呼和浩特抽水蓄能电站拦沙库设计

鲁红凯， 赵 轶， 陈建华

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

呼和浩特抽水蓄能电站拦沙库设计

鲁红凯， 赵 轶， 陈建华

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

呼和浩特抽水蓄能电站下水库每年入库沙量为3．42万t。为避免泥沙对机组的磨损，导致机组频繁检修，影响电站的安全运行，在上游设置拦沙坝，将下水库分隔为拦沙库和蓄能电站专用下水库。通过拦沙库负责拦洪排沙，蓄能电站下水库专职发电的方式，可彻底解决下水库的泥沙问题。同时拦沙库还可作为电站初期充水和运行期补水时的蓄水池。

抽水蓄能电站；泥沙；拦沙库；设计

1 工程概况

呼和浩特抽水蓄能电站下水库位于哈拉沁沟上，其上游建有以防洪为主兼顾农业灌溉和供水的哈拉沁水库。下水库的入库沙量由哈拉沁水库下泄沙量和区间沙量构成，多年平均入库全沙量为

3．42万t。为避免泥沙对机组的磨损，电站库盆采用封闭型式，由上游拦沙坝和下游拦河坝围筑形成。设置拦沙坝后在上游自然形成拦沙库，其主要任务是拦蓄上游的洪水，汛期开启左岸泄洪排沙洞，使上游洪水和泥沙不进入蓄能专用下水库，保证蓄能专用下水库内始终为一库清水，还作为电站初期充水和正常运行期补水时的蓄水池。拦沙库正常补水水位、设计洪水位(P=0．2%)、校核洪水位(P=0．05%)均为1 400 m，冬季最高库水位1 398 m。拦沙库长约2 km，正常补水水位时水面宽约200 m、水面面积24．34万m2、库容为23

3．4万m3。

拦沙库平面布置见图1。

图1 拦沙库平面布置图

2 设置拦沙库的必要性

哈拉沁水库流域面积621 km2，多年平均悬移质沙量为5

3．2万t。呼和浩特抽水蓄能电站下水库的入库沙量由哈拉沁水库下泄沙量和区间沙量构成，多年平均入库全沙量(含悬移质和推移质)为

3．42万t。

哈拉沁水库位于呼和浩特抽水蓄能电站拦河坝上游约2．6 km处。考虑到哈拉沁水库对洪水的调蓄作用，拦河坝处的洪水由哈拉沁水库下泄过程和哈拉沁水库－拦河坝区间洪水叠加组成。当哈拉沁水库以上发生P=0．05%洪水时，下泄流量为412 m3/s；发生P=0．2%洪水时，下泄流量为402 m3/s。加上区间同频率的洪水，则拦河坝处0．05%和0．2%洪峰流量分别为744 m3/s和657 m3/s。

为较好地解决电站泥沙问题，选择经济合理的枢纽布置方案，在可行性研究阶段设计时专门进行了下水库设拦沙坝和不设拦沙坝方案的技术经济综合比较，拟定不同的枢纽布置型式，分析相应的下水库补水方式、机组过机泥沙情况、电站运行方式等因素，并与类似工程加以对比。经分析认为:

(1)哈拉沁水库建成后，虽拦截了河道的大部分泥沙，但呼和浩特抽水蓄能电站下水库入库悬移质含沙量仍高达15．3 kg/m3。根据下水库预测来沙情况，在不设拦沙坝时，即使采用在碾压混凝土重力拦河坝上设置泄洪排沙底孔、上下水库进/出水口设置沉沙池和挡沙坎等措施，但在哈拉沁水库泄洪时，这些工程措施对减少过机泥沙作用不大。发生洪水时若电站采取不避沙方式运行，过机含沙量约为1．46 kg/m3～1．97 kg/m3，远超过0．15 kg/m3的设计控制要求，对额定水头521 m的呼和浩特抽水蓄能电站来说，其空蚀磨损应比常规电站严重得多，水泵水轮机本身的措施已难以解决泥沙磨损危害，磨损会相当严重。若采用下水库蓄清排浑的措施，洪水期水期机组停止运行，电站又起不到日调峰、事故备用的作用，会大大降低电站的经济效益。加之上、下水库进/出水口为双向水流，流态复杂，变化频繁，其附近沉积的泥沙会被扬起，长期的过机泥沙造成对机组的严重磨损，导致机组频繁检修。

