水電站進水口排沙管理論文

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在多沙河流上，無論是高壩大庫的高水頭電站，還是低水頭河床式樞紐，電站進水口的取水排沙歷來是水電工作者十分關注的問題。眾所周知，泥沙磨損對水輪機造成的破壞作用是非常嚴重的。為了減少粗沙（推移質、躍移質）過機，工程實踐中已經積累了豐富的經驗，不同類型的工程措施被成功地利用。主要措施有：（1）利用泥沙垂線分布上細下粗的特點，引取表層水流，底層含沙水流通過排沙底孔或利用導沙坎引向沖刷閘排出庫外；（2）利用彎道環流的水流特點，正面引水，側面排沙；（3）利用排沙廊道、截沙槽或沉沙池，通過人為制造的螺旋流排泄泥沙。

對于高水頭樞紐，設置排沙底孔或泄洪排沙洞是減少粗沙過機的有效措施。排沙底孔一般布置在電站進水口的下部，利用泄洪在電站進水口前形成沖刷漏斗。沖刷漏斗越大，越有利于攔截粗沙，減少粗沙過機。對于低水頭河床式樞紐，排沙底孔布置在電站進水口下部比較困難，布置在電站進水口兩側，沖刷漏斗范圍較小，難以達到理想的排沙效果；因此一般多修建排沙廊道，利用廊道內的螺旋流排泄泥沙。

我們在對電站進水口的排沙問題進行泥沙模型試驗研究中認識到，要提高排沙底孔的輸沙率，必須“束水攻沙”，由此提出了“格柵式排沙廊道＋排沙底孔”的組合型式（簡稱格柵式排沙底孔），即在電站進水口前沿設置一道格柵式排沙廊道，排沙底孔與格柵式排沙廊道連通。當排沙底孔泄洪排沙時，排沙底孔的進水水流均勻分布于整個排沙廊道的上方。由于排沙廊道頂部格柵的作用，水流在排沙廊道內及其周邊形成螺旋流或結構紊亂的渦流，大大增強了水流的挾沙能力，使淤積在排沙廊道及周邊區域的泥沙迅速排空。為了驗證格柵式排沙底孔的適應性，我們將這一型式應用于另一水電站工程，同樣收到良好的排沙效果。

2泥沙模型試驗成果介紹

2.1A工程模型試驗成果

A水電工程位于云南省金沙江一級支流碩多崗河，是以單一發電為開發目標的引水式電站。工程所在河段屬多沙河流，壩址多年平均懸移質輸沙量63.70萬t，推移質輸沙量19.10萬t，推移質重度γs=2.78t/m3，淤積干容重γs’＝1.60t/m3，中值粒徑d50=33.3mm，平均粒徑dpj=52.9mm。

工程為混凝土重力閘壩（設有泄洪孔、排沙底孔、排污道），壩頂高程2471.40m，最大壩高34.4m。泄洪孔和排沙底孔尺寸為5.0m×3.50m（寬×高），進口底板高程均為2442.00m。電站進水口布置于壩前河道右側岸邊，發電引水流量28.2m3/s，進口底板高程2449.50m。在電站進水口前、排沙底孔進口上游設置一道與底孔等寬的沖沙槽，長度35m。設置沖沙槽的主要目的是攔截泥沙，尤其是推移質泥沙，當泥沙橫向翻越導墻時淤積在沖沙槽內，使電站進水口與排沙底孔拉沙水流間形成一個隔斷，起到截沙槽的作用。工程樞紐布置見圖1。

圖1A工程沖沙槽和排沙底孔布置圖

原方案試驗成果表明，在“沖沙槽＋排沙底孔”的組合方案條件下，當排沙底孔泄洪排沙時，電站進水口區域的水流流速小，排沙能力弱，試驗觀測到沖刷漏斗發生壩0+00.0m～壩0-10.0m范圍以內，進水口前沿的泥沙不能排出庫外，不能達到“門前清”的沖刷效果。

通過對多個方案的對比試驗，最終選定了“格柵式排沙廊道＋排沙底孔”的組合方案（見圖2）。該方案最突出的優點是：由于合理地調整了格柵寬度、格柵間距、排沙廊道底坡等參數，使排沙底孔泄洪排沙時，排沙底孔的進水水流均勻分布于整個排沙廊道的上方。在排沙廊道頂部格柵的作用下，水流在排沙廊道內及其周邊形成螺旋流或結構紊亂的渦流，大大增強了水流的挾沙能力，使淤積在排沙廊道及周邊區域的泥沙迅速排空，從而在電站進水口前沿、格柵式排沙廊道區域內形成一長條狀的沖刷漏斗。泥沙排空后的區域形成一個隔斷，起到了截沙槽的作用。

試驗成果表明，在庫水位2457m，排沙底孔下泄流量150m3/s時，排沙廊道周邊的泥沙能在20分鐘內排空(模型約4分鐘），沖刷漏斗的長度方向在壩0+00.0m～壩0-35.0m之間。與原“沖沙槽＋排沙底孔”方案相比，“格柵式排沙廊道＋排沙底孔”方案的水流挾沙能力更強、沖刷漏斗的范圍更大，達到了電站進水口“門前清”的理想效果。

