抽水蓄能电站水库泥沙冲淤分析计算.docx

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抽水蓄能电站水库泥沙冲淤分析计算

FCD12030FCD

抽水蓄能电站初步设计阶段

水库泥沙冲淤分析计算大纲范本

水利水电勘测设计标准化信息网

1996年10月

抽水蓄能电站初步设计阶段

水库泥沙冲淤分析计算大纲

主编单位:

主编单位总工程师:

参编单位:

主要编写人员:

软件开发单位:

软件编写人员:

勘测设计研究院

年月

目次

1.引言4

2.设计依据文件和规范4

3.基本资料4

4.水库泥沙冲淤计算6

5.专题研究9

6.应提供的设计成果9

附件A10

附件B11

附件C14

1前言

项目概况

抽水蓄能电站位于省县乡境内，总装机MW。

抽水蓄能电站由上水库、水道系统、厂房及下水库组成。

提示:

（1）抽水蓄能电站的水库类型，下水库主要有河道库、岸边库和弯道库；上水库主要有河道（沟）库、湖泊库和台坪库，应根据工程具体情况，选择相应的类型。

（2）河道库指在河道上修建的水库；岸边库指在河边的宽阔地形上围堤而成的水库；弯道库指利用河湾由上、下两坝及河岸围成的水库，并设置适当的泄洪建筑物宣泄洪水，其上坝的上游形成滞洪水库；台坪库指在山顶台坪上围堤而成的水库。

2设计依据文件和规范

2.1有关本工程（或专业）的文件

（1）可行性研究报告;

（2）可行性研究报告审批文件;

（3）初步设计任务书和项目卷册任务书，以及其它专业对本专业的要求;

（4）泥沙专题报告。

2.2设计规范

（1）DL5021-93水利水电工程初步设计报告编制规程；

（2）SDJ11-77水利水电工程水利动能设计规范（试行）;

（3）SDJ214-83水利水电工程水文计算规范（试行）;

（4）SL104-95水利工程水利计算规范;

（5）水库水文泥沙观测试行办法。

2.3主要参考资料

（1）水利水电工程泥沙设计规范（报批稿）；

（2）《泥沙手册》（中国水利学会泥沙专业委员会主编）；

（3）《水库泥沙》（陕西省水利科学研究所河渠研究室、清华大学水利工程系泥沙研究室合编）；

（4）《河流泥沙工程学》（武汉水利电力学院）。

3基本资料

3.1水库概况

提示:

应根据所设计工程的条件，从附件A中选择相应的水库类型，对水库概况进行描述。

本范本附件A给出了建议的河道库、岸边库、弯道库及台坪库水库概况描述格式。

3.2水文泥沙

提示:

根据水库类型，收集相应的水文泥沙资料，附件B给出了建议的河道库、岸边库、弯道库及台坪库水文泥沙资料描述格式。

如果上水库为河道库，则其来沙量应为河道来沙量与从下水库抽水挟带来的泥沙量之和。

3.3地形资料

（1）水库地形图，施测时间；

（2）库区纵、横断面表，需要时给出横断面特征线；

（3）水库水位容积、面积曲线图及表（包括总库容与干支流库容）。

表1水库水位容积、面积表

高程，m

Z1

Z2

Z3

Z4

…

…

总

库容，万m3

干流

支流

…

面积，km2

提示:

（1）应注意所用库区地形资料与枢纽设计采用的地形资料的地形图高程系统一致；

（2）应注意地形法库容与断面法库容的一致性。

3.4水能水利资料

抽水蓄能电站装机容量MW（共台），一般每日发电h（点至点）；每日抽水h（点至点）。

水泵最大扬程抽水流量m3/s，最小扬程抽水流量m3/s；水轮机额定水头发电流量m3/s。

3.4.1水库水位、库容特征值，见表2。

表2库水位、库容特征值

项目

下水库

上水库

备注

校核洪水位（P=%）,m

设计洪水位（P=%）,m

正常蓄水位，m

汛期限制水位，m

保证发电水位，m

死水位，m

库底高程，m

总库容，万m3

调节库容，万m3

其中蓄能发电所占库容，万m3

死库容，万m3

3.4.2水利计算成果

（1）各设计频率洪水的坝前水位

表3各设计频率洪水的坝前水位

频率，%

入库流量，m3/s

出库流量，m3/s

坝前水位，m

（2）历年各径流调节时段平均（时段末）坝前水位和进出库流量

提示:

