重慶電廠(chǎng)東、西廠(chǎng)取水口工程布置試驗(yàn)研究

重慶發(fā)電廠(chǎng)是重慶主要的能源處理廠(chǎng)之一。然而，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，重慶的發(fā)電總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足能源消耗的需求。為了滿(mǎn)足重慶能源消耗的發(fā)展需求，緩解電網(wǎng)不足、峰容量變化的矛盾，根據(jù)重慶能源發(fā)展計(jì)劃，計(jì)劃對(duì)重慶電廠(chǎng)進(jìn)行改造，并擴(kuò)大現(xiàn)有工廠(chǎng)的安裝。重慶總廠(chǎng)東廠(chǎng)和西廠(chǎng)的改造工程是改變發(fā)電廠(chǎng)的改造項(xiàng)目。由于從電廠(chǎng)取水口的水質(zhì)直接關(guān)系到造船廠(chǎng)的正常運(yùn)行，取水口段位于重慶主城區(qū)李沱長(zhǎng)江段。該段屬于三峽水庫(kù)175m回水區(qū)的中后期，受到沉積物、河流類(lèi)型、水流條件變化等影響。因此，有必要對(duì)收集井的配置進(jìn)行測(cè)試和研究。1泥沙沖淤分析重慶發(fā)電廠(chǎng)東、西廠(chǎng)取水口工程位于重慶主城區(qū)李家沱長(zhǎng)江河段,下距朝天門(mén)約17km.該段河道在平面形態(tài)上呈反“S”形狀(圖1),其河勢(shì)受上、下兩個(gè)反向急彎道的控制,銜接兩彎道的過(guò)渡段較為順直,長(zhǎng)約2.5Km,右岸為寬大的黃家磧邊灘,枯水河寬僅有300m左右,而洪水期水流漫灘后河寬可達(dá)1000m以上.電廠(chǎng)取水口位于第二個(gè)彎道的上枝的左岸,粗柄磧首部附近.粗柄磧?yōu)閷挻蟮挠俜e邊灘,最大寬度約500m,占據(jù)洪水河寬60%以上.該河段河床組成為沙卵石,兩岸岸坡為基巖,多年來(lái)河道形態(tài)變化較小,河勢(shì)及主槽較為穩(wěn)定.但是河床地形復(fù)雜,李家沱長(zhǎng)江大橋左岸有小灶盤(pán)石梁挑流,其下有磚灶子石梁縱臥江心,將枯水河床分為左右兩汊,水流出左汊后正對(duì)電廠(chǎng)取水口處;河底高程起伏較大,水流條件較為復(fù)雜.重慶河段屬于典型的山區(qū)河道,在天然情況下,泥沙沖淤遵循淺灘“汛淤枯沖”、深槽“洪沖枯淤”的規(guī)律;當(dāng)三峽水庫(kù)按156m方案蓄水運(yùn)行時(shí),水庫(kù)回水尚未影響到取水口河段,該河段仍維持天然河道特征.當(dāng)三峽水庫(kù)按175m方案蓄水運(yùn)行后,重慶河段將處于水庫(kù)回水變動(dòng)區(qū)中段,使該河段同時(shí)具有天然河道和水庫(kù)的雙重特性,根據(jù)以往泥沙研究成果表明:隨著三峽樞紐運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng),重慶主城區(qū)河段的泥沙淤積將成累積性增加,邊灘加寬,河型轉(zhuǎn)化,回水上延.重慶發(fā)電廠(chǎng)東、西廠(chǎng)取水口河段也將產(chǎn)生一定的泥沙淤積,河床形態(tài)發(fā)生演變,并可能對(duì)電廠(chǎng)取水口的引水防沙條件產(chǎn)生重要影響.2西亞、西亞國(guó)家電廠(chǎng)取水口采用蘑菇頭式取水頭(圖2),共布置取水頭7個(gè),其中東廠(chǎng)4個(gè),西廠(chǎng)3個(gè),位于李家沱長(zhǎng)江公路大橋下游約300m的長(zhǎng)江左岸,距宜昌航道里程約676.5km.取水管線(xiàn)緊貼長(zhǎng)江岸壁,取水頭頭部伸入河中豎直向上,頂部罩有蘑菇狀攔污柵.3試驗(yàn)邊界條件利用重慶河段泥沙模型研究取水口的取水條件,模型平面比尺175,垂直比尺125,流速比尺11.18;模型沙選用輕質(zhì)榮昌精煤粉,懸移質(zhì)含沙量比尺0.398,泥沙運(yùn)動(dòng)時(shí)間比尺105.