抽水蓄能电站水库泥沙冲淤分析计算

FCD 12030 FCD

抽水蓄能电站 初步设计阶段

水库泥沙冲淤分析计算大纲范本

水利水电勘测设计标准化信息网

1996年10月

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抽水蓄能电站初步设计阶段 水库泥沙冲淤分析计算大纲

主 编 单 位: 主编单位总工程师: 参 编 单 位: 主 要 编 写 人 员: 软 件 开 发 单 位: 软 件 编 写 人 员:

勘测设计研究院

年 月

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目 次

1. 引 言 ..................................................... 4 2. 设计依据文件和规范 ......................................... 4 3. 基本资料 ................................................... 4 4. 水库泥沙冲淤计算 ............................................. 6 5. 专题研究 ..................................................... 9 6. 应提供的设计成果 ............................................. 9 附件A ......................................................... 10 附件B .......................................................... 11 附件C .......................................................... 14

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1 前 言

项目概况

抽水蓄能电站位于 省 县 乡境内，总装机 MW。抽水蓄能电站由上水库、水道系统、厂房及下水库组成。

提示: (1) 抽水蓄能电站的水库类型，下水库主要有河道库、岸边库和弯道库；上水库主要有河道(沟)库、湖泊库和台坪库，应根据工程具体情况，选择相应的类型。 (2) 河道库指在河道上修建的水库；岸边库指在河边的宽阔地形上围堤而成的水库；弯道库指利用河湾由上、下两坝及河岸围成的水库，并设置适当的泄洪建筑物宣泄洪水，其上坝的上游形成滞洪水库；台坪库指在山顶台坪上围堤而成的水库。

2 设计依据文件和规范

2.1 有关本工程(或专业)的文件

(1) 可行性研究报告;

(2) 可行性研究报告审批文件;

(3) 初步设计任务书和项目卷册任务书，以及其它专业对本专业的要求; (4) 泥沙专题报告。 2.2 设计规范

(1) DL 5021-93 水利水电工程初步设计报告编制规程； (2) SDJ 11-77 水利水电工程水利动能设计规范(试行); (3) SDJ 214-83 水利水电工程水文计算规范(试行); (4) SL 104-95 水利工程水利计算规范; (5) 水库水文泥沙观测试行办法。 2.3 主要参考资料

(1) 水利水电工程泥沙设计规范(报批稿)1；

(2) 《泥沙手册》(中国水利学会泥沙专业委员会主编)；

(3) 《水库泥沙》(陕西省水利科学研究所河渠研究室、清华大学水利工程系泥沙研究室合编)；

(4) 《河流泥沙工程学》(武汉水利电力学院)。

3 基本资料

3.1 水库概况

提示: 应根据所设计工程的条件，从附件A中选择相应的水库类型，对水库概况进行描述。本范本附件A给出了建议的河道库、岸边库、弯道库及台坪库水库概况描述格式。 1

一旦本标准正式发布，应移入2.2条。

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3.2 水文泥沙

提示: 根据水库类型，收集相应的水文泥沙资料，附件B给出了建议的河道库、岸边库、弯道库及台坪库水文泥沙资料描述格式。如果上水库为河道库，则其来沙量应为河道来沙量与从下水库抽水挟带来的泥沙量之和。 3.3 地形资料

(1) 水库地形图，施测时间 ；

(2) 库区纵、横断面表，需要时给出横断面特征线；

(3) 水库水位容积、面积曲线图及表(包括总库容与干支流库容)。

表 1 水 库 水 位 容 积、面 积 表

高 程， m 库容，万m3 ? 面 积，km2 总 干流 支流 Z1 Z2 Z3 Z4 ? ? 提示: (1) 应注意所用库区地形资料与枢纽设计采用的地形资料的地形图高程系统一致； (2) 应注意地形法库容与断面法库容的一致性。 3.4 水能水利资料