圖2A工程格柵式排沙底孔布置圖

2.2B工程模型試驗成果

B水電工程位于云南省金沙江一級支流牛欄江，是以發電為主要的水電工程。壩址河段多年平均懸移質輸沙量1209萬t，推移質輸沙量190萬t，壩址懸移質平均含沙量2.97㎏/m3。床沙干容重γs=2.56t/m3；Cs1斷面、Cs2斷面中值粒徑d50分別為19.0mm、14.0mm，平均粒徑dpj分別為19.7mm、16.7mm。

電站首部樞紐由泄洪表孔、排沙底孔、沖沙槽、非溢流壩段及進水口等建筑物組成。大壩壩軸線位于峽谷出口處。河床布置3孔泄洪表孔，孔口尺寸(寬×高)為8.0m×13.0m，堰頂高程1269.0m；河床左側主河槽布置1孔排沙底孔，孔口尺寸(寬×高)為6.0m×10.0m，底板高程1257.00m，承擔泄洪與溯源拉沙任務。

在A工程模型試驗成果的基礎上，我們在B工程上采用格柵式排沙底孔方案，通過模型試驗調整格柵的尺寸及格柵間距、排沙廊道底坡、排沙廊道長度等參數（圖3）。沖刷試驗成果表明：控制上游庫區水位1276m，在沖沙流量100m3/s、250m3/s和600m3/s時，開啟格柵式排沙底孔，運行32分鐘(模型約4分鐘），在電站進水口前沿、排沙廊道內及周邊區域的泥沙均能排空，沖刷漏斗范圍在壩0+00.0m～壩0-30.0m之間，同樣達到了電站進水口“門前清”的理想效果。

圖3B工程格柵式排沙底孔方案

3格柵式排沙底孔體型

格柵式排沙底孔可分為兩個部分：

（1）常規類型的排沙底孔；

（2）帶有格柵頂板的排沙廊道。根據電站進水口與樞紐布置的不同，排沙廊道的軸線與排沙底孔的軸線可以成0°～90°夾角（圖4、圖5）。排沙廊道的靠進水口一側的邊墻應高于另一側邊墻，同時也應高于電站進水口底板，邊墻高度可根據工程具體情況確定，邊墻頂部也可以設計成“?！毙?，以利于攔截泥沙。

4格柵式排沙底孔泄流能力

受格柵式排沙廊道的影響，格柵式排沙底孔的泄流能力小于常規類型的排沙底孔。由于排沙廊道內水力條件復雜，流態紊亂，目前無法計算格柵式排沙底孔的泄流能力，只能通過模型試驗測試。

以A工程為例：A工程的格柵式排沙廊道的尺寸為：b＝5m，d＝2m，e＝1m，i＝0.1667，L＝35m。排沙底孔的體型為：平底，進口頂曲線為橢圓曲線，長半軸4.5m，短半軸1.5m，出口斷面為5m×3.5m（寬×高）。

通過泄流能力試驗，得到格柵式排沙底孔自由出流時的流量計算式為：

Q=61.7099H0.4951，式中：H＝排沙底孔底板以上總水頭－閘門開高。

流量系數計算式為：μ＝0.7961/H0.0049。

因此，A工程在正常運行條件下，格柵式排沙底孔的流量系數取值為μ＝0.783～0.790。

圖4格柵式排沙底孔體型（軸線夾角為0°）

圖5格柵式排沙底孔體型（軸線夾角為90°）

圖中，b為排沙廊道寬度，d為格柵寬度，e為格柵間距，i為排沙廊道底坡，L為排沙廊道長度。以上5個參數應根據工程的具體情況確定，并通過泥沙模型試驗驗證。

5結語

電站進水口的取水排沙歷來是水電工作者十分關注的問題。為了保證電站進水口不產生推移質淤沙，減少粗沙過機，本文進行了有益的探索。本文在2個電站進水口排沙底孔泥沙模型試驗的基礎上，提出了一種“格柵式排沙廊道＋排沙底孔”的組合型式（簡稱格柵式排沙底孔）。即：在電站進水口前沿設置一道格柵式排沙廊道，排沙底孔與格柵式排沙廊道連通。當排沙底孔泄洪排沙時，排沙底孔的進水水流均勻分布于整個排沙廊道的上方，在排沙廊道頂部格柵的作用下，水流在排沙廊道內及其周邊形成螺旋流或結構紊亂的渦流，大大增強了水流的挾沙能力，使淤積在排沙廊道及周邊區域的泥沙迅速排空。在電站進水口前沿、格柵式排沙廊道區域內形成一長條狀的沖刷漏斗。泥沙排空后的區域形成一個隔斷，起到了截沙槽的作用，達到電站進水口“門前清”的效果，較好地解決了工程實際問題。格柵式排沙底孔對其他同類型工程具有一定的借鑒作用，也值得今后對其體型進行深入的研究。

6參考文獻

1武漢水利電力學院，河流泥沙工程學（下冊），第1版，北京：水利出版社，1982年

2清華大學水力學教研組，水力學（下冊），第1版，北京：人民教育出版社，1981年

3武漢水利電力學院，水力計算手冊，第1版，北京：水利出版社，1980年

4華東水利學院，水工設計手冊（灌區建筑物），第1版，北京：水利電力出版社，1984年