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引水式电站泥沙的分级处理与涡管排沙式沉沙池

作者：佚名文章来源：技术论文点击数：更新时间：2008-10-13 8:56:27

根据在山溪性河流上修建低水头引水枢纽的经验，新型引水防沙枢纽有一个共同特点和发展趋势，即在立面上多层次防沙排沙与在平面上多级防沙排沙措施相结合^［1］，以达到多引水少进沙的目的。此外，泥沙类型有粗有细，大到卵石砾石，小到细沙粉土，如果采取集中一次处理的方法，不仅技术上难度大，不经济，处理后的泥沙集中堆积，也会造成新的危害。因此，就泥沙分类而言，也应采用不同的方法加以处理。
1 立面上多层次的防沙排沙
　　泥沙在水流中沿垂线分布的规律是上稀下浓，上细下粗。所以，引水建筑物的进水口尽量布置在水流表层，以便引取表层“清水”；而排沙设施则布置在靠近底层，以便少耗水而多排沙。利用弯道环流特性“正面引水，侧面排沙”或设置各种导流结构，改变局部水流结构及泥沙分布规律，也是经常采用的措施，不过最好通过水工模型试验验证其实际应用效果。
　　根据分层取水排沙原理设计的分层式引水枢纽，在国内外都有应用，前苏联中亚式及新疆和田地区的分层式渠首都属于这一类。这种渠首有一个隔水悬板，进水闸设在悬板以上，冲沙闸设在悬板以下。悬板进水部分又常设有溢流堰，进一步起撇清作用，所以运用效果较好。
　　引水枢纽的排沙，除利用冲沙闸及泄洪闸在泄洪时冲沙外，常在建筑物底板以下布设排沙廊道。由于廊道水流集中，冲刷力强，排沙效率高于明流冲沙槽，所以许多国家（印度、巴基斯坦、美国、前苏联等）在新建和改建引水防沙枢纽时常采用此形式。但是我国有些地区常因引水率大，冲沙水不足时排沙廊道容易堵塞，应用较少。
2 平面上的多级防沙排沙设施
　　引水枢纽在平面上的防沙设施可分三级或多级，第一级的防沙设施最为重要，其意义为“拒敌于国门之外”，不使泥沙进入引水建筑物。例如，在进水闸前的河床部分设冲沙闸、沉沙冲沙槽、导流堤、挡沙坎等设施，并将溢流堰尽量改为泄洪闸，兼排泥沙。这样，凡是通过枢纽下泄的洪水都有冲沙的作用。进水闸底板高于冲沙闸底板，以减少进闸泥沙。已经进入进水闸的泥沙，尽量携带远离进水闸，不使集中淤积，影响过水能力。这是引水枢纽的第一级防沙排沙措施，其基本原则是尽量不使泥沙进入引水渠道，已经进入的则设法通过第二、三级排沙设施加以处理。实践证明，采用分级引水的方式，可以减轻渠首的淤积。新疆玛纳斯河红山咀渠首，始建于50年代，设计流量105 m³/s，年引水量10亿m³，引水率高达90%。至70年代枢纽上下游淤积十分严重。70年代后期,在红山咀渠首上游15 km处，修建了二级电站渠首，设计引水流量56 m³／s，年引水量7～8亿m³，因而红山咀渠首的引水流量降至50 m³／s，年引水量3亿m³，渠首淤积问题基本解决。