应注意径流调节采用的水文系列与泥沙计算采用的水沙系列的一致性。

3.5枢纽资料

（1）抽水蓄能电站枢纽平面布置图；

（2）工程枢纽布置（含排沙设施）图；

（3）蓄能电站进/出水口布置图；

（4）水库泄流曲线。

表4泄流能力汇总表单位：

m3/s

建筑物

库水位，m

Z1

Z2

Z3

Z4

Z5

表孔数，尺寸m×m

中孔数，尺寸m×m

底孔数，尺寸m×m

排沙孔数，尺寸m×m

机组：

单机流量，台数：

总计泄流能力

注：

（1）表中库水位包括各典型库水位。

总计泄流量应满足各典型库水位的泄量要求。

（2）建筑物尺寸以宽×高表示。

4水库泥沙冲淤计算

4.1水库泥沙冲淤计算的任务与内容

4.1.1水库泥沙冲淤计算任务

提示:

主要任务有：

估计淤积形态、淤积分布及数量，在建库后一定年限内的规律。

4.1.2水库泥沙冲淤计算的主要内容

提示:

主要内容（可根据工程具体情况取舍）：

（1）水库淤积年限：

估算建库后泥沙淤积达到冲淤平衡的年限，预测水库的使用寿命。

（2）水库淤积部位：

计算泥沙在库区一定年限的淤积分布，研究淤积对库区淹没以及对航运、引水口、水库有效容积和库区防护对象防洪能力等的不利影响。

（3）坝前（或蓄能电站进/出水口）淤积高程：

预估不同年限坝前（或蓄能电站进/出水口）的淤沙高程及其极限高程，为水工建筑物布置提供依据。

（4）估算水库排沙量和排沙过程的历时变化。

（5）估算过机泥沙含量、级配。

4.2水库泥沙冲淤计算

4.2.1水库运用方式

（1）下水库运用方式

根据工程任务、综合利用要求、河流输沙特性及库区地形特点，经分析拟采用泥沙调度方式。

提示:

（1）泥沙问题不严重的工程，其水库泥沙调度方式，一般可按防洪，发电等利用任务要求确定；

（2）泥沙问题严重的工程，应通过不同特征水位方案的泥沙冲淤计算来确定水库泥沙调度方式。

（2）上水库及蓄能电站的运用方式

每日发电h（点至点），每日抽水h（点至点），上水库水位变幅m。

4.2.2计算方法

提示:

可根据工程的水库类型，按附件C-C1选择相应的泥沙冲淤计算方法。

4.3计算成果及成果分析

4.3.1计算成果

提示:

可根据水库类型，按附件C-C2选择相应的泥沙冲淤计算成果表达格式。

4.3.2计算成果分析

提示:

可根据水库类型，按附件C-C3的要求对计算成果进行分析。

4.4水库泥沙观测规划

4.4.1观测目的

提示:

（1）掌握水库库容变化以便及时修改库容曲线；

（2）了解泥沙在库内的冲淤数量、形态和变化，为水库合理运用提供依据；

（3）监测蓄能电站抽（放）水含沙量。

过机组泥沙的颗粒级配、进/出水口处的含沙浓度分布及冲淤形态变化，为指导蓄能电站的合理运用并及时采取必要的电站防沙措施提供预报；

（4）研究水库泥沙和蓄能电站的泥沙问题，并为其他水库工程的规划设计提供参考资料。

4.4.2测验项目

（1）库区淤积测量、淤积泥沙颗粒分析和干密度测定。

提示:

必要时增加水库水流泥沙运动观测。

（2）观测蓄能电站进/出水口处的含沙浓度分布和冲淤形态变化，以及过电站机组的含沙量和泥沙颗粒分析。

4.4.3测验方法

提示:

（1）各项目的测验方法、精度与整编要求，参照《水文测验试行规范》的补充文件《水库水文泥沙观测试行办法》的有关规定执行。

（2）库区淤积测验方法可采用断面法，对库区布设的固定横断面进行测量，绘制出各横断面和纵断面，以反映库区淤积形态的变化并计算库容、冲淤数量和分布。

4.4.4实施计划

4.4.4.1断面布设

（1）水库蓄水前应在库区布设横断面（含高程与平面控制）；

（2）断面布设原则与布设。

提示:

