萬家寨水利樞紐堆渣對尾水位影響的研究

萬家寨水利樞紐堆渣對尾水位影響的研究

萬家寨水庫位于黃河北渠上段托克托——龍口峽谷段。這是黃河上游的一個初步發(fā)展階段。樞紐的主要任務是供水結合發(fā)電調峰,同時兼有防洪、防凌作用。樞紐由攔河壩、泄水建筑物、壩后式廠房、引黃取水建筑物及GIS開關站等組成。攔河壩為半整體式混凝土直線重力壩,壩頂高程982m,壩頂長443m,最大壩高105m。泄水建筑物位于河床左側,包括8個4m×6m底孔、4個4m×8m中孔和1個14m×10m表孔,均采用長護坦挑流消能。電站裝機1080MW,單機容量180MW,多年平均發(fā)電量27.50億kW·h,年利用小時數2546h。電站最大水頭81.50m,最小水頭51.30m,加權平均水頭69.30m,額定水頭68m。1合成渣占河道位置萬家寨水利樞紐水工模型試驗結果表明,當溢流壩行洪、電站不發(fā)電時,電站尾水渠有弱回流區(qū)產生,沖坑石渣向尾水區(qū)擴散嚴重,使尾水區(qū)出流通道縮窄,較多地抬高了正常發(fā)電尾水位。尾水位抬高主要是沖刷堆渣侵占河床所致,如果能提前預挖沖坑或洪水過后清除尾水區(qū)堆渣,正常發(fā)電尾水位將降低0.5～1.0m。在樞紐工程下閘蓄水后,黃河每年凌汛和伏汛期間,為滿足防洪要求,水利樞紐在發(fā)電的同時需左岸泄水建筑物泄洪,泄洪主要以底孔泄流為主。在底孔開始大流量泄水后,下游很快形成沖刷坑。泄水水流平面擴散、旋滾和沖刷,將消能坑內石塊淘刷帶出,致使消能坑下游形成扇形塊石堆渣,即在左岸泄洪河道形成堆積的同時,塊石在縱向圍堰下游向右岸尾水河道攤開,侵占近一半的尾水河床。結合模型試驗結果分析可知,扇形堆渣侵占河道,使得尾水河道過流能力降低,因此,下游河道扇形堆渣是造成尾水雍高的主要因素。2q-h曲線選取根據萬家寨水利樞紐設計流量與尾水位和2009年8月8日至2009年9月15日的實測流量與尾水位數據,繪制設計和實測流量、尾水位曲線,即Q-h曲線,如圖1所示,圖1中尾水位為高程。從圖1可以看出,實測Q-h曲線位于設計Q-h曲線上方,在相同流量的情況下,存在實測尾水位與設計尾水位之差ΔH,即尾水雍高值。隨著流量的逐漸增大,ΔH逐漸增大并穩(wěn)定在0.70m左右,說明尾水河道扇形堆渣致使尾水雍高約0.70m。3尾水躉質影響年發(fā)電量經濟效益水電站尾水雍高的直接影響是使發(fā)電水頭降低,從而造成電能損失,影響發(fā)電效益。萬家寨水利樞紐采取“蓄清排渾”運行方式,庫水位除滿足泥沙沖淤要求以外,還要滿足防洪、防凌、調水調沙、機組發(fā)電和供水等對水位的要求。在每年8～9月排沙期內,庫水位在952～957m之間進行日調節(jié)運行;汛期防洪限制水位,在7～10月上半個月水位為966m,10月下半月逐漸蓄高,至10月底蓄到970m。翌年3月1日至4月上旬,流凌開始時水位降至970m。11月中旬以后,上游封凍流冰花入庫,水庫蓄水不超過975m;冰花結束后,庫水位逐步提到977m。11月到翌年4月,水位不低于970m。可見,1年之內庫水位變化幅度在25m內,加之下游尾水雍高約0.70m(相當于降低有效水頭0.70m),因此尾水雍高對年發(fā)電量經濟效益有一定影響。根據萬家寨水利樞紐多年平均徑流量、多年平均流量、機組效率等數據(均取設計值),對尾水雍高損失電量效益進行估算。年平均損失電量為E=9.81ηQΔHT(1)E=9.81ηQΔΗΤ(1)式中:E為年平均損失發(fā)電量,kW·h;η為效率系數;Q為多年平均流量,m3/s;ΔH為平均尾水雍高值,m;T為年利用小時,取T=8760h。萬家寨水利樞紐壩址多年平均流量為609m3/s(多年平均徑流量為192億m3),效率系數為92.15%(水輪機加權平均效率與發(fā)電機加權平均效率之積,未計機組傳動效率),則按照平均尾水雍高值0.70m計算,不考慮機組傳動效率損失的情況下,理論計算年損失電量為3375萬kW·h,占多年平均發(fā)電量的1%。按照設計經營期的平均電價計算,年損失電量所造成的經濟效益降低約為:3375萬kW·h×0.320元/(kW·h)=1080萬元。由此可見,尾水雍高對萬家寨水利樞紐的年發(fā)電效益影響顯著。4過機流量q計算發(fā)電耗水率指標是衡量水電站經濟運行情況的主要指標,而影響該指標的主要因素是水電站凈水頭,因此要降低發(fā)電耗水率就必須保持適當的凈水頭,保證水輪發(fā)電機組在額定或較高水頭運行。萬家寨水電站設計最大水頭81.50m,最小水頭51.30m,加權平均水頭69.30m,額定水頭68m,額定流量290.70m3/s。尾水位雍高0.70m,就意味著有效水頭降低了0.70m。由式(1)可知,在額定出力情況下,由公式Q額定/Q=(H額定-H)/H額定,可計算得出當有效水頭降低0.70m時對應的流量Q為293.72m3/s,即在額定出力情況下,過機流量將增加3.02m3/s,計算耗水率將增加1%。由此可見,尾水雍高對耗水率影響亦較為明顯。5尾水東南角對于發(fā)電效益影響根據萬家寨水利樞紐水工模型試驗結果,對照工程運行后的實測流量、尾水位關系曲線與設計流量、尾水位曲線,驗證了工程實際運行后的尾水雍高值與模型試驗結果基本接近,泄洪形成的尾水堆渣是尾水位雍高的主要原因,尾水雍高對發(fā)電效益影響