淺談水電站進水口排沙底孔的選型設計

【摘 要】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。筆者在對電站進水口排沙底孔的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”。本文介紹了2個電站進水口排沙底孔的泥沙模型試驗情況，提出了一種新的“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)，取得了理想的排沙效果，實現了電站進水口的“門前清”，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。

【關鍵詞】 電站進水口;格柵式排沙廊道;排沙底孔

Shallow talk a water electricity station into water row the sand bottom choose of bore type design

Liu Xiao-jian

(Xinjiang Yili water conservancy electric power survey design researchinstitute Yining Xinjiang 835000)

【Abstract】At many sand river up， regardless is Gao Shui3 Tou2 of Gao Ba4 Da4's database electricity station， be still low water head river bed type vital point， electricity station enter water of take water row sand to in times gone by be water electricity worker very concern of problem.The writer is in the rightness the electricity the station enter water the row the sand bottom the model of the bore experiment the research understanding arrive， exaltation row the sand bottom lose of bore sand rate， have to“bunch water offend a sand”.This text introduction 2 electricity station enter water row sand bottom the sediment model of the bore experiment circumstance， put forward a kind of new of“space grid type row sand gallery+ row sand bottom bore” of combination pattern(brief name space grid type row sand bottom bore)， obtain ideal of row sand effect， realization electricity station enter water of“pure before the door”， more and so solved engineering actual problem.The space grid type row sand bottom bore as to it's he the same kind type engineering have certain of draw lessons from a function.

【Key words】Electricity station enter water;The space grid type row sand gallery;The row sand bottom bore

1. 概述

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

2.1 A工程模型試驗成果。

A水電工程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'=1.60 t/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。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。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。

2.2 B工程模型試驗成果。

B水電工程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2.97Kg/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。沖刷試驗成果表明:控制上游庫區水位1276 m，在沖沙流量100m3/s、250 m3/s和600 m3/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。

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。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“Γ”型，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。

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。

[文章編號]1619-2737(2010)02-19-05