(2)虽从列明的分项建筑物直接投资来看，下水库不设拦沙坝方案比设拦沙坝方案节省1．6亿元，采用不避沙方式运行，除四台机50年增加更换转轮投资约1．5亿元外，每年仅水泵水轮机大修一项至少也将造成调峰电量直接损失3 500万千瓦时左右，约1 750万元；而为解决过机泥沙机组磨损问题，采用避沙方式运行，每次洪水考虑泥沙沉清时间，电站在4天内将无法运行，影响电站直接发电效益1339万元，最多一年可能多达上亿元损失。当然，这还不包括对电网调度运行造成的间接损失、每年多出的24万m3～30万m3的补水费用以及下水库库盆范围深厚覆盖层下可能渗漏点处理将增加的费用。

(3)呼和浩特抽水蓄能电站泥沙问题较突出，必须采取拦沙、治沙、排沙等各种措施，尽量减少过机泥沙，并从枢纽布置及水库调度运行方式上来减少入库和过机含沙量。若不采取拦沙或主汛期停机避沙运行等措施，其过机泥沙问题将严重影响电站机组选型、设计、制造和今后的运行，机组大修周期将远远小于8～10年的基本要求，机组将长期停机检修，否则水轮机效率严重下降，甚至无法停机危及电站运行安全。而主汛期停机避沙运行，将严重影响呼和浩特抽水蓄能电站对蒙西电网的作用。借鉴山西西龙池抽水蓄能下水库岸边库从根本上解决多泥沙河流泥沙问题的布置型式，在呼和浩特抽水蓄能电站下水库设置拦沙坝，将下水库分隔为拦沙库和蓄能电站专用下水库，拦沙库负责拦洪排沙，蓄能电站下水库专职发电的方式，可彻底解决下水库的泥沙问题。

综上所述，呼和浩特抽水蓄能电站下水库设拦沙坝方案与不设拦沙坝方案相比，具有不可替代的优势，枢纽布置简单，电站建设和运行综合费用相对较低，运行安全，维护简单，管理方便，真正能承担电网调峰、事故备用的任务。可见，在呼和浩特抽水蓄能电站下水库设置拦沙坝是必要的，将下水库分隔为拦沙库和蓄能电站专用下水库，通过拦沙库负责拦洪排沙，蓄能电站下水库专职发电的方式，可彻底解决下水库的泥沙问题。

3 拦沙库设计

3．1 拦沙库布置

库区两岸多为吕梁期片麻状黑云母花岗岩，局部有透镜状斜长角闪岩和团块状大理岩展布，地形坡度30°～40°，坡脚分布崩坡积和崩洪积土夹碎石，厚3 m～20 m。河床为冲积洪积砂卵砾石漂石层，厚20 m～22 m。两岸局部发育有Ⅰ级阶地，高于现河床2 m～4 m，水磨湾一带还残存有少量的高阶地。库区主要有左二沟、左三沟、左四沟和石狐子沟，沟内多有洪积和崩坡积物分布，山洪爆发时极易带入拦沙库，左二沟、左四沟沟口还发育有洪积扇。

库区断层较少且规模不大，主要结构面为两组高陡倾角的构造裂隙，NEE组走向NE60°左右，以倾向SE为主，高陡倾角，密度约1条/m～3条/m。NW组走向NW320°～330°，以倾向SW为主，高陡倾角，密度2条/m～3条/m。物理地质现象主要有卸荷、风化作用及少量的崩塌。卸荷主要发育于凸出的小山梁。全强风化较浅，一般为1 m～2 m，部分地段无全强风化带。崩塌体一般以小规模零星分布，为近代崩塌形成的碎块石堆积，主要展布于支沟内。库区基本上不存在水库渗漏、库岸稳定及浸没等工程地质问题。

拦沙坝上游300 m以上为河道治理段，保证河道最小泄水底宽大于12 m，两岸堆渣体迎水面缓于1∶1．75，表面设60 cm厚的浆砌石护坡，护坡底部采用60 cm厚的抛石护脚。拦沙坝上游20 m范围内库底清理至1 374 m高程后与上游河道顺接，两岸从1 401．8 m高程顺坡清理，陡于1∶1．75的河床覆盖层削坡后采用60 cm厚的浆砌石护坡，库坡堆渣体和覆盖层开挖坡比为1∶3。

3．2 拦沙库运行调度方式

下水库采用自流补水方案，在拦沙坝内设置2根DN700的补水钢管，进口中心线高程1 385．5 m，纵坡1%，出口中心线高程1 385．3 m，钢管斜长19．83 m，管上设两道电动蝶阀和一道鸭嘴阀。拦沙库非汛期作为电站初期充水和运行期补水的蓄水池，正常补水水位为1 400 m。虽拦沙库蓄水可导致地下水位上升，但库尾距哈拉沁水库砂壤土厚斜墙砂砾石坝坝脚还有约400 m的水平距离，且强透水砂卵砾石漂石层的地下水位上升有限，不会对哈拉沁水库砂砾石坝的稳定造成不利影响。

