三峡工程右岸地下电站泥沙问题.doc

三峡工程右岸地下电站泥沙问题模 型 试 验 研 究李大志 郭 炜 陈义武摘要：三峡工程右岸地下电站远离主河槽，电厂引水为支汊取水形式，水库蓄水后，厂前水流为缓流和回流区，为研究地下电站厂前泥沙淤积等问题，采用数学模型和实体模型相结合方法进行研究，对排沙底孔的排沙效果和改善地下电站工程措施进行了实验。关键词：三峡工程地下电站；实体正态模型；系列年淤积实验；排沙效果。1 前言三峡水利枢纽地下电站位于右岸白岩尖山脊下，与右岸电厂相邻，是三峡电站的组成部分，装机共6台，总装机容量为420万千瓦。电厂进水口的闸门孔口为9.5m15m，底板高程为116m。三峡工程蓄水运用后，右岸地下电站厂前处在缓流区和回流区，泥沙淤积。随着枢纽长期运营，地下电站厂前淤积厚度增长、流态复杂，对地下电站的长期安全运用产生威胁，因此在三峡工程设计及施工阶段过程中，采用三峡坝区1/150正态模型1，进行了实验研究，模型模拟的河段全长31.5km，其中坝址以上河段长17.5km，模型进行了多次长系列年(70+6年)淤积实验，研究了电站底孔的排沙效果，以及改善电站进流而设立右岸电厂与地下电厂连通道等工程措施。2、实验条件2(1) 模型进口的流量和含沙量过程，采用19611970年水文系列年数学模型计算成果。该项计算未考虑三峡水库以上干支流新建水库及水土保持工程的减沙效果，故淤积量偏大。 (2) 坝前水位和枢纽各建筑物的调度方案为：坝区汛期限制水位第12023为135m，从第2023开始为145m，坝下游水位按葛洲坝枢纽坝前水位66m控制。(3) 考虑到1954年型大水大沙年，坝前汛期水位控制在145m以上的历时较长，为了研究其对坝区泥沙冲淤的影响，在枢纽运用30年末、50年末和70年末各插入1954年和1955年典型水文年，相称于枢纽运用76年中出现3次1954年型大水年。事实上宜昌站1954年洪水约为80年一遇，沙量为1950年以来实测最大值，故实验采用的水沙年系列偏于安全。(4) 考虑到地下厂房布置在原茅坪溪累积淤积区，为了保证泥沙淤积不致影响地下厂房的正常运营，在调度原则上优先考虑地下厂房，在汛期20230m3/s流量以上时，6台机组全开，在枯季也保证不少于2台机组运营。2、地下电厂前水流泥沙运动规律(1) 枢纽运用后，坝上游河势逐步向微弯、平顺态势调整(图1)。主流流向在坝前正对溢流坝段，在左、右电厂段前形成两个方向相反的回流，而地下电站位于右岸边滩茅坪溪内，白云尖山体将其与主河槽隔离，电站运营时，一部分水流从茅坪溪口门绕流进入地下电站，形成支汊取水的形式。另一部分水流从连通道侧向进入地下电站。(2) 三峡枢纽采用“蓄清排浑”的方式调度，汛期坝前水位一般控制在145m运营。大量泥沙随洪水从溢流坝段的泄洪深孔下泄至坝下游，而地下电站远离主流，进水形式为支汊进水，因此流进地下电站的泥沙粒径相对较细。(3) 地下厂房前水流垂向互换较强，含沙量沿垂线分布均匀。三峡枢纽汛期限制水位为145m，非汛期坝前水位为175m，因此，地下厂房启动后，水流由水面向2959m深的电站进水口通过水轮机流到下游，从而导致厂前水流垂向互换较强，含沙量和泥沙粒径垂向分布均匀。(4) 地下厂房上游590m处为茅坪溪口门，原属累积性淤积区，本地下电站运用时，则有流量最大为4800m3/s、最少为1600m3/s的水流由此通过，口门不致完全淤塞。枢纽运用到76年即水库达成冲淤平衡后在145m水位时口门宽约350m，淤积高程一般在140m以下。4、地下电厂厂前及尾水渠泥沙淤积情况4.1 地下电厂前泥沙淤积在排沙洞全关的情况下，枢纽运用初期30年末，地下电厂前缘30m处的最大淤积高程为119.4m，一般淤积高程为115.6119.4m，已有4台机组厂前淤积高程超过进水口底板高程116m，但不影响地下厂房的机组正常取水。枢纽运用50+4年末，地下电厂前缘30m处最大淤积高程为119.8m，地下厂房所有机组前缘30m处的淤积高程，均超过进水口底板高程116m，但不影响电厂正常取水。枢纽运用70+6年末，地下电厂前缘30m处的淤积高程，均超过了电厂进水口底板高程，最大高程为120.3m，但仍不影响地下厂房正常取水。由于地下电站远离河槽，其进水形式为支汊进水，因此，地下厂房前缘的淤积物粒径较主厂房右电厂细，枢纽运用初期30年末，淤积物中值粒径d50一般为0.015mm；枢纽运用中期54年末，淤积物中值粒径一般为0.0150.020mm；枢纽运用后期76年末，淤积物中值粒径一般为0.0220.028mm。