抽水蓄能电站装机容量 MW(共 台)，一般每日发电 h( 点至 点)；每日抽水 h( 点至 点)。

水泵最大扬程抽水流量 m3/s，最小扬程抽水流量 m3/s；水轮机额定水头发电流量 m3/s。

3.4.1 水库水位、库容特征值，见表2。

表 2 库 水 位、库 容 特 征 值

项 目 校核洪水位(P= %),m 设计洪水位(P= %),m 正常蓄水位，m 汛期限制水位，m 保证发电水位，m 死水位，m 库底高程，m 总库容，万m3 调节库容，万m3 其中蓄能发电所占库容，万m3 死库容，万m3 下 水 库 上 水 库 备 注 5

附件B 水文泥沙特性的描述

本附件给出了抽水蓄能电站几种典型水库水文泥沙特性描述的基本格式，设计人员可根据工程具体情况选择、调用。

B1 河道库的入库与坝址水文泥沙特性

(1) 水文测站情况及入库水沙系列

(2) 干支流入库与坝址的流量、悬移质泥沙输沙量

提示: 应考虑已建工程拦沙(含上游梯级水库调水调沙)或引沙对本工程入库沙量的影响。 表 B1 水文站(或坝址)多年平均各月流量、沙量统计表

月 份 项 目 年 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 流 量 沙 量 m3/s 占年% 万t 占年% 表 B2 水文站(或坝址)径流、悬移质泥沙特征值表

径流量，亿m3 汛期 (6～9月) 占 占年占占年 年 月 日 占年百 分 数 % 7～8月 流量，m3/s 悬移质沙量，万t 汛期 (6～9月) 7～8月 最大一日 含沙量，kg/m3 W多年 年W(6?9) 百 分 数 % W(7?8) 百 分 数 % Q年 Q(6?9)Q(7?8) Ws年 年Ws(6?9) 百 分 数 % Ws(7?8) 百 分 数 % S多年 S(6?9) S最大 提示: 无悬移质实测资料时，可查本流域输沙量模数(或称侵蚀模数)图(多年平均输沙量=输沙量模数×设计流域面积)；或利用附近已建水库、淤地坝淤积调查资料求取(多年平均输沙量)=((淤积量+排沙量)/淤积年限);或经验公式估算。 (3) 入库推移质沙量

提示: 无实测资料时，可采用有关公式计算推移质输沙率(应注意公式适用条件)或采用经验法估算。有条件时，可采用模型试验方法推算推移质输沙量。 (4) 泥沙颗粒特性

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表 B3 水文站悬移质泥沙颗粒级配表

粒径，mm 0.007 (0.005) 小于某粒径沙量百分数，% 0.01 0.025 0.05 0.10 0.25 0.5 1.0 最大粒径 mm 平均粒径 mm 中数粒径 mm 表B4 河 河段河床质泥沙颗粒级配统计表

取 样 地 点 小于某粒径(mm)沙重百分数，% 0.15 0.3 0.6 1.2 2.5 5 10 20 30 40 80 150 最大粒径 mm 平均粒径 mm 中数粒径 mm 绘制悬移质与河床质泥沙颗粒级配图。 (5) 悬移质矿物成分

表B5 河段悬移质各粒径组硬矿物含量表

粒径组 mm 硬矿物含量，% 注： 硬矿物指摩氏硬度大于5的矿物 <0.007 0.007～ 0.010～ 0.025～ 0.050～ 0.100～ 0.250～ 0.500～ 1.00～ (0.005) 0.010 0.025 0.050 0.100 0.250 0.500 1.00 2.00 颗粒形状 (各占比值) 园 片 尖 (6) 泥沙的干密度

悬移质泥沙淤积物干密度采用 t/m3；推移质泥沙淤积物采用 t/m3；冲泻质泥沙淤积物采用 t/m3.