电站运行期补水时，拦沙库水位为1 400m～1 393m时可随时向蓄能专用下水库补水；拦沙库水位低于1 393 m时，采用蓄能专用下水库淹没出流补水方式，或蓄能专用下水库水位不低于1 385．3 m的自由出流补水方式。

电站初期充水时，为防止拦沙坝内设置的补水管下泄水流掏刷坝脚或干砸下游坝面造成聚氨酯保温保湿材料的破坏，拦沙库水位达到正常补水水位并沉清后才能开始向蓄能专用下水库初期充水，拦沙库水位降至1 393 m后停止充水，需再从哈拉沁水库补水使拦沙库水位升高并沉清后再充水。拦沙库沉清时间按库水中悬移质含沙量低于20 g/m3的标准确定。

拦沙库汛期负责拦洪排沙，泄洪排沙洞布置在左岸，进口位于拦沙坝上游约210 m处。为确保哈拉沁水库砂砾石坝的安全，泄洪排沙洞按宣泄拦沙坝址处2000年一遇洪水设计，设计和校核洪水位采用与正常补水水位同高，汛期处于敞泄状态，拦沙库内的洪水和泥沙通过泄洪排沙洞排往拦河坝下游，不进入蓄能专用下水库。泄洪排沙洞进口高程为1380 m，设一道7 m×9 m的事故检修平板闸门和一道7 m×8 m的弧形工作闸门；洞身长525．437 m，洞线纵坡为4．14%，洞身净断面尺寸为7．0 m×9．5(8．5)m，城门洞型；出口在拦河坝下游约140 m处，出口高程1 358 m，采用反弧挑流鼻坎消能。拦沙库水位达1 400 m时，泄洪排沙洞最大下泄流量为764 m3/s。

3．3 支沟处理

拦沙库内出露的左三沟、左四沟沟口距泄洪排沙洞进口和拦沙坝较近，有可能影响泄洪排沙洞正常运行和拦沙坝施工期的安全，因此都进行了处理。

左三沟大部分分布于阴坡，地表植被发育，洪水不易将覆盖层带入库内影响泄洪排沙洞的正常运行，但沟左岸的崩积物及危岩崩塌后比较容易进入库内，由于块石较大，易堵塞泄洪排沙洞，将左三沟的崩积物、危岩、沟口附近的卵砾石予以清除。

图2 左四沟回填典型断面图

左四沟沟口有少量裸露的卵砾石，覆盖层展布区植被发育良好，且成分以悬移质为主，因此，除沟口裸露的卵砾石外，其余地段覆盖层不需清理，为避免施工期因雨水冲刷等原因引起坍岸危及拦沙坝安全，左四沟沟口1 384 m高程以下的河床覆盖层予以清除，填筑石渣作为左岸环库路基，顶宽11 m，临库侧坡比为1∶1，采用1 m厚钢筋石笼护坡；靠山侧坡比为1∶1．2，沟底设置浆砌石挡渣墙和浆砌石护底，集水通过路基内1 394．2 m高程埋设的两根内径1 m的钢筋混凝土涵管排入拦沙库。

4 结语

呼和浩特抽水蓄能电站下水库位于多沙的哈拉沁沟上，为减少泥沙对有效库容的淤积，降低进/出水口前泥沙淤积高程和过机含沙量，改善机组的磨损条件，设置拦沙坝将下水库分隔为拦沙库和蓄能专用下水库。拦沙库主要任务是拦洪排沙，通过泄洪排沙洞使上游洪水和泥沙不进入呼和浩特抽水蓄能电站下水库，保证下水库内始终为一库清水，电站不因泥沙问题而停止运行；同时作为蓄水池，通过拦沙坝内埋设的补水钢管解决了电站初期充水和运行期补水问题。呼和浩特抽水蓄能电站这种拦沙库的布置方式，可供类似工程参考。

［1］ 赵轶，钱玉英，等．《呼和浩特抽水蓄能电站枢纽布置简介》．《抽水蓄能电站工程建设文集2009》，ISBN 978－7－5083－9506－7．

TV743;TG802

B

1001-2184(2015)05-0152-03

鲁红凯(1982-)，男，河南太康人，毕业于河海大学水利水电工程专业，工程师，主要从事水工建筑物设计；赵 轶(1970-)，女，四川泸州人，毕业于葛洲坝水电工程学院水利水电工程专业，教授级高级工程师，专业总工，主要从事水工建筑物设计；陈建华(1976-)，女，山西运城人，毕业于华北水利水电学院水工结构专业，工学硕士，高级工程师，副设总，主要从事水工建筑物设计．

(责任编辑:卓政昌)

2015-08-28