4.2 地下电厂尾水渠泥沙淤积地下厂房尾水由三条排水隧洞下泄，直接注入右电厂尾水渠。由于地下厂房尾水流向与右电厂尾水流向交角较小，约15度，所以对右电厂尾水下泄的干扰较小，仅因两股水流交汇后，由于水流的离解作用，局部形成了回流流态，但无明显的壅水。同时，由于地下厂房有4800m3/s流量的泄水汇入，从而使右岸电厂尾水渠的水流紊动强度进一步加强，整个尾水渠内流速增大，特别是右侧流速明显增大，使得右电厂尾水渠的泥沙淤积较未建地下厂房时少。由于右电厂下游尾水区的边界条件比较稳定，而其水流紊动较强，而右电厂和地下厂房泄流量相对稳定，因此枢纽运用后不同年限的电厂尾水区流态和淤积基本相似。模型实验表白：在枢纽运用后期76年末，右电厂和地下厂房下游尾水渠300m范围内，泥沙累积淤积量为14.2万m3，较兴建地下厂房前减少泥沙淤积17%。5、电厂过机泥沙枢纽正常运用76年，推移质仍未运营至坝前，进入坝区的泥沙仍是悬移质。坝前悬移质含沙量与粒径的横向分布为中间稍大，主河床左、右两侧较小，地下厂房远离主河槽，水流含沙量远小于主河槽和左、右电厂的含沙量，泥沙粒径也较主河槽和左右电厂的细。无粗沙过机问题。枢纽运用中期，在汛期洪水流量55900m3/s时，进入地下电站机组水流的含沙量为2.52kg/m3，悬移质中值粒径d50为0.0180.020mm，大于0.05mm的占8%。枢纽运用后期，在汛期洪水流量55900m3/s时，进入地下电站机组水流的含沙量为3.924.01kg/m3，悬移质中值粒径d50为0.0250.027mm，大于0.05mm的占11%。6、地下电厂排沙底孔拉沙效果排沙底孔冲刷漏斗的横向坡度(垂直主流流向)和纵向坡度(平行主流流向)与水库运用方式、来水来沙条件、坝前地形、排沙底孔过流量，以及厂前泥沙淤积物的厚度、沉积历时、密实度、泥沙粒径等有密切关系。在枢纽运用30年末、54年末及76年末，分别三次启动排沙洞，排沙总流量为360m3/s，排沙历时35h条件下，以集中排沙方案与分散排沙方案进行实验比较，集中排沙是6台机组只设一个排沙洞，分散排沙是横向设3个排沙支洞，实验表白，分散方案冲沙效果优于集中方案，集中方案泥沙冲刷后的部分厂前泥沙淤积高程高于进水口底板高程，分散方案3个排沙洞全启动后，冲刷后的泥沙淤积高程均低于电厂进水口底板高程116m，并能形成比较稳定的冲刷漏斗。冲刷漏斗横坡一般在1：2.91：3.9之间，纵坡一般在1：6.81：11.7之间，排沙效果显著，基本达成电厂“门前清”能保证地下厂房长期正常取水。7、连通道方案入流条件三峡工程运用后期，随着茅坪溪口门附近泥沙淤积，从茅坪溪进入电站的入流条件变差，为改善入流，保证地下电站的长期安全运用，施工期已在地下电站与右电厂间开挖白云尖山体，设立了连通道从侧向补充进水。但地下电站运用后，从连通道侧向的水流与从茅坪溪口门的水流在地下电站厂前交汇，形成立轴漩涡，随着水库长期运用，立轴漩涡强度加大，厂前流态复杂。根据三峡工程施工需要大量石方情况，若改为开挖白云尖上游山头以及右侧的部分山体，可以从地下电站上游引大江水流进入茅坪溪并扩大地下电站的入流口门宽度，平顺水流流态，满足地下电站后期的入流规定。与此同时，堵塞与右电厂相连的通道。8、结语(1) 三峡工程蓄水运用后，若地下电站长期引水过流，茅坪溪口门不会淤堵而影响进流，枢纽运用76年末，仍能保证电厂的基本正常取水。(2) 在枢纽运用初期，无粗沙过机问题，枢纽运用后期，在汛期洪水流量55900m3/s时，进入地下电站机组水流的含沙量为3.924.01kg/m3，悬移质中值粒径d50为0.0250.027mm，大于0.05mm的占11%。(3) 当排沙洞启动后，厂前的淤积物有所冲刷，并能形成较稳定的冲刷漏斗，其漏斗横坡一般为1：2.91：3.9，纵坡为1：6.81：11.7。其中分散布置方案在枢纽运用初、中、后期均可使电厂前的淤积低于电厂进水口高程，能保持电厂“门前清”，保证地下电厂长期正常取水。采用分散布置的排沙洞方案冲沙效果较好。(4) 地下电站下游尾水与右电厂尾水交汇，两股水流交角较小，无明显的壅水。地下电厂尾水下泄尚有助于减轻右电厂尾水渠的泥沙淤积。(5) 与右电厂连通道方案实行后，地下电厂前流态复杂，建议开挖白云山尖上游山头，扩大电站上游入流，堵塞连通道，可以满足地下电站长期的入流规定。参考文献：1郭炜等.长江三峡工程坝区泥沙模型实验研究报告，长江三峡工程坝区泥沙研究论文集，19972郭炜等. 长江三峡工程右岸地下电站可行性研究阶段泥沙研究报告，1995本项工作得到了长江科学院卢金友专家和魏国远专家的指导。