(7) B2 岸边库(或弯道库)的入库水沙

岸边库(或弯道库)通常是引水式的，其入库水沙资料除执行B1条款外，还需统计河道大于某级含沙量出现的天数，见表B6。

表 B6 河 水文站大于某级含沙量出现天数

含沙量 kg/m3 出现天数, d >0.1 >0.5 >1.0 >2.0 >5.0 >10 >20 >50 >100 ? 最大一日含沙量 年 月 日 kg/m3 糙率

提示: 河道糙率与水库泥沙淤积后糙率参看《水利水电工程初步设计阶段回水分析计算大纲范本》。 提示: 根据工程具体情况，必要时应统计河道大于某级流量出现的天数。

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B3 台坪库的入库水沙

提示: 台坪库一般系蓄能电站的上水库，其入库水沙来自下水库。目前还未见到估算从下水库抽水挟带到上水库的泥沙计算方法，这里介绍一种方法供参考。 (1) 从下水库抽水到上水库的水量W，一般等于上水库的有效库容V有。 (2) 每日从下水库抽水挟带到上水库的泥沙量可按下式计算： Ws日=W?S=V有?S 式中：S––––过机含沙量，kg/m3。 (3) 年沙量按下式计算： Ws年=Ws日?T 式中：T––––年均泥沙过机历时，d。 13

附件C 水 库 泥 沙 冲 淤 计 算

本附件给出了抽水蓄能电站几种典型水库泥沙冲淤计算的方法，建议的计算成果表述格式以及计算成果分析的建议，可根据工程具体情况选择、调用。

C1 抽水蓄能电站几种典型水库泥沙冲淤计算的方法 C1.1 河道库

提示: (1) 水库泥沙冲淤计算方法，一般可分为类比法、经验法(形态法、经验面积减少法、沙莫夫法等)、数学模型(有限差法等)。我国应用较多的泥沙数学模型见《水利水电工程泥沙设计规范》(报批稿)条文说明。可根据具体情况选择。常用计算方法有形态法与有限差法。 (2) 三角洲(形态)法适用湖泊型水库或河流含沙量高、入库水流呈超饱和状态的水库或者是推移质较多的水库；有限差法适用于河道型且河道含沙量不饱和的水库。 以下例举有限差法：

(1) 基本方程 采用有限差法联解水流连续方程、挟沙水流运动方程和泥沙连续方程。其简化形式：

J?QnBH22210/3?(22?22) (C1)

2g?xB2H2B1H1s1Q22Q12(G1?G2)?t????x?B??Z (C2)

式中：?x––––计算河段长度； ?t––––计算时段；

?Z––––计算河段的平均河床冲淤厚度，正值为淤，负值为冲； 注：一般情况下，每一计算时段的冲淤厚度，以控制等于或 小于深的

110~115较为合适。

G1、G2––––分别为进出口断面输沙率；

用于计算悬移质冲淤时，G=Q?Sv，其中Sv为悬移质含水 量；

用于计算悬移质冲淤时，G=B?gs，其中gs为推移质单宽 输沙率；

若悬移质和推移质要同时考虑时，则G=QSv+B?gs； B、H––––分别为计算河段的平均河宽和平均水深；

B1、B2、H1、H2––––分别为进出口断面上的平均河宽和平均水深。

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联解式(C1)和式(C2)即可求得水库冲淤的发展过程。

提示: 根据基本方程可编制水库泥沙冲淤计算程序。 (2) 计算表格

表 C1 有 限 差 法 计 算 水 库 淤 积 过 程 表

断面 计算 断面 间距 m 2 库 水位 Z m 3 平均 河宽 B m 4 过水 面积 A m2 5 水力 半径 R m 6 平均 流速 m/s 7 含 沙量 S kg/m3 8 含沙 量差 ?S kg/m3 9 淤 积量 ?W 万t 10 淤积 体积 ?V 万m3 11 平 均 淤积厚 ?h m 12 13 备 注 1 (3) 计算步骤(略) C1.2 岸边库