　　引水枢纽的运行管理水平对防沙排沙的效果至关重要，各大型引水枢纽长期以来积累了大量宝贵的运行经验，对减少泥沙入渠，延长工程寿命，发挥工程效益起了重大作用。玛纳斯河二级电站渠首为一弯道式引水枢纽，设有上游泄洪闸、进水闸、冲沙闸，在引水渠0＋470处有一底坎式渠道冲沙闸，0＋900处有一漏斗排沙工程。当大河流量大于整治段的设计流量时，所有的排沙设施都发挥作用。上游泄洪闸冲沙减轻了进入弯道的泥沙；冲沙闸全开连续排沙，排走进入弯道的泥沙，防止泥沙人渠。部分进入干渠的泥沙，再由渠系排沙设施处理。当来水流量小于电站流量时，冲沙闸间歇排沙，主要用二、三级措施处理泥沙。由于来水来沙一般有对应关系，大水带大沙，充分发挥所有排沙设施的排沙作用是必要的，而在小流量时，来沙量也少，渠系上的排沙设施即足以解决问题，保存水量以增加工程效益。
　　平面上的二级防沙排沙措施一般是布设在离渠首不远处的排沙闸、截沙排沙管和个别渠首段沉沙池。第三级防沙排沙设施是各种形式的沉沙池。
3 对不同粒径泥沙的分级处理
　　山溪性河流来沙有粗有细，如果将所有有害粒径以上的泥沙集中在渠首一次处理，困难很大。如果采取分而治之的方法，先处理大粒径泥沙，允许中、细粒径的泥沙进入渠道，然后再用适当方法分别处理，便可将难点分散，处理费用也可以降低。粗细泥沙的运动规律不同，因此处理的方法也不同。砾、卵石以上的泥沙，在任何水流条件下总是以推移状态运动前进，所以一般总可以在闸前河床内加以处理。例如，将其沉积在沉沙冲沙槽内，通过排沙闸、冲沙槽将其排到下游。最能体现对泥沙分级处理的引水渠首形式是底拦栅式渠首，在拦栅以上常设挡沙坎、拦石栅挡住大的卵石通向拦栅坝的去路。如果挡沙坎前堆积的泥沙不能及时通过排沙闸排走，仍将有大量泥沙跃过挡沙坎通向拦栅坝。泥沙经过拦沙坝，小于栅隙粒径泥沙随水流进入廊道，经进水闸进入干渠。大于栅隙粒径的泥沙随水流排向下游。这是第一级的处理。进入干渠的细砾及粗沙仍以推移质状态沿渠运动。如果在渠道适当地点，离原河床不太远又有足够的落差，在渠底布设排沙涡管^［2］，将落入涡管的推移质排回原河道，这是第二级的处理。
　　经过两级处理，推移质中的绝大部分已处理殆尽，渠道中的泥沙只剩下悬移质了。根据规范及水电站运行实践，认为d＞0．25 mm的泥沙为有害粒径，不允许过机。因此，如何处理悬移质中的较粗部分便成为学者们关注的问题。悬移质泥沙随水流一起前进，在运动中将水沙分离远较处理推移质难。通常的作法是设沉沙池，改变水流速度，使部分泥沙沉降落淤，然后用间歇或连续冲洗的方法加以排除。这就是水电站或灌溉渠系中泥沙的第三级处理。从沉沙池出来的处理过的水流中仍有一定数量的悬移质，但其粒径较细，数量也较小，对水轮机不造成危害；带入农田，也无造成沙化的危险。
　　其他形式的引水枢纽，只是第一级的泥沙处理方式略有不同，但仍是将卵石推移质部分在渠首基本排除，砾石、粗沙以下仍难免入渠，留待二级以下排沙设施加以处理。
4 涡管排沙式沉沙地
　　金沟河渠首电站是修建在金沟河上的一座引水式电站，装机3×2 500 kW，有效水头69 m，下游原有一级电站及青年电站两个梯级，都深受泥沙危害。渠首电站的设计者吸取了新疆诸多电站的经验，采用分三级处理泥沙的方式，即在枢纽渠首处理d＞20 mm的卵石，在引水渠0＋125处设排沙涡管处理进入干渠的1～20 mm的推移质，余下的上d＜1 mm的悬移质另建沉沙池加以处理。
