河南天池抽水蓄能电站典型断面含沙量分布试验研究

总607期第3期2017年3月河南科技Henan Science and Technology河南天池抽水蓄能电站典型断面含沙量分布试验研究张羽马晓张石磊王银海（华北水利水电大学，河南郑州450045）摘要：泥沙问题在抽水蓄能电站中，一直是工程运行中所关注的主要问题。

其对抽水蓄能电站的危害主要是：一方面，泥沙在库区淤积，影响电站的库容，对电站的兴利运行造成一定影响；另一方面，泥沙随电站的运行损毁设备。

本文主要通过正态动床模型试验手段，研究不同工况下库区典型断面含沙量分布及库区淤积，通过对试验数据的对比、分析，探求允许过机泥沙的工程调度方案。

关键词：抽水蓄能；模型试验；泥沙；含沙量分布中图分类号：TV743文献标识码：A文章编号：1003-5168（2017）03-0105-03Experimental Study on Distribution of Sediment Concentration in Typical Section of Tianchi Pumped Storage Power Station in Henan ProvinceZhang Yu Ma Xiao Zhang Shilei Wang Yinhai（North China University of Water Resources and Electric Power ，Zhengzhou Henan 450045）Abstract:The sediment problem has always been a major concern in the operation of the pumped storage power sta⁃tion.The main damage to the pumped storage power station are:On the one hand,silt will reduce capacity of the res⁃ervoir,which has a bad impact on the operation of the hydro-power station;On the other hand,it will destroy the equipment as the hydro-power station works.This paper studied the distribution of sediment concentration and the siltation in the reservoir area under different working conditions by the normal movable bed model test;and by com⁃paring and analyzing the test data,this paper explored the engineering scheduling scheme to allow the over loading of sediment.Keywords ：pumped storage ；model test ；sediment ；sediment distribution 抽水蓄能电站是利用上下水库形成的巨大水头差，在电网中负荷低谷时由下水库抽水到上水库蓄能，待电网高峰负荷时，放水回到下水库发电的水电站。

自20世纪60年代后期，由于其良好的调峰、填谷、调频、调相等作用，以及能提高电网的运行效率、稳定性和安全性等，因而得到了长足的发展。

河南天池抽水蓄能电站位于豫西南地区的黄鸭河流域，流域内汇入支流的天然含沙量较低，其来沙量主要为汛期水流的挟沙作用引起。

由于抽水蓄能电站水库运行水位长期保持在正常蓄水位和死水位之间，如果没有合理的处置措施，泥沙极易淤积；如果水流携带泥沙过多，电站运行将对水轮机等过流部位产生巨大的破坏作用，所以抽水蓄能电站对过机泥沙的控制要求较高。

因此，对抽水蓄能电站水库泥沙问题的研究非常必要，以制定合理的运行调度方法和有效的防排沙措施。

1模型的建立针对河南天池抽水蓄能电站运行过程中的泥沙问题，本文通过物理模型对库区淤积和过机泥沙进行研究，以制定合理的运行调度方法和有效的防排沙措施。

根据惠遇甲、王桂仙、李昌华、张红武等［1-4］学者模型试验设计理论研究成果，试验设计采用正态相似的方法，水平、垂直比尺均为1∶60，可以有效避免变态模型、缩尺效应等不利条件对试验结果的影响。

建立天池抽水蓄能电站上、下库动床实体模型，模拟下库坝区2.4km 范围内，模型试验布置见图1。

模型沙按照沉降相似条件，以及按照起动（扬动）相似条件进行综合考虑；并结合以往的试验研究表明，树脂离子作为模型收稿日期：2017-02-21作者简介：张羽（1970-），男，博士，副教授，研究方向：河流模拟、泥沙输送。

矿业与水利沙基本满足本次试验选沙要求。

模型各相似关系见表1。

通过验证试验表明，天池抽水蓄能电站上下库实体模型对水流泥沙运动等的相似性满足模型试验要求。

图1下库河道模型横断面布置表1正态模型比尺总汇比尺名称水平比尺垂直比尺几何变率糙率比尺流速比尺流量比尺水流运动时间比尺粒径比尺含沙量比尺河床变形时间比尺比尺符号λL λH D t λn λV λQ λt1λd λS λt2比尺数值606011.987.75278857.751.07210.5选择依据试验要求及场地条件满足表面张力及变率限制条件D t =λL /λH水流阻力相似条件水流重力相似条件λQ =λL λh λv λt 1=λL /λV-挟沙相似条件河床冲淤变形相似条件2试验工况2.1试验过程的选取本次选定试验过程为10、20、30、40a 和50a 系列洪水过程，并选取10、20、30、50年一遇典型洪水一日洪峰进行试验研究。

典型洪水对应水库进口含沙量见表2。

表2典型洪水流量、含沙量试验过程中分别布置3个断面上的12条垂线上60个测点进行含沙量的测量，测点布置见表3。

2.3含沙量的测定试验中，使用带标尺的取样杆分别对不同的试验过程、不同测线、不同相对水深中采集试样（试样的个数及极差、平均差等满足统计学的要求），通过计算分析，以求得其分布规律。

