重庆电厂东、西厂取水口工程布置试验研究

重庆电厂东、西厂取水口工程布置试验研究

重庆发电厂是重庆主要的能源处理厂之一。然而，随着经济的快速发展，重庆的发电总量远远不能满足能源消耗的需求。为了满足重庆能源消耗的发展需求，缓解电网不足、峰容量变化的矛盾，根据重庆能源发展计划，计划对重庆电厂进行改造，并扩大现有工厂的安装。重庆总厂东厂和西厂的改造工程是改变发电厂的改造项目。由于从电厂取水口的水质直接关系到造船厂的正常运行，取水口段位于重庆主城区李沱长江段。该段属于三峡水库175m回水区的中后期，受到沉积物、河流类型、水流条件变化等影响。因此，有必要对收集井的配置进行测试和研究。1泥沙冲淤分析重庆发电厂东、西厂取水口工程位于重庆主城区李家沱长江河段,下距朝天门约17km.该段河道在平面形态上呈反“S”形状(图1),其河势受上、下两个反向急弯道的控制,衔接两弯道的过渡段较为顺直,长约2.5Km,右岸为宽大的黄家碛边滩,枯水河宽仅有300m左右,而洪水期水流漫滩后河宽可达1000m以上.电厂取水口位于第二个弯道的上枝的左岸,粗柄碛首部附近.粗柄碛为宽大的淤积边滩,最大宽度约500m,占据洪水河宽60%以上.该河段河床组成为沙卵石,两岸岸坡为基岩,多年来河道形态变化较小,河势及主槽较为稳定.但是河床地形复杂,李家沱长江大桥左岸有小灶盘石梁挑流,其下有砖灶子石梁纵卧江心,将枯水河床分为左右两汊,水流出左汊后正对电厂取水口处;河底高程起伏较大,水流条件较为复杂.重庆河段属于典型的山区河道,在天然情况下,泥沙冲淤遵循浅滩“汛淤枯冲”、深槽“洪冲枯淤”的规律;当三峡水库按156m方案蓄水运行时,水库回水尚未影响到取水口河段,该河段仍维持天然河道特征.当三峡水库按175m方案蓄水运行后,重庆河段将处于水库回水变动区中段,使该河段同时具有天然河道和水库的双重特性,根据以往泥沙研究成果表明:随着三峡枢纽运行时间的增长,重庆主城区河段的泥沙淤积将成累积性增加,边滩加宽,河型转化,回水上延.重庆发电厂东、西厂取水口河段也将产生一定的泥沙淤积,河床形态发生演变,并可能对电厂取水口的引水防沙条件产生重要影响.2西亚、西亚国家电厂取水口采用蘑菇头式取水头(图2),共布置取水头7个,其中东厂4个,西厂3个,位于李家沱长江公路大桥下游约300m的长江左岸,距宜昌航道里程约676.5km.取水管线紧贴长江岸壁,取水头头部伸入河中竖直向上,顶部罩有蘑菇状拦污栅.3试验边界条件利用重庆河段泥沙模型研究取水口的取水条件,模型平面比尺175,垂直比尺125,流速比尺11.18;模型沙选用轻质荣昌精煤粉,悬移质含沙量比尺0.398,泥沙运动时间比尺105.试验边界条件及其控制如下:1)试验采用SX-1型流量-水位自动控制系统进行模型流量和尾门水位的可视化自动控制,给定长江和嘉陵江的试验流量和模型出口生基塘的水位,由计算机自动跟踪和控制模型进口流量与尾门水位,采用HD-4型电脑流速仪测定流速,用精密水位测针测定模型沿程水位.2)泥沙试验采用1961～1970年长江和嘉陵江天然水沙系列,经概化后在模型上进行三峡水库156m方案和175m方案系列泥沙试验,用精密天平测量试验水体的含沙量,用光电颗粒分析仪测量模型沙的粒径级配.4试验计划和成果分析4.1工程河段水位分析天然条件下,重庆发电厂东、西厂取水口附近存在局部深潭,该潭内水面比降较小,但流速相对较大,河床多年来处于较为稳定的状态,其水深完全满足取水要求.三峡水库按156m方案运行时,水库回水的最上游端在铜锣峡的郭家沱,重庆发电厂东、西厂取水口河段位于回水末端上游约35km,水位基本不受三峡水库回水的影响,该处的取水条件与天然情况基本一致.当三峡水库按175m方案运行后,由于变动回水区河段泥沙淤积在整体上呈累积性增长趋势,使得该河段汛期水位随之有所抬高.由表1、表2可以看出:在天然河道情况或156m方案运行期,工程河段的最低水位和最高水位分别为163.28m和186.61m;水库按175m方案运用后,工程河段各年最低水位和最高水位分别为164.36m和188.48m,较天然河道情况(或156m方案运用期)水位分别升高1.08m和1.87m.由于水位的抬高,特别是最低水位的抬高,使该河段取水条件相对变好,取水更有保证.