电站调峰时如何保证沙坎阻水及安全水深？

为了解沙坎今后发育过程对发电的影响，需建立沙坎阻水的计算图形。为此，得依据实测资料，对复杂的实际过程加以简化。

1.电站调峰时坝前峡谷内的流态

沙坎阻水现象的研究者常把电站调峰时的流量增加当作瞬时完成的过程。在这种假定下，峡谷内的水流将是非渐变的不恒定流，坝前将产生落水波向上游传播，直到具有宽阔库水面处，落水波才反射回来，变为增水波。在反射波回到坝前的时间，坝前水位达到最低，然后因增水波的到达而回升，于是在坝前发生水位涌浪，以涌浪的最低点作为沙坎阻水的最危险状态。

显然，以上假定只是在流量增加的历时（TQ）远小于水面波往返的历时（Tv）的条件下才是正确的，即要求λ=TQ/Tv≪1。因实际的流量增加过程可看成一连串微小的瞬时增长之和。头一次增长就发出一个上传的落水波，经过Tv时间后变为增水波回到坝前。此时，如果坝前的流量增加过程尚未完成，则以后的流量增加将直接得到上游开阔库段来水的补充，坝前水位的下降便受到抑制。

水面波上传与下传的速度分别为及。其中H1、v1与H2、v2分别为水面波上传与下传时峡谷内的平均水深和流速。于是

式中：L为峡谷长度，刘家峡水库峡谷长为8.5km。目前，沙坎顶部长约1km，峡谷的其余部分水深较大，整个峡谷内平均水深约14m，Tv约为24.2min。将来，假定峡谷内的水深保持在以后提出的安全值4.5m，则可求得Tv为45.9min。

前面提到，刘家峡电站调峰时负荷增长历时为1h以上，按1h计算，则在目前条件下λ=60/24.2=2.48；沙坎发育到最后时λ=60/45.9=1.31。可见，即便在今后，沙坎伸长得更长以后，采用流量瞬时增加的假定都是不尽合理的，这种假定条件使沙坎阻水的作用被估计得过大。因此，图4显示在电站调峰过程中坝前水位无明显的涌浪存在并非偶然。峡谷内的不恒定水流运动仍然是渐变性的。

按照渐变不恒定流动的基本方程［1］

假定距坝8.5km以外的永靖川地在电站调峰期间水位不变，电站引用流量按负荷变化而变化，用瞬态法对图4（a）中20～23h的调峰过程进行计算，得到计算的坝前水位与实测结果对比如图5；峡谷内水面线的变化如图6。

由图5可见，水位下降幅度的计算值与实测结果略有出入，但水位变化的性质十分相似。

图5　调峰过程坝前水位变化

图6　电站调峰前后坝前峡谷水面线

2.沙坎阻水的计算图形

设电站因增加流量而改变了峡谷内原有的恒定流状态，若新的流量值不再变化，则水流将经历一段不恒定的调整之后，趋向于新的恒定流状态。当流量的改变过程本来就很缓慢时，上述不恒定的调整过程中各项水力因子（如坝前水位等）的变幅也必然较小。刘家峡电站调峰的过程，从前面的分析结果来看，可能就属于这种情形。既然坝前水位的不恒定变幅（涌浪）很微小，为简便起见，就可利用恒定流的公式，只计算流量增加完毕之后的恒定状态。例如在计算坝前水位时，就忽略了不恒定流调整过程中的微小涌浪。

由图6可见，整个坝前峡谷内，水面降落几乎都集中在沙坎顶部河段上，这一河段的上游和下游库段，都因为水深大、流速小而水头损失轻微，这与冲沙试验时的观测结果是吻合的。(www.xing528.com)

综上所述，可设想沙坎阻水的计算图形如图7，其中沙坎长度为L。沙坎上游的水位ZB为水库的水位，在电站升荷过程中近似不变。调峰前坝前水位为，流量增加后，水流加大了水面比降，坝前水位下降为ZD，沙坎下游末端的水深相应由减小为h2。当h2等于该流量下的临界水深hk时，这个流量就是沙坎所能通过的最大流量。

图7　沙坎阻水计算图形

3.电站调峰时沙坎的冲刷

汛前低水位期间，沙坎处于冲刷状态，沙坎顶部高程下降的速度可与库水位消落的平均速度（约0.2m/d）相当。显然，电站调峰时沙坎会发生一定的冲刷，但从此时坝前水位下降速度比上述速度高出近100倍来看，沙坎冲刷的速度远不能跟上流量的变化。水流主要通过增大水面比降来提高流量。

1981年冲刷试验时，在冲刷强度较大的初期，沙坎顶部冲刷下降的速度可达0.1m/h。汛前发电条件下，流量较小，发电机组进水口高程也较冲沙试验时开启的泄流排沙孔洞高，其冲刷效果还要低于上述结果；调峰时流量增长历时仅几十分钟，水流处于不恒定状态，此时沙坎上的冲刷在多大程度上有助于消除阻水作用是有待研究的问题。从以上现象出发，本文暂不考虑其作用。

4.保证调峰的安全水深

利用棱柱河槽水面线的微分方程［1］

可求解图7中的水面线。计算时假定沙坎长度L、电站需要的最大单宽流量qm为已知。令沙坎末端的水深h2等于临界水深hk，此时沙坎上游端的水深h1就是保证通过qm的最小水深。以h1作为qm所对应的电站出力Nm的安全水深。引用流量与负荷的关系按每1万kW的17m3/s计算，峡谷平均宽度取165m，淤积后的糙率系数n=0.025，调峰前沙坎纵比降i，假定由基荷时的水流形成均匀流来确定，基荷时的单宽流量q0取为3m3/（s·m），约相当29.1万kW。计算结果见图8和图9。

图8　刘家峡水库沙坎最大过流能力与沙坎长度及水深的关系

图9　刘家峡电站调峰运行的安全水深与峰荷数值、沙坎长度关系

图8以沙坎上流量增加前的水深为参数，绘出了最大过流能力qm与沙坎长度L的关系。沙坎愈长，水深愈浅，过流能力便愈低。

图9由图8换算得到，以尖峰负荷为参数，表示了安全水深与沙坎长度的关系。在发出相同负荷的条件下，沙坎发育得愈长，安全水深要求就愈大。例如，峰荷为55万kW，沙坎长度为1km、2km以及最终达到8.5km时；安全水深分别为2.75m、3.25m以及4.5m。

以上说明，要维持电站效能不变，沙坎发育得愈长，其顶部高程就要控制得愈低，其经济意义可从图9看到，那就是，每降低沙坎高程1m，电站就能多负担20万kW的峰荷。为此，必要时得借助于水力冲刷。