试验过程中，对比重瓶及天平进行及时的率定，以满足精度要求。

取样时，采用自制的取样杆，对不同相对水深一次取样，减小试验误差。

试验时，利用正态模型相似原理，依据流量比尺、含沙量比尺、时间比尺等设计模型，以期满足试验要求。

3试验成果3.1长系列年下库区的淤积分布通过对各系列年试验后库区河床地形的测量，得到10、20、30、40和50系列年后下库区各河段的淤积量；实测干流黄鸭河各河段（典型断面间）的冲淤量见图2、3。

由图2、3可得：在10断面以上河段，库区河道为单一河道；10断面以下河段，库区河道分为两支：右侧一支由新开输沙槽通往排沙洞和溢洪道，为新开河道；左侧另一支由原Ω河湾经拦沙潜堰，电站进出水口通往溢洪道。

因此，库区淤积形态与河道形态和建筑物的运用有密切的联系。

10年长系列各河断淤积量Ω河湾10断面以上河道图2下库10年系列沿程淤积分布50年长系列各河断淤积量Ω河湾输沙槽（2-10断面）10断面以上河道图3下库50年系列沿程淤积分布分析各图可以看出不同系列年下库区的沿程淤积分布特点。

从10年系列末看，10断面以上、马蹄河出口（20断面）上下游各有一个重点淤积区，分别是15～16河段和20～22河段；27～28河段有局部回流淤积区。

10断面以下河道分为左右2支，泥沙主要淤积在新开的右支排沙槽河段，左支Ω河湾河段淤积相对较少；右支河段淤积占75%，而左支河段淤积仅占25%，而且明显看出电站进出水口前河段（6～7断面）的泥沙淤积最小，这表明拦沙潜堰起到了明显的拦沙作用，输沙槽也很好地起到了拉沙、输沙作用。

从50年系列末看，15断面以上，沿程淤积很小，仅有马蹄河出口上游有1个S 微弯河段凸岸的局部淤积区和马蹄河出口附近有一局部淤积区；10～15断面间河段淤积明显增加，且沿程递增。

10断面以下，右支输沙槽河段淤积沿程比较均匀，仍是库区淤积的主体，，占近坝区淤积总量的80%，而左支Ω河湾河段淤积相对较少，仅占淤积总量的15%。

3.2典型洪水下库区的典型断面含沙量分布在长系列年中，针对典型断面实测了10、20、30、50年洪峰流量所对应的含沙量，试验结果如图4、5所示，上游不同来水来沙是电站进出口含沙量见表4。

图4输沙槽典型测线含沙量垂线分布图5下水库进水口典型测线含沙量垂线分布由试验成果可以得出，针对不同频率典型洪水过程，各测沙断面的各测线上的含沙量均随洪峰流量及含沙量的增大有增大趋势；含沙量沿程分布也随洪峰流量计含沙量的增大而增加。

针对同一频率洪水洪峰，一是同一测沙断面的不同测线上的含沙量有不同的规律：拦沙浅堰处基本呈现自起点30m 向侧线末端减小趋势，输沙槽处表现为中部测线较大，而两侧较小，而下库进水口处则表现为两侧边壁处较大，而中间较小。

二是不同测沙断面上，均表现为输沙槽的含沙量为最大，且洪峰含沙量越大，输沙槽的拉沙效果越明显。

三是含沙量沿程分布沿程减小，在Ω河湾前三岔口以后，由于输沙槽的作用，含沙量分布有一个大的降落，且输沙槽含沙量占到全部含沙量的70%左右。

四是试验中测量不同来流含沙量经水库调度运行后达到电站进出水口时的含沙量，当含沙量达到4kg/m 3后，实测过机泥沙含量已经超过过机泥沙的限制要求，电站蓄能运行宜避开沙峰期。

表4上游不同来水来沙时电站进出口含沙量①典型洪水的时间很短，但次洪水淤积量很大，是库区淤积的主体部分。

10年一遇洪水淤积量占10年长系列淤积总量（平均值）的30%，50年一遇洪水淤积量就占10年长系列淤积总量（平均值）的82%。

②在不同频率的典型洪水中，现有输沙槽与2个泄水建筑物均起到了一定的输沙、排沙作用。

试验表明，典型洪水的排沙比与其出现频率成正比。

③当入库含沙量超过4kg/m 3后，电站蓄能、发电应暂停运行。

参考文献：［1］惠遇甲，王桂仙.河工模型试验［M ］.北京：中国水利水电出版社，1999.［2］李昌华.河工模型试验［M ］.北京：中国水利水电出版社，1999.［3］张红武.挟沙水流中含沙量沿垂线的分布规律［J ］.泥沙研究，1997（1）：35-41.［4］张红武，江恩惠.黄河高含沙洪水模型的相似条件［J ］.人民黄河，1995（4）：1-3.。