一种适用于多沙河流水电站的泥沙管理方法与流程

1.本发明涉及水利水电工程河流泥沙管理技术领域，更具体地说它是一种适用于多沙河流水电站的泥沙管理方法。


背景技术：

2.多沙河流水电站常常会面临两个问题：一是水库的泥沙淤积，减少了水库的调节库容，影响电站综合利用效益的发挥；二是大量泥沙进入水轮机，造成水轮机磨蚀严重，而被迫频繁停机大修或更换，在影响电站正常运行的同时，也大大增加了电站的运维投入。为此，多沙河流水电站的泥沙解决方案，一方面需要设计有效的排沙措施和科学合理的运行调度规则，保持水库库容的长期可持续性。另一方面，需要采取沉沙措施，尽可能地减少过机泥沙量。
3.水库的排沙措施方面，可通过设置低高程的排沙孔或隧洞，利用汛期大流量降水位冲沙。减少过机泥沙方面，传统的方法是修建沉沙池来降低进入水轮机的含沙量。在实际的工程中，往往会遇到泥沙量大、水库库容小、泥沙颗粒硬度高、地形陡峭狭窄等不利条件，若再加上电站的水头高、设计引用流量大等因素，采用传统的方法可能需要修建大规模的沉沙池，甚至是地下沉沙池，造成工程投资高、工程技术风险大、施工难度大等问题。有些水电站选择在多沙季节，减少机组运行数量，以减少引用流量和沉沙池的规模，但会降低发电量。
4.且现有技术也公开了以数学手段建立的宏观层面的水库调度方法，并无具体的解决工程泥沙问题的工程措施和运行措施，施工难度大、不具备实用性。
5.因此，提供一种投资省、技术风险和施工难度小的泥沙管理策略是十分有必要的。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了提供一种适用于多沙河流水电站的泥沙管理方法，为一种工程的排沙、沉沙方法，节省投资、技术风险小、施工简单；克服传统方法技术沉沙池规模大、投资高等缺点。
7.为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种适用于多沙河流水电站的泥沙管理方法，其特征在于：包括如下步骤，
8.步骤一：安装；
9.安装多沙河流水电站的泥沙管理结构，多沙河流水电站的泥沙管理结构开始运行；
10.步骤二：确定运行时间是否为多沙季节；
11.当多沙河流水电站的泥沙管理结构运行时间为非多沙季节时，泥沙旁通隧洞和冲沙建筑物均处于关闭状态，电站进水口正常取水发电；
12.当多沙河流水电站的泥沙管理结构运行时间为多沙季节时，开启并控制泥沙旁通隧洞，进入下一步；
13.步骤三：确定是否达到冲沙触发条件；
14.当未达到冲沙触发条件时，泥沙旁通隧洞处于开启控制状态，电站正常引水发电，水库多余的来水携沙通过泥沙旁通隧洞排至下游，电站引用水流经过沉沙水库段沉沙；
15.当达到冲沙触发条件时，电站停机，开启冲沙建筑物，水库敞泄冲沙，直至冲沙完毕，进入下一步；
16.步骤四：水库恢复运行状态；
17.关闭冲沙建筑物，水库回蓄，恢复运行状态、正常引水发电；
18.步骤五：重复步骤二至步骤四，持续对多沙河流水电站进行泥沙管理。
19.在上述技术方案中，在步骤一中，多沙河流水电站的泥沙管理结构包括冲沙建筑物、泥沙旁通隧洞和电站进水口；
20.冲沙建筑物位于大坝上游或布置在大坝的坝身；
21.泥沙旁通隧洞布置在水库的左岸或右岸、且布置在河道的左岸或右岸；
22.电站进水口位于大坝上游或布置在大坝的坝身；
23.输水隧洞布置在电站进水口下游。
24.在上述技术方案中，冲沙建筑物至少选用冲沙闸，或低高程的冲沙底孔或隧洞。
25.在上述技术方案中，泥沙旁通隧洞设置泥沙旁通隧洞进口和泥沙旁通隧洞出口；
26.泥沙旁通隧洞进口布置在水库的中部或尾部；泥沙旁通隧洞出口布置在大坝下游。
27.在上述技术方案中，泥沙旁通隧洞选用无压流隧洞或有压流隧洞，降低隧洞被淤堵的风险；