試驗(yàn)邊界條件及其控制如下:1)試驗(yàn)采用SX-1型流量-水位自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行模型流量和尾門(mén)水位的可視化自動(dòng)控制,給定長(zhǎng)江和嘉陵江的試驗(yàn)流量和模型出口生基塘的水位,由計(jì)算機(jī)自動(dòng)跟蹤和控制模型進(jìn)口流量與尾門(mén)水位,采用HD-4型電腦流速儀測(cè)定流速,用精密水位測(cè)針測(cè)定模型沿程水位.2)泥沙試驗(yàn)采用1961～1970年長(zhǎng)江和嘉陵江天然水沙系列,經(jīng)概化后在模型上進(jìn)行三峽水庫(kù)156m方案和175m方案系列泥沙試驗(yàn),用精密天平測(cè)量試驗(yàn)水體的含沙量,用光電顆粒分析儀測(cè)量模型沙的粒徑級(jí)配.4試驗(yàn)計(jì)劃和成果分析4.1工程河段水位分析天然條件下,重慶發(fā)電廠(chǎng)東、西廠(chǎng)取水口附近存在局部深潭,該潭內(nèi)水面比降較小,但流速相對(duì)較大,河床多年來(lái)處于較為穩(wěn)定的狀態(tài),其水深完全滿(mǎn)足取水要求.三峽水庫(kù)按156m方案運(yùn)行時(shí),水庫(kù)回水的最上游端在銅鑼?shí){的郭家沱,重慶發(fā)電廠(chǎng)東、西廠(chǎng)取水口河段位于回水末端上游約35km,水位基本不受三峽水庫(kù)回水的影響,該處的取水條件與天然情況基本一致.當(dāng)三峽水庫(kù)按175m方案運(yùn)行后,由于變動(dòng)回水區(qū)河段泥沙淤積在整體上呈累積性增長(zhǎng)趨勢(shì),使得該河段汛期水位隨之有所抬高.由表1、表2可以看出:在天然河道情況或156m方案運(yùn)行期,工程河段的最低水位和最高水位分別為163.28m和186.61m;水庫(kù)按175m方案運(yùn)用后,工程河段各年最低水位和最高水位分別為164.36m和188.48m,較天然河道情況(或156m方案運(yùn)用期)水位分別升高1.08m和1.87m.由于水位的抬高,特別是最低水位的抬高,使該河段取水條件相對(duì)變好,取水更有保證.在枯水期水庫(kù)蓄水至175m,該處平均水位較天然情況抬高近14m,流速大為減小,水流平緩,更加有利于取水口的正常取水.4.2砂處理對(duì)提取條件的影響4.2.1泥沙沖淤分析在156m方案運(yùn)行時(shí)期,取水口河段位于回水末端上游約35km,基本不受三峽水庫(kù)回水的影響,仍將處于天然河道狀態(tài).泥沙沖淤仍遵循淺灘“汛淤枯沖”、深槽“洪沖枯淤”的規(guī)律.淺灘淤積主要發(fā)生在7～9月,汛末10月及汛后水位降低過(guò)程中淤沙得到一定沖刷;深槽則由于汛期水流集中,流速、比降增大而發(fā)生沖刷,汛后則因水深較大,過(guò)水面積相對(duì)淺灘段較大導(dǎo)致流速、比降減緩而發(fā)生淤積.試驗(yàn)成果表明:在三峽水庫(kù)運(yùn)行至第10年末(即原調(diào)度方案2012年末),重慶發(fā)電廠(chǎng)河段(從李家沱大橋上游約450m至新廠(chǎng)取水口下游約600m止,河道長(zhǎng)共計(jì)3000m,)的剩余淤積量為161.68×104m3,淤積強(qiáng)度為53.89×104m3/km(表3).泥沙淤積部位仍主要在該河段的邊灘,其次是在該河段的溝汊和深沱內(nèi)有少部分殘留淤積物,各部位泥沙淤積厚度均較小,一般在2m以下.模型上泥沙沖淤時(shí)段和沖淤部位與天然情況基本一致,汛后在局部特殊部位有一定的剩余淤積量,一般至年末可達(dá)到?jīng)_淤基本平衡.