断面布设原则与布设可参照《水库水文泥沙观测试行办法》第五章第三节设计。

“绘制泥沙观测断面示意图”。

4.4.4.2测验时间

（1）库区淤积测验时间，一般每年施测一次，必要时增加测次。

（2）蓄能电站进/出水口处的含沙浓度分布和冲淤形态、泥沙过机含沙量和粒径，根据水库淤积与入库水沙情况，每年观测次。

4.4.4.3观测设备及其经费

提示:

观测设备及经费列算格式参照《水利水电工程泥沙设计规范》（报批稿）条文说明的表7.0.5-1～7.0.5-4。

4.4.4.4观测人员与观测经费

提示:

（1）水库泥沙测验人员及观测经费应纳入“大坝原型观测”项目中。

水库泥沙淤积测验工作，应纳入电厂的水工、水库观测工作中。

观测人员定员可根据具体情况，参照《中华人民共和国能源部水力发电厂编制定员标准》拟定。

（2）岸边库、弯道库及台坪库可根据工程具体情况，参照河道库设计。

4.5确定保库防沙措施

4.5.1保库防沙设计

4.5.2水库泄流规模拟定

4.5.3电站防沙

5专题研究

提示:

专题的选择应根据水库淤积情况与影响对象而定。

一般可供参考选择的专题有：

（1）水库泥沙淤积对蓄能电站进/出水口（或本枢纽）的影响；

（2）蓄能电站过机泥沙分析及其对机组磨损的影响；

（3）水库长期使用研究；

（4）水库泥沙淤积与回水对上游梯级的影响。

6应提供的设计成果

6.1水库泥沙冲淤计算书

6.2设计报告

6.2.1设计报告

6.2.2报告附表

（1）年、月输沙量系列表；

（2）淤积计算纵断面成果表（格式参看表C2）。

6.2.3报告附图

（1）泥沙颗粒级配曲线（包括悬移质与河床质）；

（2）水库水位面积、容积曲线（包括天然与淤积后）；

（3）不同淤积年限的淤积纵断面图。

附件A水库概况描述的基本格式

本附件给出了抽水蓄能电站几种典型水库概况描述的基本格式，设计人员可根据工程具体情况选择、调用。

A1河道库概况

水库位于河游，开发任务是以为主，兼顾、等综合利用要求。

水库由河和主要支流、、等组成。

水库为型水库，正常蓄水位m，相应库容万m3，水面面积km2，水面宽m至m，库区长度km，河道纵比降‰，为河床。

库区平面形态如图所示。

提示:

尚应简述库周区植被与水土保持情况，库区滑坡、塌岸、泥石流的分布、数量及进入水库的数量，风沙入库情况。

A2岸边库概况

水库位于河岸的宽阔地块上，正常蓄水位m，相应库容万m3，水面面积km2，其引水设施一般由引水枢纽与渠道（或抽水站）组成，平面形态如图所示。

提示:

尚应简述引水枢纽与渠道（或抽水站）情况。

A3弯道库概况

水库位于河的弯道上，正常蓄水位m，相应库容万m3，水面面积km2。

其上坝址形成滞洪水库，最高滞洪水位m，水库长度km，平面形态如图所示。

A4台坪库概况

水库位于山的台坪上，正常蓄水位m，相应库容万m3，水面面积km2，死水位m，相应库容万m3。

水库平面形态如图所示。

附件B水文泥沙特性的描述

本附件给出了抽水蓄能电站几种典型水库水文泥沙特性描述的基本格式，设计人员可根据工程具体情况选择、调用。

B1河道库的入库与坝址水文泥沙特性

（1）水文测站情况及入库水沙系列

（2）干支流入库与坝址的流量、悬移质泥沙输沙量

提示:

应考虑已建工程拦沙（含上游梯级水库调水调沙）或引沙对本工程入库沙量的影响。

表B1水文站（或坝址）多年平均各月流量、沙量统计表

项目

年

月份

6

7

8

9

10

11

12

1

2

3

4

5

流

量

m3/s

占年%

沙

量

万t

占年%

表B2水文站（或坝址）径流、悬移质泥沙特征值表

径流量，亿m3

流量，m3/s

悬移质沙量，万t

含沙量，kg/m3

汛期（6～9月）

7～8月

汛期（6～9月）

7～8月

最大一日

占

年百

分数

%

占年百

分数

%

占年百

分数

%

占年百

分数

%

年

月

日

占年百

分数

%

提示:

无悬移质实测资料时，可查本流域输沙量模数（或称侵蚀模数）图（多年平均输沙量=输沙量模数×设计流域面积）；或利用附近已建水库、淤地坝淤积调查资料求取（多年平均输沙量）=（（淤积量+排沙量）/淤积年限）;或经验公式估算。

（3）入库推移质沙量

提示:

无实测资料时，可采用有关公式计算推移质输沙率（应注意公式适用条件）或采用经验法估算。

有条件时，可采用模型试验方法推算推移质输沙量。

（4）泥沙颗粒特性

表B3水文站悬移质泥沙颗粒级配表

粒径，mm

0.007

（0.005）

0.01

0.025

0.05

0.10

0.25

0.5

1.0

最大粒径

mm

平均粒径

mm

中数粒径

mm

小于某粒径沙量百分数，%

表B4河河段河床质泥沙颗粒级配统计表

取样

地点

小于某粒径（mm）沙重百分数，%

最大粒径

mm

平均粒径

mm

中数粒径

mm

0.15

0.3

0.6

1.2

2.5

5

10

20

30

40

80

150

绘制悬移质与河床质泥沙颗粒级配图。

（5）悬移质矿物成分

表B5河段悬移质各粒径组硬矿物含量表

粒径组

mm

<0.007

（0.005）

0.007～

0.010

0.010～

0.025

0.025～

0.050

0.050～

0.100

0.100～

0.250

0.250～

0.500

0.500～

1.00

1.00～

2.00

颗粒形状

（各占比值）

园

片

尖

硬矿物含量，%

注：

硬矿物指摩氏硬度大于5的矿物

（6）泥沙的干密度

悬移质泥沙淤积物干密度采用t/m3；推移质泥沙淤积物采用t/m3；冲泻质泥沙淤积物采用t/m3.

（7）糙率

提示:

河道糙率与水库泥沙淤积后糙率参看《水利水电工程初步设计阶段回水分析计算大纲范本》。

B2岸边库（或弯道库）的入库水沙

岸边库（或弯道库）通常是引水式的，其入库水沙资料除执行B1条款外，还需统计河道大于某级含沙量出现的天数，见表B6。

表B6河水文站大于某级含沙量出现天数

含沙量

kg/m3

>0.1

>0.5

>1.0

>2.0

>5.0

>10

>20

>50

>100

…

最大一日含沙量

年月日

出现天数,d

kg/m3

提示:

根据工程具体情况，必要时应统计河道大于某级流量出现的天数。

B3台坪库的入库水沙

提示:

台坪库一般系蓄能电站的上水库，其入库水沙来自下水库。

目前还未见到估算从下水库抽水挟带到上水库的泥沙计算方法，这里介绍一种方法供参考。

（1）从下水库抽水到上水库的水量W，一般等于上水库的有效库容V有。

（2）每日从下水库抽水挟带到上水库的泥沙量可按下式计算：

Ws日=WS=V有S

式中：

S––––过机含沙量，kg/m3。

（3）年沙量按下式计算：

Ws年=Ws日T

式中：

T––––年均泥沙过机历时，d。

附件C水库泥沙冲淤计算

本附件给出了抽水蓄能电站几种典型水库泥沙冲淤计算的方法，建议的计算成果表述格式以及计算成果分析的建议，可根据工程具体情况选择、调用。

C1抽水蓄能电站几种典型水库泥沙冲淤计算的方法

C1.1河道库

提示:

（1）水库泥沙冲淤计算方法，一般可分为类比法、经验法（形态法、经验面积减少法、沙莫夫法等）、数学模型（有限差法等）。

我国应用较多的泥沙数学模型见《水利水电工程泥沙设计规范》（报批稿）条文说明。

可根据具体情况选择。

常用计算方法有形态法与有限差法。

（2）三角洲（形态）法适用湖泊型水库或河流含沙量高、入库水流呈超饱和状态的水库或者是推移质较多的水库；有限差法适用于河道型且河道含沙量不饱和的水库。

以下例举有限差法：

（1）基本方程采用有限差法联解水流连续方程、挟沙水流运动方程和泥沙连续方程。

其简化形式：

（C1）

（C2）

式中：

x––––计算河段长度；

t––––计算时段；

Z––––计算河段的平均河床冲淤厚度，正值为淤，负值为冲；

注：

一般情况下，每一计算时段的冲淤厚度，以控制等于或

小于深的

较为合适。

G1、G2––––分别为进出口断面输沙率；

用于计算悬移质冲淤时，G=QSv，其中Sv为悬移质含水

量；

用于计算悬移质冲淤时，G=Bgs，其中gs为推移质单宽

输沙率；

若悬移质和推移质要同时考虑时，则G=QSv+Bgs；

B、H––––分别为计算河段的平均河宽和平均水深；

B1、B2、H1、H2––––分别为进出口断面上的平均河宽和平均水深。

联解式（C1）和式（C2）即可求得水库冲淤的发展过程。

提示:

根据基本方程可编制水库泥沙冲淤计算程序。

（2）计算表格

表C1有限差法计算水库淤积过程表

计算

断面

断面

间距

m

库

水位

Z

m

平均

河宽

B

m

过水

面积

A

m2

水力

半径

R

m

平均

流速

m/s

含

沙量

S

kg/m3

含沙

量差

S

kg/m3

淤

积量

W

万t

淤积

体积

V

万m3

平均

淤积厚

h

m

备

注

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

（3）计算步骤（略）

C1.2岸边库

提示:

岸边库通常是引水式水库，其泥沙淤积计算方法可采用沉沙池的计算方法。

C1.3弯道库

提示:

弯道库通常也是引水式水库，其泥沙淤积计算方法同岸边库，即可采用沉沙池的计算方法。

而且弯道库的上坝址的上游壅水形成滞洪水库，它的泥沙淤积计算方法基本同河道库，但应考虑水库泄空冲刷的影响。

C1.4台坪库

提示:

台坪库通常为抽水蓄能电站的上水库，其泥沙主要来自下水库。

目前未见现成的泥沙淤积计算方法，这里引用静水沉降法供参考。

（1）沉降速度=H/t静

式中：

H––––沉降水深；

t静––––静水沉降历时，t静=t天-t发电-t抽水。

（2）落淤泥沙最小粒径dmin

根据与水温查“不同温度下泥沙粒径D与沉速的关系表”得相应的颗粒粒径。

即为落淤泥沙最小粒径dmin。

当ddmin，泥沙淤积；d

（3）落淤泥沙百分数

由过机泥沙颗粒级配曲线查得dmin相应百分数P（%），即抽到上水库的泥沙有（1-P）淤积下来。

（4）上水库淤沙估算

从B3可得每年从下水库抽到上水库的沙量为万t，按干密度s=t/m3折算，体积Ws年为万m3，则每年上水库的泥沙落淤量Ws年淤=Ws年（1-P）。

（5）泥沙淤积高程估算

假定上水库的淤积为水平淤积，则据Ws年淤查库容曲线，便可得上水库的泥沙淤积高程。

不同年限的淤积高程由其累加淤积量查库容曲线而得。

C2抽水蓄能电站几种典型水库泥沙冲淤计算结果的表述

C2.1河道库

（1）水库泥沙淤积纵横断面成果表及水库泥沙冲淤过程纵断面图。

表C2水库不同年限淤积纵断面表

断面编号

地名

距坝里程

km

原河床高程

m

不同年限淤积河床高程，m

10年

15年

20年

提示:

纵断图，纵坐标为高程（应注明高程系统），横坐标应包括距坝（闸）长度、断面号，并注明主要地名位置。

（2）不同方案坝前淤积高程与蓄能电站进/出水口门前淤积高程表。

提示:

必要时估算推荐方案的坝前淤积断面，以作坝体泥沙压力计算的依据。

表C3坝前及蓄能电站进/出水口淤沙高程

淤积年限

a

淤沙高程

坝前淤沙高程，m

电站进/出水口淤沙高程，m

备注

（3）水库冲淤计算成果表

表C4抽水蓄能电站水库泥沙冲淤成果表

淤

积

年

限

a

尾部段

坝址

断面淤积高程,m

起淤点

距坝（闸）

长度

km

上游梯级坝

（闸）址泥沙

淤积高程

m

悬移质

（推移质）

出库率

%

出库

含沙

量

kg/m3

出库泥

沙中数

粒径

mm

淤积物

中数

粒径

mm

淤积

物干

密度

t/m3

泥沙

淤积

高程

m

断面号