28.泥沙旁通隧洞的断面形式至少选用城门洞形、马蹄形。
29.在上述技术方案中，泥沙旁通隧洞选用可排泄推移质的隧洞或仅排泄悬移质的隧洞；
30.当泥沙旁通隧洞为可排泄推移质的隧洞时，拦沙堰或者导流墙设置在泥沙旁通隧洞进口处或设置在泥沙旁通隧洞进口的下游。
31.在上述技术方案中，在步骤三中，冲沙触发条件包括水库的来水量、来水含沙量、水库泥沙的淤积量和距离上次冲沙的时间；
32.当达到冲沙触发条件时，开启冲沙建筑物，水库敞泄冲沙达到设定的敞泄冲沙时间。
33.在上述技术方案中，沉沙水库段布置在水库内，且位于泥沙旁通隧洞进口与电站进水口之间。
34.本发明具有如下优点：
35.其一，本发明采用泥沙旁通隧洞将运行期多余的来水携沙排出库外，充分利用泥沙旁通隧洞进口和电站进水口之间的库容进行沉沙，具有很好的沉沙效果；
36.其二，本发明中的泥沙旁通隧洞在尺寸、泄量、流速等方面与常规泄洪隧洞较为类似，技术难度不大、施工简单、实用性好，大大降低了传统方法修建巨型地下沉沙池的技术风险；克服了现有技术以数学手段建立的宏观层面的水库调度方法，并无具体的解决工程泥沙问题的工程措施和运行措施，施工难度大、不具备实用性的缺点；
37.其三，本发明具有显著的经济效益，以实施例为例，在该水电站的研究中，巨型地
下沉沙池的投资约为本发明中的泥沙旁通隧洞的2.5倍；
38.其四，本发明提出的水库泥沙调度规则，运用多阙值判断方法，从多方位监控水库的运行状况，确保水库有效库容的可持续性和过机泥沙处于可接受状态；本发明提出了具体的工程措施(如，冲沙建筑物、泥沙旁通隧洞、沉沙库)和运行措施(排沙和沉沙)相结合的泥沙管理策略，从设计的角度解决工程的泥沙问题，以保持水库库容的长期可持续性、减少机组磨损。
39.在河流泥沙量大、电站引用流量大的电站中，本发明在节省投资、技术风险小、施工简单方面的优势更加突出。
附图说明
40.图1为本发明实施例的平面布置示意图
41.图2为本发明实施例的纵面布置示意图
42.图3为本发明泥沙运行调度管理的流程图。
43.图中1
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冲沙建筑物，2
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大坝，3
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泥沙旁通隧洞进口，4
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泥沙旁通隧洞，5
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电站进水口，6
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输水隧洞，7
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水库，8
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河道，9
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沉沙水库段，10
‑
泥沙旁通隧洞出口。
具体实施方式
44.下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。
45.本发明所述的适用于多沙河流水电站的泥沙管理方法为一种水库泥沙调度方法，该水库泥沙调度方法是决定水库运行状态的准则；水库泥沙调度方法为：进入多水多沙季节后，若未达到冲沙触发条件，水库处于运行状态；若达到冲沙触发条件，水库将处于冲沙状态；当冲沙结束后，水库将回到运行状态，继续进入下一次循环；其中，水库的泥沙调度方法将不断地重复运行状态和冲沙状态；