在枯水期水库蓄水至175m,该处平均水位较天然情况抬高近14m,流速大为减小,水流平缓,更加有利于取水口的正常取水.4.2砂处理对提取条件的影响4.2.1泥沙冲淤分析在156m方案运行时期,取水口河段位于回水末端上游约35km,基本不受三峡水库回水的影响,仍将处于天然河道状态.泥沙冲淤仍遵循浅滩“汛淤枯冲”、深槽“洪冲枯淤”的规律.浅滩淤积主要发生在7～9月,汛末10月及汛后水位降低过程中淤沙得到一定冲刷;深槽则由于汛期水流集中,流速、比降增大而发生冲刷,汛后则因水深较大,过水面积相对浅滩段较大导致流速、比降减缓而发生淤积.试验成果表明:在三峡水库运行至第10年末(即原调度方案2012年末),重庆发电厂河段(从李家沱大桥上游约450m至新厂取水口下游约600m止,河道长共计3000m,)的剩余淤积量为161.68×104m3,淤积强度为53.89×104m3/km(表3).泥沙淤积部位仍主要在该河段的边滩,其次是在该河段的沟汊和深沱内有少部分残留淤积物,各部位泥沙淤积厚度均较小,一般在2m以下.模型上泥沙冲淤时段和冲淤部位与天然情况基本一致,汛后在局部特殊部位有一定的剩余淤积量,一般至年末可达到冲淤基本平衡.取水头位于宽浅河段的主流带,其附近基本没有泥沙淤积;水流条件也与天然河道情况一致,取水口取水条件良好.4.2.2泥沙沉积分析三峡水库按照175m方案运行时重庆发电厂东、西厂取水口河段将处于三峡水库回水变动区的中段,其水流条件在汛期和枯水期均较天然情况产生不同程度的变化,泥沙冲淤也较天然情况和156m方案运行期有较大变化.由于汛期坝前水位按145m运行,重庆主城区河段水位较天然情况抬高0～2m,加重了该河段汛期泥沙淤积;每年10月初水库开始蓄水,取水口附近水位最大升高约15m左右,河道呈现水库特性,失去枯水走沙的功能;水位消落期延至第2年5月,减少了河道的消落走沙期,使得在上一年淤积的泥沙不能被完全冲走,从而导致累积性泥沙淤积.根据泥沙试验结果,当三峡水库运行到第30年末时,在取水口附近长约3km的河道内泥沙淤积总量达到689.13×104m3,单位河长淤积量为229.71×104m3/km(表4),河道向着高滩深槽方向发展;泥沙淤积部位主要在弯道的凸岸边滩和凹岸的回流缓流区域,如在该河段上游右岸的弯道凸岸—倒钩碛淤积后与其紧邻的黄家碛淤积边滩连成一片,边滩淤积宽度达到150m～450m,淤积厚度达到5～15m,往下毛纺厂一侧的深沱区淤积也较为严重,最大淤厚达到25m以上,紧连的李家沱淤积形成宽约100m的边滩,淤厚约10m.而电厂取水口位于李家沱弯道上枝的凸岸冲刷区,泥沙不易落淤,水库运行30年,该处泥沙淤积厚度约在0.5m以下,不会影响该取水口的正常安全取水.4.3源地的物质渗透为观测河道漂浮物对取水口的影响,试验分别在东、西厂取水口上游的不同位置模拟投放了大量漂木和其他悬浮物等,从漂浮物的运动轨迹可以明显看出,在中枯水流量时漂浮物出上游弯道(倒钩碛)后较均匀地向下游运动,当其运动至李家沱长江大桥附近,由于受河道左侧小灶盘石梁的阻水影响,漂浮物被挑至河心的砖灶子石梁,一部分沿砖灶子右汊一直向下游运动,另一部分沿石梁的左汊向下漂流,当漂至砖灶子尾部附近的上丁坝(取水口正对面)时受阻,大部分沿丁坝与砖灶子石梁之间的缺口向右岸主槽运动,与沿石梁右汊下行的漂浮物汇合后继续向下游漂移.由于丁坝与取水口之间的缺口分流,其水流有一定流速,吸引了少量的漂浮物到取水口附近,但由于该取水口附近局部水面比降较大,表面流速和底流流速均相对较大,而取水口进水流量和流速均相对较小,使该取水口吸附漂浮物的可能性变小,因而漂浮物会迅速漂走,沿上、下丁坝间流向下游.随着流量的增大和水位的逐渐升高,左岸的小灶盘石梁和河心的砖灶子石梁被淹没,丁坝和取水管道均被淹没,河面变宽,上游漂流物运动至大桥后会较均匀地向下游运动,经过取水口的漂浮物明显较枯水增多,但由于此时取水头顶部的淹没水深较大,纵向流速大,取水口吸附漂浮物的可能性更小,漂木撞击取水建筑物的可能性甚微.5天然情况及三峡水库运行期内,1)无论天然河道情况或是在三峡水库蓄水运行后,工程河段的水流条件均满足取水要求,特别是在水库按175方案蓄水期,水位