对发电影响不大,拟选择排沙水位分界流量为400 m3/s,敞泄分界流量为800 m3/s。即当入库流量小于分界流量400 m3/s时,在正常蓄水位运行,当入库流量大于分界流量小于800 m3/s时降低水库水位至排沙水位628.5 m运行,当入库流量大于800 m3/s时,水库敞泄排沙运行。

荷叶坝水库坝前水深和库容都较小,且入库沙量相对较多,据水库泥沙淤积形态判别式=V/WS/J0分析[2],=0.04,远小于形态判别参数2.2,因此,该水库泥沙淤积形态为锥体。同时,水库库容较小,入库沙量相对较多,库区最终将以推移质泥沙淤积为主,根据推移质淤积比降公式J=0.79J0（HQJ0）-0.17,计算的该水库淤积平衡比降为0.5‰。根据荷叶坝水库的运行方式,当流量大于400 m3/s小于800 m3/s时,水库坝前运行水位为628.5 m,此时库区淤积物中主要为悬移质中较粗颗粒和推移质,因此,淤积平衡比降应小于以推移质淤积为主的平衡比降,为安全计,本次取排沙水位时的淤积平衡比降为0.4‰。

造床流量指对塑造河床起主导作用的某一级流量,在水库及河道泥沙分析中常用平滩流量或者1.5 年~2 年一遇洪峰流量。根据荷叶坝水库的运行方式的变化,分别确定相应的造床流量和河相关系,成果见表2。

表2 荷叶坝水库造床流量及河相关系表

根据现场查勘,荷叶坝水库所在河段推移质以沙砾石为主,由起动流速公式U=4.6d1/3h1/6（式中U为起动流速,m3/s；d为泥沙粒径,m；h为水深,m）计算,水库运行在排沙水位628.5 m流量为800 m3/s时,“DM114”断面（坝前段）和“DM2”断面（略阳县城）的起动粒径分别为0.020 m和0.022 m；水库敞泄运行流量为1200 m3/s时,“DM114”断面（坝前段）和“DM2”断面（略阳县城）的起动粒径分别为0.031 m和0.030 m,流量1660 m3/s时,“DM114”断面（坝前段）和“DM2”断面（略阳县城）的起动粒径分别为0.046 m和0.068 m。

据此,进行水库泥沙冲淤计算,结果如下：

荷叶坝水库正常蓄水位632 m排沙水位628.5 m,当水库坝前运行水位控制在排沙水位628.5 m时,坝前段约2 km的泥沙淤积床面较高,同时在略阳县城附近也有淤积。结合河段多年冲於情况调查,初步分析表明,在大流量情况下,若采用敞泄冲刷排沙运行方式,中、小卵石及砾石质推移质基本可冲刷出库。

根据荷叶坝水库坝址不同设计代表年日平均流量成果,流量大于800 m3/s平均出现的天数约为4 天,流量大于1200 m3/s平均出现的天数约为1 天,见表5[1]。综合以上两个因素,当流量大于800 m3/s水库敞泄运行时,可将坝前段及库区（略阳县城附近）淤积泥沙冲刷出库,形成一个以推移质淤积为主的冲淤平衡河槽。

综上所述,电站按径流式运行,以向汉中电网提供电量为主。由于水库不承担河道上、下游防洪任务,调洪目的主要是为了枢纽自身的安全,洪水调节起调水位为正常蓄水位632.00 m。调洪方式为：

①当河道来水量小于400 m3/s时,扣除发电流量,多余水量由翻板闸通过调整开启度自动调节,此时,泄洪冲沙闸关闭。

②当河道来水量增大,大于400 m3/s,小于800 m3/s时,根据水库泥沙淤积及回水计算,水库应通过泄洪冲沙闸控制在排沙水位628.500 m运行。

③当河道来水量继续增大,大于800 m3/s时,泄洪冲沙闸全开,按敞泄方式泄洪,溯源冲沙,之后随着来水量加大,水位上升,直至下泄流量等于河道上游来水量,此时水库水位达到坝前最高洪水位；随着河道来水量逐渐小于水库水位对应的泄流能力时,水库水位下降、水力自控翻板闸门逐渐回关蓄水,关闭泄洪冲沙闸,使上游水位始终保持在要求的范围内,即上游正常水位。

水库泥沙淤积是一个复杂的演化过程,它不仅与入库水沙条件有关,而且与河道边界条件、枢纽防排沙布置、水库排沙运行方式有关,在实际运行过程中,应采用“蓄清排浑”“蓄小排大” 等方式,适时降低库水位泄流冲刷,通过沿程冲刷、溯源冲刷将泥沙排出库区。

通过水库冲淤及采用明渠恒定非均匀渐变流能量方程进行回水计算,水库建成后当遭遇30 年一遇设计洪水时,回水长度5.06 km,距离略阳县城仍有1.84 km,淤沙尖灭点6.45 km,未到距离坝址6.9 km的略阳县城。随着水库的运行,水库库区河道基本处于一个动态平衡的状态。由于各年来水量和来沙量的不同,各段河道有冲有淤,但河道大体走势基本保持不变水库泥沙淤积基本达到平衡,水库排沙比达到98%。

4 结语

按分界流量控制坝前水位,确定的水库排沙运行方式较为合理,这一措施的提出,较好地解决了多沙河流蓄水发电和维持有效库容、减小淹没损失之间的矛盾,可为同类工程所借鉴。