46.运行状态下，电站正常取水发电，水库多余的来水携沙经泥沙旁通隧洞排至下游，泥沙旁通隧洞进口与电站进水口之间水库段流速降低，形成沉沙库，降低过机泥沙浓度；
47.冲沙状态下，电站停止发电，开启冲沙建筑物，降低库水位冲沙或敞泄冲沙，将水库中淤积的泥沙冲出水库；冲沙状态的持续时间根据工程的冲沙能力和水库淤积泥沙量确定。
48.参阅附图可知：一种适用于多沙河流水电站的泥沙管理方法，包括如下步骤，
49.步骤一：安装；
50.安装多沙河流水电站的泥沙管理结构，多沙河流水电站的泥沙管理结构开始运行；
51.步骤二：确定运行时间是否为多沙季节；
52.当多沙河流水电站的泥沙管理结构运行时间为非多沙季节时，泥沙旁通隧洞4和冲沙建筑物1均处于关闭状态，电站进水口5正常取水发电；运行状态下，电站正常取水发电，水库多余的来水携沙经泥沙旁通隧洞排至下游，泥沙旁通隧洞进口与电站进水口之间水库段流速降低，形成沉沙库，降低过机泥沙浓度；
53.当多沙河流水电站的泥沙管理结构运行时间为多沙季节时，开启并控制泥沙旁通
隧洞4，进入下一步；进入多水多沙季节后，若未达到冲沙触发条件，水库处于运行状态；若达到冲沙触发条件，水库将处于冲沙状态；当冲沙结束后，水库将回到运行状态，继续进入下一次循环；水库的泥沙调度将不断地重复运行状态和冲沙状态；
54.步骤三：确定是否达到冲沙触发条件；
55.当未达到冲沙触发条件时，泥沙旁通隧洞4处于开启控制状态，电站按正常引用发电流量进行引水发电，水库多余的来水携沙通过泥沙旁通隧洞4排至下游，电站引用水流经过沉沙水库段9逐渐沉沙，降低过机泥沙量；
56.当达到冲沙触发条件时，电站停机，开启冲沙建筑物1，水库7敞泄冲沙，直至冲沙完毕，进入下一步；冲沙状态下，电站停止发电，开启冲沙建筑物，降低库水位冲沙或敞泄冲沙，将水库中淤积的泥沙冲出水库；其中，冲沙状态的持续时间根据工程的冲沙能力和水库淤积泥沙量确定；
57.步骤四：水库恢复运行状态；
58.关闭冲沙建筑物1，水库7逐渐回蓄，恢复运行状态、正常引水发电，多余来水携沙通过泥沙旁通隧洞4排至下游；
59.步骤五：重复步骤二至步骤四，持续对多沙河流水电站进行泥沙管理(如图3所示)。
60.进一步地，在步骤一中，适用于多沙河流水电站的泥沙管理方法采用的多沙河流水电站的泥沙管理结构包括冲沙建筑物1、泥沙旁通隧洞4和电站进水口5；
61.冲沙建筑物1位于大坝2上游或布置在大坝2的坝身；
62.泥沙旁通隧洞4为一条排水排沙隧洞，布置在水库7的左岸或右岸、且布置在河道8的左岸或右岸；
63.电站进水口5位于大坝2上游或布置在大坝2的坝身；
64.输水隧洞6布置在电站进水口5下游。
65.进一步地，冲沙建筑物1至少选用冲沙闸，或低高程的冲沙底孔或低高程的隧洞，用以降水位冲沙，排出运行期淤积在库中的泥沙。
66.进一步地，泥沙旁通隧洞4设置泥沙旁通隧洞进口3和泥沙旁通隧洞出口10；
67.泥沙旁通隧洞进口3布置在水库7的中部或尾部；泥沙旁通隧洞出口10布置在大坝2下游(即布置在河道8上)。
68.进一步地，泥沙旁通隧洞4选用无压流隧洞或有压流隧洞，降低隧洞被淤堵的风险；
69.泥沙旁通隧洞4的断面形式至少选用城门洞形、马蹄形等。
70.进一步地，泥沙旁通隧洞4根据工程的需要，设计为可排泄推移质的隧洞或仅排泄悬移质的隧洞；
71.当泥沙旁通隧洞4为可排泄推移质的隧洞时，拦沙堰或者导流墙设置在泥沙旁通隧洞进口3处或设置在泥沙旁通隧洞进口3的下游(其中，拦沙堰或者导流墙为现有技术)，当泥沙旁通隧洞4为可排泄推移质的隧洞时，泥沙旁通隧洞是推移质的主要通道，拦沙堰或者导流墙可将推移质导入泥沙旁通隧洞。