取水頭位于寬淺河段的主流帶,其附近基本沒(méi)有泥沙淤積;水流條件也與天然河道情況一致,取水口取水條件良好.4.2.2泥沙沉積分析三峽水庫(kù)按照175m方案運(yùn)行時(shí)重慶發(fā)電廠(chǎng)東、西廠(chǎng)取水口河段將處于三峽水庫(kù)回水變動(dòng)區(qū)的中段,其水流條件在汛期和枯水期均較天然情況產(chǎn)生不同程度的變化,泥沙沖淤也較天然情況和156m方案運(yùn)行期有較大變化.由于汛期壩前水位按145m運(yùn)行,重慶主城區(qū)河段水位較天然情況抬高0～2m,加重了該河段汛期泥沙淤積;每年10月初水庫(kù)開(kāi)始蓄水,取水口附近水位最大升高約15m左右,河道呈現(xiàn)水庫(kù)特性,失去枯水走沙的功能;水位消落期延至第2年5月,減少了河道的消落走沙期,使得在上一年淤積的泥沙不能被完全沖走,從而導(dǎo)致累積性泥沙淤積.根據(jù)泥沙試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)三峽水庫(kù)運(yùn)行到第30年末時(shí),在取水口附近長(zhǎng)約3km的河道內(nèi)泥沙淤積總量達(dá)到689.13×104m3,單位河長(zhǎng)淤積量為229.71×104m3/km(表4),河道向著高灘深槽方向發(fā)展;泥沙淤積部位主要在彎道的凸岸邊灘和凹岸的回流緩流區(qū)域,如在該河段上游右岸的彎道凸岸—倒鉤磧淤積后與其緊鄰的黃家磧淤積邊灘連成一片,邊灘淤積寬度達(dá)到150m～450m,淤積厚度達(dá)到5～15m,往下毛紡廠(chǎng)一側(cè)的深沱區(qū)淤積也較為嚴(yán)重,最大淤厚達(dá)到25m以上,緊連的李家沱淤積形成寬約100m的邊灘,淤厚約10m.而電廠(chǎng)取水口位于李家沱彎道上枝的凸岸沖刷區(qū),泥沙不易落淤,水庫(kù)運(yùn)行30年,該處泥沙淤積厚度約在0.5m以下,不會(huì)影響該取水口的正常安全取水.4.3源地的物質(zhì)滲透為觀測(cè)河道漂浮物對(duì)取水口的影響,試驗(yàn)分別在東、西廠(chǎng)取水口上游的不同位置模擬投放了大量漂木和其他懸浮物等,從漂浮物的運(yùn)動(dòng)軌跡可以明顯看出,在中枯水流量時(shí)漂浮物出上游彎道(倒鉤磧)后較均勻地向下游運(yùn)動(dòng),當(dāng)其運(yùn)動(dòng)至李家沱長(zhǎng)江大橋附近,由于受河道左側(cè)小灶盤(pán)石梁的阻水影響,漂浮物被挑至河心的磚灶子石梁,一部分沿磚灶子右汊一直向下游運(yùn)動(dòng),另一部分沿石梁的左汊向下漂流,當(dāng)漂至磚灶子尾部附近的上丁壩(取水口正對(duì)面)時(shí)受阻,大部分沿丁壩與磚灶子石梁之間的缺口向右岸主槽運(yùn)動(dòng),與沿石梁右汊下行的漂浮物匯合后繼續(xù)向下游漂移.由于丁壩與取水口之間的缺口分流,其水流有一定流速,吸引了少量的漂浮物到取水口附近,但由于該取水口附近局部水面比降較大,表面流速和底流流速均相對(duì)較大,而取水口進(jìn)水流量和流速均相對(duì)較小,使該取水口吸附漂浮物的可能性變小,因而漂浮物會(huì)迅速漂走,沿上、下丁壩間流向下游.隨著流量的增大和水位的逐漸升高,左岸的小灶盤(pán)石梁和河心的磚灶子石梁被淹沒(méi),丁壩和取水管道均被淹沒(méi),河面變寬,上游漂流物運(yùn)動(dòng)至大橋后會(huì)較均勻地向下游運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)取水口的漂浮物明顯較枯水增多,但由于此時(shí)取水頭頂部的淹沒(méi)水深較大,縱向流速大,取水口吸附漂浮物的可能性更小,漂木撞擊取水建筑物的可能性甚微.5天然情況及三峽水庫(kù)運(yùn)行期內(nèi),1)無(wú)論天然河道情況或是在三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后,工程河段的水流條件均滿(mǎn)足取水要求,特別是在水庫(kù)按175方案蓄水期,水位