　　设计者在选择沉沙池形式时，曾对几种常见沉沙池作了分析对比。最后采用了我们建议的涡管排沙式沉沙池^［3］。所谓涡管排沙式沉沙池，实际上是一段断面扩大了的梯形断面衬砌渠道。进口段设渐变段，末端为溢流堰，高含沙水流进入沉沙池后，经过分选沉降，粗颗粒悬移质依次沉降下来，落到池底，然后经过几道排沙涡管，将沉降下来的泥沙排出，汇集起来排入河道。这种沉沙池将一般间歇冲洗式沉沙池的排沙设施改为几道排沙涡管，可以连续排沙运行，不需要停水冲沙，可以增加电站出力。一组排沙涡管可同时联合运行，也可分别间歇运行，达到不中断排沙，同时可以节约排沙用水的目的。
　　为了验证这种沉沙池运行的可靠性并进一步修正设计，我们进行了涡管排沙式沉沙池的试验研究^［4］。试验结果表明，模型中悬移质的分选沉降规律及涡管排沙效果都与设计意图一致。为了减小相邻涡管间淤积沙丘的高度，将原设计4排涡管建议改为7排，排沙总流量不变，仍为2．1 m³／s，即沉沙池设计流量的14%。沉沙池内表层清水经溢流堰进入下游电站引水渠道，在设计流量12．9 m³／s时，堰上水头为0．5 m。
　　金沟河渠首电站于1997年建成，一台机组发电。沉沙池于1998年建成投入使用，三台机组全部投产发电。在水文部门的协助下，进行了原型水沙观测。观测结果表明：经过涡管排沙式沉沙池处理过的水流，水质大为改善。悬移质中d＞0.25mm的部分仅占4.4%。汛后拆检水轮机发现，经过近两个汛期的运行，水轮机磨损现象轻微，但有明显空蚀现象，证明沉沙池排除悬移质中有害泥沙效果良好。在自治区水利厅科技成果鉴定会上，沙湾县金沟河渠首电站泥沙综合处理技术的应用课题被定为国内先进水平，其中涡管排沙式沉沙池属国内首创。现在该沉沙池已经过4个汛期的考验，运行正常，排沙效果良好，管理方便。如果能将溢流堰长度从23 m增加到50 m，溢流水头便可以从0．5 m降至0．3 m，根据悬移质沿垂线分布的特点，出流中的含沙量及泥沙粒径将大大减小。这种沉沙池也可用于灌溉工程及环境工程，某些城镇用水及工业用水的初步处理也可应用。如果对悬移质粒径有更高的要求，还可增加溢流长度，减小溢流水头。
　　涡管排沙式沉沙池，从运行特点上看，属于连续冲洗式沉沙池，但其冲沙道(涡管)均是各自独立，长度不大，又有螺旋流作用，不易被淤堵。各排沙涡管可连续排沙，也可间歇排沙，其总的排沙流量在设计条件下不超过沉沙池设计流量的15%。如果根据渠道来沙及沉沙池的泥沙沉积情况，拟定最优排沙方式，其排沙用水将大大低于其它形式的沉沙池，这也是此种沉沙池显著的优点。
5 结束语
　　低水头引水防沙枢纽种类繁多，其防沙排沙技术国内外均有许多发展和创新。在多沙河流上修建引水式电站，对泥沙的处理方式都不外对这些技术的综合利用。其中分级处理泥沙及涡管排沙式沉沙池可作为结合理论，应用防沙技术取得成功的范例，可供有关工程参考。

参考文献

［1］严晓达，等．低水头引水防沙枢纽［M］．北京：水力电力出版社，1990．
［2］张开泉，刘焕芳．涡管分水排沙规律的研究及其工程应用［J］．泥沙研究，1991，(4)．
［3］张开泉，刘焕芳．涡管排沙式沉沙池［J］．西北水资源与水工程，1999，(3)．
［4］刘焕芳，张开泉．水电站引水渠上涡营排沙式沉沙池试验研究［J］．水电站设计，1997，(4)．

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