72.进一步地，在步骤三中，冲沙触发条件包括水库的来水量、来水含沙量、水库泥沙的淤积量和距离上次冲沙的时间等；
73.当达到冲沙触发条件时，电站停机，开启冲沙建筑物1，水库7敞泄冲沙达到设定的敞泄冲沙时间；
74.其中的冲沙触发条件是一种多阙值判断方法，包括水库来水量、来水含沙量、水库泥沙的淤积量或距离上次冲沙的时间等条件中的任一条件或组合条件达到相应的阙值，即达到冲沙触发条件；上述各条件的阙值需根据水库库容、来水来沙条件、电站引用流量等因素综合确定。
75.进一步地，沉沙水库段9布置在水库7内，且位于泥沙旁通隧洞进口3与电站进水口5之间(如图1、图2所示)；水库多余的来水携沙经泥沙旁通隧洞排至下游，泥沙旁通隧洞进口与电站进水口之间水库段流速降低，形成沉沙库，降低过机泥沙浓度。
76.实施例
77.现以本发明应用于多沙河流的某水电站的泥沙管理为实施例对本发明进行详细说明，对本发明应用于其它多沙河流水电站的泥沙管理同样具有指导作用。
78.位于多沙河流的某水电站，装机容量1040mw，水库库容507万m3，电站引用流量235m3/s，年输沙量1624万t，设计水头超过500m。是典型的小库容、多泥沙、大流量、高水头的水电站，泥沙问题十分突出，且其泥沙颗粒硬度高、工程区地形高陡狭窄等不利条件。现采用传统的方法(即修建大规模地下沉沙池)，地下沉沙池的规模大，投资高，技术与施工风险非常大。
79.如图1、图2所示，本实施例中采用的多沙河流水电站的泥沙管理结构主要建筑物包括：冲沙建筑物1、大坝2、泥沙旁通隧洞4和电站进水口5；其中泥沙旁通隧洞4的进口3布置在水库的中段，泥沙旁通隧洞进口3与电站进水口5的库容形成沉沙水库段9。
80.图3是本发明泥沙运行调度规则的流程图；本实施例水库按照图3所示的流程进行运行。
81.在本实施例中，电站的正常引用发电流量为150m3/s；水库的来水量为q；多沙季节为每年的6月至10月；设定为冲沙触发条件为q>600m3/s和多沙季节电站连续运行时间超过50天，当多沙季节电站连续运行时间超过50天时，水库敞泄冲沙24；
82.本实施例的运行方式如下：
83.(1)多沙季节
84.1)泥沙旁通隧洞4处于开启控制状态；
85.2)当q≤150m3/s时，电站按引用流量q进行发电；
86.3)当150m3/s＜q≤600m3/s时，电站按引用流量150m3/s进行发电，多余来水(q
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150m3/s)携沙通过泥沙旁通隧洞4排至下游，沉沙水库段9间的流量即是150m3/s，较水库来水大幅降低，流速相应降低，逐渐沉沙；
87.4)当q≥600m3/s时，电站停机，打开冲沙建筑物1，水库敞泄冲沙直至来水量q＜600m3/s；
88.5)当连续运行时间超过50天时，电站停机，打开冲沙建筑物1，水库敞泄冲沙24小时；
89.6)敞泄冲沙完成后，逐渐关闭冲沙建筑物1，水库逐渐回蓄，恢复发电，多余来水携沙通过泥沙旁通隧洞4排至下游；
90.7)重复步骤1)至步骤6)。
91.(2)非多沙季节(11月至次年5月)
92.泥沙旁通隧洞4和冲沙建筑物1处于关闭状态，电站进水口5正常取水发电。
93.结论：本实施例采用本发明所述的泥沙管理方法进行泥沙管理后，成功地解决了该电站的水库泥沙淤积问题，大大降低了过机含沙量，使得水轮机组的磨损达到可接受的范围；
94.且在本实施例水电站的研究中，采用现有技术的巨型地下沉沙池的投资约为本发明中的泥沙旁通隧洞的2.5倍，因此，采用本发明方法具有显著的经济效益。
95.其它未说明的部分均属于现有技术。