某水電站定期沖洗式沉沙池設計研究

薛 瑞,藺蕾蕾,張 淼,黃蔚萍

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)01—0030—04

某水電站定期沖洗式沉沙池設計研究

薛 瑞,藺蕾蕾,張 淼,黃蔚萍

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

依據某水電站的泥沙資料，提出本工程定期沖洗式沉沙池的設計過程，通過初擬沉沙池的主要控制尺寸，計算沉沙池的泥沙沉速，并逐時段分段的計算沉沙池的水力參數及泥沙沉降率、泥沙淤積及沖洗等一系列參數，為電站的定期沖洗式沉沙池設計提供有力依據。

沖洗式沉沙池； 沉速；沉降率； 泥沙淤積；沖洗

0 前 言

水電工程中，沉沙池主要是利用過流斷面大、流速小，使得水流中大于設計沉降粒徑的泥沙得到沉降，出池含沙量得到減小，進而用于減輕泥沙對水輪機的磨損而設置的一種水工建筑物。

本文所介紹的某水電站為低壩引水式水電站，天然河道平均比降32.3‰,最大壩高30 m，引水隧洞長4.0 km，引用流量117 m3/s，電站裝機容量120 MW，安裝2臺混流式水輪發電機。電站過機多年平均含沙量8 kg/m3，電站額定水頭為100 m，依據DL/T5107—1999,水電水利工程沉沙池設計規范[1],設置沉沙池的初步判別條件，本工程需設置沉沙池。

根據地形條件，本工程沉沙池采用地下有壓布置形式。定期沖洗多室式沉沙池的運行特點是能夠連續供水，且引水效率較連續式沉沙池高，但結構復雜。定期沖洗式沉沙池的布置主要包括引渠、進口連接段、工作段(包括溢流堰區)和沖排沙設施。

電站額定水頭為100 m，根據文獻[1]，泥沙設計最小沉降粒徑為0.25 mm，懸移質泥沙級配見表1。

表1 懸移質泥沙級配表

從表1可知，在淤積物中，小于某一粒徑沙重占75%，該泥沙粒徑d75=0.114 mm。

1 工作段主要尺寸的初擬

根據文獻[1],經初步計算，定期沖洗式沉沙池由3個洞室組成(見圖1)，單個洞室的引用流量Q為39 m3/s，每個洞室的工作長度L為100 m(包括20 m溢流堰區)，寬度B為12 m，進口工作深度H為9 m，縱向底坡為0.02。

圖1 某電站定期沖洗式沉沙池布置圖 單位：m

1.1 進口工作深度計算

進口工作深度的計算依據沉沙池沖沙，運行水位與排沙道出口天然河流水位差。

(1)

式中：ΔZ為沉沙池沖沙運行水位與排沙道出口天然河流水位差,m；q為沖沙單寬流量，m3/(s·m)；νc為沖沙流速，νc=2.24 m/s；i為沉沙池工作底坡；Lw為沉沙池工作長度；i0為排沙道底坡；L0為排沙道長度；

1.2 工作寬度驗算

He=H-ΔHa

(2)

式中：ΔHa為沉沙池運行期允許淤積厚度，取0.3H。

運行期He為6.3 m，池內平均流速為0.515 m/s。

初擬的工作段尺寸符合規范[1]要求：沉降最小粒徑為0.25 mm時，池內平均流速在0.25～0.55 m/s范圍內。

1.3 縱向底坡

縱向底坡應滿足式(3)：

(3)

設計中擬定沉沙池的縱向底坡為0.02，由計算可知，滿足規范要求。

2 沉沙池水力計算

定期沖洗式沉沙池的水力計算主要包括泥沙沉速計算、泥沙沉降計算及沖洗計算。

2.1 沉速計算

沉速采用沙玉清天然沙沉速公式計算[2-3]：

[lg(Sa)+3.790]2+[lg(ψ)-5.77]2=39.0

(4)

沉速判數：

粒徑判數：

式中：ν為水的運動粘滯系數，cm2/s；t為水溫，t=20 ℃；d為泥沙粒徑，mm；ρs為泥沙密度，ρs=2.65 g/cm3；ρw為清水密度，ρw=1.00 g/cm3；ω為泥沙沉速，cm/s；g為重力加速度，cm/s2。

