某水電站定期沖洗式沉沙池設(shè)計(jì)研究

薛 瑞,藺蕾蕾,張 淼,黃蔚萍

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)01—0030—04

某水電站定期沖洗式沉沙池設(shè)計(jì)研究

薛 瑞,藺蕾蕾,張 淼,黃蔚萍

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

依據(jù)某水電站的泥沙資料，提出本工程定期沖洗式沉沙池的設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)初擬沉沙池的主要控制尺寸，計(jì)算沉沙池的泥沙沉速，并逐時(shí)段分段的計(jì)算沉沙池的水力參數(shù)及泥沙沉降率、泥沙淤積及沖洗等一系列參數(shù)，為電站的定期沖洗式沉沙池設(shè)計(jì)提供有力依據(jù)。

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(guò)流斷面大、流速小，使得水流中大于設(shè)計(jì)沉降粒徑的泥沙得到沉降，出池含沙量得到減小，進(jìn)而用于減輕泥沙對(duì)水輪機(jī)的磨損而設(shè)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(zhǎng)4.0 km，引用流量117 m3/s，電站裝機(jī)容量120 MW，安裝2臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)。電站過(guò)機(jī)多年平均含沙量8 kg/m3，電站額定水頭為100 m，依據(jù)DL/T5107—1999,水電水利工程沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)范[1],設(shè)置沉沙池的初步判別條件，本工程需設(shè)置沉沙池。

根據(jù)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(yùn)行特點(diǎn)是能夠連續(xù)供水，且引水效率較連續(xù)式沉沙池高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。定期沖洗式沉沙池的布置主要包括引渠、進(jìn)口連接段、工作段(包括溢流堰區(qū))和沖排沙設(shè)施。

電站額定水頭為100 m，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，泥沙設(shè)計(jì)最小沉降粒徑為0.25 mm，懸移質(zhì)泥沙級(jí)配見表1。

表1 懸移質(zhì)泥沙級(jí)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(jù)文獻(xiàn)[1],經(jīng)初步計(jì)算，定期沖洗式沉沙池由3個(gè)洞室組成(見圖1)，單個(gè)洞室的引用流量Q為39 m3/s，每個(gè)洞室的工作長(zhǎng)度L為100 m(包括20 m溢流堰區(qū))，寬度B為12 m，進(jìn)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(jìn)口工作深度計(jì)算

進(jìn)口工作深度的計(jì)算依據(jù)沉沙池沖沙，運(yùn)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(yùn)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(zhǎng)度；i0為排沙道底坡；L0為排沙道長(zhǎng)度；

1.2 工作寬度驗(yàn)算

He=H-ΔHa

(2)

式中：ΔHa為沉沙池運(yùn)行期允許淤積厚度，取0.3H。

運(yùn)行期He為6.3 m，池內(nèi)平均流速為0.515 m/s。

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

1.3 縱向底坡

縱向底坡應(yīng)滿足式(3)：

(3)

設(shè)計(jì)中擬定沉沙池的縱向底坡為0.02，由計(jì)算可知，滿足規(guī)范要求。

2 沉沙池水力計(jì)算

定期沖洗式沉沙池的水力計(jì)算主要包括泥沙沉速計(jì)算、泥沙沉降計(jì)算及沖洗計(jì)算。

2.1 沉速計(jì)算

沉速采用沙玉清天然沙沉速公式計(jì)算[2-3]：

[lg(Sa)+3.790]2+[lg(ψ)-5.77]2=39.0

(4)

沉速判數(shù)：

粒徑判數(shù)：

式中：ν為水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，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(jì)算結(jié)果見表2。

表2 泥沙沉速計(jì)算結(jié)果表

2.2 泥沙沉降計(jì)算

按動(dòng)床計(jì)算沉沙池的沉降量和床面淤積過(guò)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(yùn)行時(shí)間而變化，池底處于動(dòng)床狀態(tài)，即使在流量不變的條件下，就整個(gè)工作段來(lái)講，池內(nèi)水流屬于非均勻流，因此將沉沙池工作段分成3段計(jì)算池段(前兩段為40 m長(zhǎng)，第3段為20 m的溢流堰段)，由上游向下游逐池段計(jì)算各時(shí)段的斷面流速、水深、水力半徑等沉降計(jì)算所需的水力參數(shù)及泥沙分組含沙量。計(jì)算池段下斷面分組含沙量：

(5)

工作段尾部設(shè)有溢流堰區(qū)時(shí)，全池分組沉降率為：

(6)

溢流堰出池分組含沙量Sif按照文獻(xiàn)[3]的出池含沙量相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算，沉沙池運(yùn)行204 h時(shí)，設(shè)計(jì)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(jì)算

定期沖洗式沉沙池的淤積床面隨時(shí)段變化較大，使得各時(shí)段的沉降率也不斷變化，因此要進(jìn)行沉沙池淤積計(jì)算。沉沙池的沉沙運(yùn)行過(guò)程中，隨著泥沙的不斷下沉，泥沙床面隨運(yùn)行時(shí)間不斷變化，使水力條件不斷發(fā)生變化，所以淤積計(jì)算應(yīng)逐時(shí)段分池段依次計(jì)算。

時(shí)段內(nèi)的淤積體積計(jì)算公式為：

(7)

tj的歷時(shí)取值可據(jù)水沙條件和工作段長(zhǎng)度確定，計(jì)算歷時(shí)越短，計(jì)算成果越精確。本文在計(jì)算過(guò)程中，對(duì)不同時(shí)段的泥沙淤積體積進(jìn)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(shí)段24 h的泥沙淤積量計(jì)算表

從表3可以看出，隨著時(shí)段歷時(shí)的增加，計(jì)算的淤積量也在增加，本文計(jì)算中選取tj=1 h。

2.4 沉沙池沖洗計(jì)算

本文設(shè)計(jì)的沉沙池為三室交替運(yùn)行，當(dāng)其中某池室的沉沙容積淤滿，出池含沙量達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)停止該池室的沉沙運(yùn)行，及時(shí)關(guān)閉池室進(jìn)口閘門，停止該池室進(jìn)水，并開啟沖沙閘門進(jìn)行沖洗。沉沙池的沖洗過(guò)程一般分為泄空沖洗、溯源沖洗和沿程沖洗3個(gè)階段。

本文根據(jù)文獻(xiàn)[3]進(jìn)行定期沖洗式沉沙池3階段的沖洗計(jì)算。歷時(shí)204 h，單個(gè)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(jīng)計(jì)算，沖洗總歷時(shí)為1.397 h。

3 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)計(jì)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(shí)204 h的泥沙運(yùn)行過(guò)程中，泥沙淤積體積為3 690 m3，設(shè)計(jì)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(shí)1.397 h，沉沙運(yùn)行歷時(shí)為沖洗歷時(shí)的146倍。沖洗效率較高，基本滿足本階段的設(shè)計(jì)要求。

[1] DL/T5107—1999,水電水利工程沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社,2000.

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

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

[4] 黃蔚萍,薛瑞,陳東運(yùn). 某水電站沉沙池方案比選設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作.

TV673+.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.008