提示: 岸边库通常是引水式水库，其泥沙淤积计算方法可采用沉沙池的计算方法。 C1.3 弯道库

提示: 弯道库通常也是引水式水库，其泥沙淤积计算方法同岸边库，即可采用沉沙池的计算方法。而且弯道库的上坝址的上游壅水形成滞洪水库，它的泥沙淤积计算方法基本同河道库，但应考虑水库泄空冲刷的影响。 C1.4 台坪库

提示: 台坪库通常为抽水蓄能电站的上水库，其泥沙主要来自下水库。目前未见现成的泥沙淤积计算方法，这里引用静水沉降法供参考。 (1) 沉降速度?=H/t静 式中：H––––沉降水深； t静––––静水沉降历时，t静=t天-t (2) 落淤泥沙最小粒径dmin 发电-t抽水。 根据?与水温查“不同温度下泥沙粒径D与沉速?的关系表”得相应的颗粒粒径。即为落淤泥沙最小粒径dmin。当d?dmin，泥沙淤积；d

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C2.1 河道库

(1) 水库泥沙淤积纵横断面成果表及水库泥沙冲淤过程纵断面图。

表 C2 水库不同年限淤积纵断面表

距坝里程 断面编号 地 名 km m 10 年 15年 20年 原河床高程 不同年限淤积河床高程，m 提示: 纵断图，纵坐标为高程(应注明高程系统)，横坐标应包括距坝(闸)长度、断面号，并注明主要地名位置。 (2) 不同方案坝前淤积高程与蓄能电站进/出水口门前淤积高程表。

提示: 必要时估算推荐方案的坝前淤积断面，以作坝体泥沙压力计算的依据。 表 C3 坝前及蓄能电站进/出水口淤沙高程

淤 积 年 限 a 坝前淤沙高程，m 淤 沙 高 程 电站进/出水口淤沙高程，m 备 注 (3) 水库冲淤计算成果表

表 C4 抽水蓄能电站水库泥沙冲淤成果表

尾 部 段 淤 积 年 限 a 起淤点 距坝(闸) 长 度 km 上游梯级坝 (闸)址泥沙 淤积高程 m 悬移质 (推移质) 出库率 % 出库 含沙 量 kg/m 3坝 址 断面淤积高程,m 断 面 号 出库泥 沙中数 粒 径 mm 淤积物 中 数 粒 径 mm 淤积 物干 密度 t/m 3泥沙 淤积 高程 m (4) 水库容积演变曲线图及水库泥沙淤积后库容变化表

表 C5 抽水蓄能电站水库泥沙淤积后库容变化表

项 目 正常库容 (正常蓄水位以下) 灌溉库容 相应水位 m 原始库容 m 淤积库容, m3 近 期 远 景 淤积后保留库容, m3 近 期 远 景 库容损失，% 近 期 远 景 16

兴利库容 发电库容 死 水 位 C2.2 岸边库、弯道库、滞洪库、台坪库

提示: 岸边库、弯道库、滞洪库、台坪库的计算成果类似河道库，此处从略。

C3 计算成果分析 C3.1 河道库

(1) 水库泥沙淤积对库容的影响；

(2) 阐明选择正常蓄水位、汛期限制水位、排沙水位、保证发电水位、死水位过程中，不同方案的泥沙淤积对工程效益、安全运行的影响，对上游或下游梯级的影响，对航运的影响。阐明方案比较结果，提出推荐方案；

(3) 阐明推荐的正常蓄水位、汛期限制水位、排沙水位、保证发电水位、死水位的冲淤计算成果；

(4) 分析水库泥沙淤积对坝前、蓄能电站进/出水口口门的影响，必要时，分析过机泥沙(包括含沙量与粒径)对电站(或上水库)的影响。 C3.2 岸边库、弯道库、滞洪库、台坪库

提示: 岸边库、弯道库、滞洪库、台坪库的成果分析方法，参看河道库。 17

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