本工程泥沙沉速計算結果見表2。

表2 泥沙沉速計算結果表

2.2 泥沙沉降計算

按動床計算沉沙池的沉降量和床面淤積過程。

沉沙池具有一定的縱向底坡，從上游至下游各池段的水深是不相等的，各池段床面淤積厚度隨運行時間而變化，池底處于動床狀態，即使在流量不變的條件下，就整個工作段來講，池內水流屬于非均勻流，因此將沉沙池工作段分成3段計算池段(前兩段為40 m長，第3段為20 m的溢流堰段)，由上游向下游逐池段計算各時段的斷面流速、水深、水力半徑等沉降計算所需的水力參數及泥沙分組含沙量。計算池段下斷面分組含沙量：

(5)

工作段尾部設有溢流堰區時，全池分組沉降率為：

(6)

溢流堰出池分組含沙量Sif按照文獻[3]的出池含沙量相關計算公式進行計算。

經計算，沉沙池運行204 h時，設計最小沉降粒徑(0.25 mm)的泥沙沉降率為92.5%，全池沉降率為58.3%。

2.3 沉沙池淤積計算

定期沖洗式沉沙池的淤積床面隨時段變化較大，使得各時段的沉降率也不斷變化，因此要進行沉沙池淤積計算。沉沙池的沉沙運行過程中，隨著泥沙的不斷下沉，泥沙床面隨運行時間不斷變化，使水力條件不斷發生變化，所以淤積計算應逐時段分池段依次計算。

時段內的淤積體積計算公式為：

(7)

tj的歷時取值可據水沙條件和工作段長度確定，計算歷時越短，計算成果越精確。本文在計算過程中，對不同時段的泥沙淤積體積進行分析，選取不同的tj值，泥沙24 h的總淤積量見表3。

表3 不同時段24 h的泥沙淤積量計算表

從表3可以看出，隨著時段歷時的增加，計算的淤積量也在增加，本文計算中選取tj=1 h。

2.4 沉沙池沖洗計算

本文設計的沉沙池為三室交替運行，當其中某池室的沉沙容積淤滿，出池含沙量達不到設計標準時，應停止該池室的沉沙運行，及時關閉池室進口閘門，停止該池室進水，并開啟沖沙閘門進行沖洗。沉沙池的沖洗過程一般分為泄空沖洗、溯源沖洗和沿程沖洗3個階段。

本文根據文獻[3]進行定期沖洗式沉沙池3階段的沖洗計算。歷時204 h，單個池室的淤積體積為3 690 m3，沉沙池工作段起始淤積厚度為2.70 m，工作段末端泥沙淤積厚度為3.17 m，經計算，沖洗總歷時為1.397 h。

3 結 語

經計算，某電站定期沖洗式沉沙池單池室最小工作面積為75.60 m2，歷時204 h的泥沙運行過程中，泥沙淤積體積為3 690 m3，設計最小沉降粒徑(0.25 mm)的泥沙沉降率為92.5%，全池沉降率為58.3%，工作段起始淤積厚度為2.70 m， 沖洗總歷時1.397 h，沉沙運行歷時為沖洗歷時的146倍。沖洗效率較高，基本滿足本階段的設計要求。

[1] DL/T5107—1999,水電水利工程沉沙池設計規范[S].北京：中國電力出版社,2000.

[2] 黎運棻,楊晉營.定期沖洗式沉沙池三階段沖洗計算[J].水利水電技術,2007,38(5):8-11.

[3] 楊晉營.定期沖洗式沉沙池溢流堰出池含沙量計算[J].泥沙研究,2003,(6):39-44.

[4] 黃蔚萍,薛瑞,陳東運. 某水電站沉沙池方案比選設計研究[J].西北水電,2011,(5):23-25.

Study on Periodically Flushed Sand Trap

XUE Rui, LIN Lei-lei, ZHANG Miao, HUANG Wei-ping

(POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China)

In accordance with data on sediment of one hydropower project, the design process of the periodically flushed sand trap is presented. Through the proposed main control sizes of the sand trap, the settling velocity of the sand trap is calculated. Furthermore, the hydraulic parameters of the sand trap and a series of parameters such as settling rate, sediment siltation and flushing of the sand trap are calculated by section and by time period, providing the design of the periodically flushed sand trap with strong basis.

flushed sand trap; settling velocity; settling rate; sediment siltation; flushing

2014-05-29

薛瑞(1982- )，女，陜西省蒲城縣人,工程師，從事水工結構設計工作.

TV673+.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.008