小型水電站沉沙池設計

【摘要】根據該電站沉砂池工程實例，來具體說明沉沙池的設置條件、泥沙沉降標準和工作原理，通過對該沉沙池水力計算及具體布置，對類似工程沉沙池設計提供參考

【關鍵詞】水電站；沉沙池；工作深度；工作寬度；泥沙；懸移質泥沙

1、概況

某低壩徑流式引水電站，裝機容量2×8MW，額定水頭為127m，引用流量為15.52m3/s，2臺立式混流式機組，單機容量為8MW，設計選用的水輪機型號為HLA548-LJ-128。保證出力3970kW，年發電量7287萬kw.h，年利用小時數4554h。溢流壩最大壩高7m，引水線路總長（首部樞紐至前池）為5407.2 m。該電站主要由泄水建筑物、引水建筑物、發電廠房、開關站等建筑物組成。引水發電系統布置在左岸，由無壓引水隧洞、壓力前池、壓力管道和岸邊式廠房組成。

2、沉沙池的設置的必要性及原理

小型水電站無壓進水口應能防止有害泥沙進入引水道，以免淤積引水道，降低過流能力，以及磨損水輪機轉輪及過流部件，進水口常設攔沙坎，截住沿河底滾動的推移質泥沙，并通過沖沙孔或沖沙廊道排至下游。

對于多泥沙河流，為了避免大顆粒的泥沙進入水輪機，通常在無壓進水口后修建沉沙池。沉沙池的基本原理是加大過水斷面形成圴勻的低流區，減小水流的挾沙能力，使有害泥沙沉積在池內，而讓清水進入引水道。沉沙池的水流平均流速一般為0.25-0.7m/s，視有害泥沙粒徑而定，沉沙池要有足夠的長度。

3、沉沙池的設置條件及泥沙沉降設計標準

設置沉沙池的初步判別條件當過機多年平均含沙量Sp及過機多年平均粗粒徑含沙量S′p與水輪機額定水頭Hr的交點處， 根據水利水電工程沉砂池設計規范中水電站設置沉沙池的初步判別條件圖在C區，需設置沉沙池。

4、沉沙池的水力計算

沉沙池采用定期沖洗式，由該電站額定水頭（127m）確定沉沙池設計最小沉降粒徑為0.25mm，工作流量為15.52m3/s。定期沖洗式沉沙池為沉沙與沖洗交替運行連續供水的沉沙池。即當沉沙池中池室淤積到一定程度后，出池含沙量及其粒徑超過泥沙沉降設計標準時，及時進行沖洗，以恢復沉沙容積。

4.1 工作深度計算

4.1.1 工作段進口水深

H≤ΔZ+q/Vc-（iLw+i0L0）

式中：

H——工作段進口水深（m）

ΔZ——工作段進口水位與排沙道出口天然河道水位差（m）

q——排沙道沖沙單寬流量m3/（s·m）

Vc——排沙道出口沖沙流速（m/s）

i——沉沙池工作段底坡

Lw—— 沉沙池工作段長度（m）

i0——排沙道底坡

L0——排沙道長度（m）

經計算沉沙池長度為40m，工作段進口水深為5.22m，

4.1.2 工作段進口工作深度

He=H-ΔHk

式中：

He——工作段進口工作深度（m）

ΔHk——工作段進口設計泥沙淤積厚度（m）

經計算沉沙池工作段進口工作深度為3.92m。

4.2 工作寬度計算

B=Q/HwV

式中：

Q——工作流量（m3/s）

V——工作段平均流速（m/s）當沉降最小粒徑為0.25mm時其值可選0.25-0.55 m/s

Hw——平均工作深度（m）

經計算沉沙池工作寬度為6m。

4.3 工作段縱向底坡

定期沖洗式沉沙池的工作段應具有足夠的縱向底坡

且應滿足下式

式中V1c-工作段沖沙流速

經計算i≥0.06/1000，本沉沙池工作段縱向坡度取15/1000滿足要求

4.4 懸移質泥沙沉速的計算

采用沙玉清天然沙沉速公式

（lgSa+3.790）2+（lgψ-5.777）2=39.0

Sa=w/（g1/3·（ρs/ρw-1）1/3·γ1/3）

ψ=g1/3·（ρs/ρw-1）1/3·d/（10·γ2/3）

式中：

d——泥沙粒徑（mm）

ρs——泥沙密度（g/cm3）

ρw——清水密度（g/cm3）

w——泥沙沉速（cm/s）

g——重力加速度（cm/s2）

Sa——沉速判數

ψ——粒徑判數

經計算泥沙沉速為0.01882m/s。

4.5 沉降率計算

4.5.1 池段分組沉降率計算

ηik=1-（Si（k+1）/Sik）

式中：

ηik——k池段i粒徑組沉降率

Sik 、Si（k+1）——k池段上、下斷面分組含沙量（kg/m3）

4.5.2全池分組沉降率計算

ηi——全池i粒徑組沉降率

經以上計算：大于0.25mm粒徑級的泥沙沉降率為82%，在規范要求的范圍內。（80%～85%）

5、沉沙池布置

采用C20鋼筋砼箱式結構，全長為40m，寬為6m，最大工作水深為5.9m。其中：上游聯接段長8m，底寬由2.8m變到6m，底板高程為565.90～563.28m；工作段長為32m，共分2段，兩段間設結構縫，縫間設652橡皮止水，底部設30×30cm縱橫排水暗溝，工作段設計底坡i=15‰，底板高程為563.28m～562.80m。邊墻頂寬400mm，頂高程569.50m，內邊坡為1：0.05，外邊坡為1：0.1。工作段末端設有沖沙節制閘，閘室長為2.8m，因埋深大，故為一矩形豎井，直達地面便于檢修。井頂高程為576.90m，啟閉層高程為573.90m，閘室底板高程為565.90m，設一尺寸為2.8×2.8m平面鋼閘門，采用一臺QP-100KN卷揚式啟閉機進行啟閉操作。沉沙池沖沙道斷面尺寸為b×h=1.8×2.0m，長度為72m，在沖沙道0+015m處設排沙閘，閘室為豎井型式，閘門尺寸為1.8×2.0m（寬×高）平面鋼閘門，采用一臺QP-100KN卷揚式啟閉機進行啟閉操作，閘門的起閉平臺高程為569.00m，豎井頂板高程為574.00m（高于下游校核洪水位）。沖沙流速為3.71m/s，沖沙過閘水流直接泄入原河道。

6、結語

小型水電站大部分位于深山峽谷區，且多為徑流式引水電站，洪水期受到洪水泥沙的影響，因此在電站設計中，要根據河流特征，對有害泥沙進行合理的水工處理。通過合理的設置沉沙池，最大限度的降低泥沙對小型水電站正常運行的影響，充分發揮電站的經濟效益。

參考文獻：

[1]水電站，韓菊紅，溫新麗，馬躍先，黃河水利出版社，2003年8月