定期沖洗式沉沙池的沖洗計算研究

洪 振 國

(云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650021)

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定期沖洗式沉沙池的沖洗計算研究

洪 振 國

(云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650021)

以中小型水利水電站沉沙池為研究對象，在準(zhǔn)靜水沉降法基礎(chǔ)上，選取了危害泥沙粒徑、紊動修正系數(shù)、泥沙沉降率、泥沙淤積物干密度的合理值，提出了無泥沙資料的沉沙池沖洗計算方法。危害泥沙粒徑根據(jù)沉沙池額定水頭、多年平均含沙量、工程規(guī)模、水輪機(jī)材料的耐磨性能及加工制造水平選取，紊動修正系數(shù)按泥沙實際運動規(guī)律選取，泥沙沉降率根據(jù)水工設(shè)計手冊選取，泥沙淤積物干密度結(jié)合國內(nèi)原型觀測和模型試驗及運行實踐選取。以麻子河一級水電站為例進(jìn)行計算，計算表明：無泥沙資料的沉沙池沖洗計算方法的計算結(jié)果與模型試驗一致。水電站10年來的實際運行效果顯示：基于該方法的中小型水電站沉沙池設(shè)計是切實可行的。

水利工程；水電站；沉沙池；泥沙；沖洗計算

0 引 言

在無調(diào)節(jié)能力的多泥沙河流引水時，為了防止水中有害的或過多的泥沙進(jìn)入渠道，減少渠道淤積或水輪機(jī)、水泵的磨損，常設(shè)計修建沉沙池[1]。若對水電站沉沙池的泥沙不按時沖洗，沉沙池淤積將會較嚴(yán)重，隨著淤積的發(fā)展，進(jìn)入渠道的泥沙數(shù)量將不斷增加，泥沙粒徑逐漸變粗。挾帶大量粗沙的水流，通過輪機(jī)時將引起磨損問題，水輪機(jī)磨損使機(jī)組效率下降，出力不足，強度削弱，嚴(yán)重時不得不停機(jī)修理，不僅影響了發(fā)電而且檢修工程量很大，造成很大經(jīng)濟(jì)損失[2]，通過定期沖洗式沉沙池沖洗計算，可以得到?jīng)_洗周期、沖沙歷時和沖洗流量，對沉沙池布置、運行設(shè)計及經(jīng)濟(jì)分析等提供重要依據(jù)，所以有必要對沉沙池的沖洗計算進(jìn)行深入研究。

目前沉沙池沖洗計算方法有沖洗過程計算方法和準(zhǔn)靜水沉降法兩種方法，沖洗過程計算方法是SL269—2001《水利水電工程沉沙池設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)采用的計算方法，即分別計算沉沙池的泄空沖洗、溯源沖洗和沿程沖洗3個沖洗過程歷時，沉沙池沖洗歷時為這3個過程總的歷時。準(zhǔn)靜水沉降法為在靜水中的泥沙沉降速度修正，通過沙沉降速度修正后得到動水中泥沙沉降速度，利用動水中泥沙的沉降速度來確定沉沙池的各個斷面級配、含沙量及長度。采用重力理論計算得到沉沙池的長度尺寸，即為設(shè)計要求的最小沉降粒徑泥沙顆粒剛好在沙池的最末端沉降的長度[3]。但是沖洗過程計算和準(zhǔn)靜水沉降法兩種方法有試驗資料和設(shè)計所需要資料時才計算，基于目前中小型水利水電工程建筑物沉沙池設(shè)計時，沉沙池設(shè)計資料也只有含泥沙量和引水流量，無法根據(jù)目前的沉沙池沖洗方法計算,有必要對無泥沙資料的沉沙池沖洗進(jìn)行計算研究,筆者先介紹了目前沉沙池沖洗計算常用的兩種方法(沖洗過程計算和準(zhǔn)靜水沉降法)，然后基于準(zhǔn)靜水沉降法，通過改進(jìn)方法選取沉沙池的危害泥沙粒徑，按泥沙實際運行動規(guī)律選取紊動修正系數(shù)，通過查水工設(shè)計手冊的泥沙沉降百分?jǐn)?shù)計算曲線選取泥沙沉降率，結(jié)合國內(nèi)原型觀測和模型試驗和運行實踐選取泥沙淤積物干密度，提出無泥沙資料時沉沙池沖洗計算方法，并對麻子河一級水電站沉沙池的運行情況進(jìn)行了實例分析。

1 沖洗過程計算

模型試驗、原型觀測和運行實踐表明，水利工程定期沖洗式沉沙池的沖洗過程可概化為泄空沖洗、溯源沖洗和沿程沖洗3個階段。

1.1 泄空沖洗

1.1.1 泄空沖洗排沙體積

確定沉沙池基本尺寸，并掌握泥沙淤積形態(tài)及水面線后，可利用沉沙池泄空沖洗排沙體積公式計算：

(1)

式中：Vw為沉沙池泄空沖洗起始淤積面以上的水體體積，m3；Vc為沉沙池泄空沖洗排沙體積，其值等于沉沙池控制水位以下的體積減去沉沙池的泥沙淤積體積，m3；S為沉沙池泄空沖洗出池平均含沙量，kg/m3；ρd為淤積泥沙干密度，t/m3。

在《規(guī)范》中沒有介紹沉沙池泄空沖洗排沙含沙量計算，設(shè)計中通常是通過原型觀測統(tǒng)計分析或模型試驗資料，按式(2)沉沙池泄空沖洗過程平均含沙量公式計算：

(2)

式中：Sj為j時段平均排沙含沙量,kg/m3；Δtj為j時段長,h；j為時段編號，j=1，2，…，n；S為沖洗過程平均排沙含沙量,kg/m3。

泄空沖洗排沙體積計算關(guān)鍵是合理選擇平均排沙含量S及可泄空排出的淤積泥沙干密度ρd。

1.1.2 泄空沖沙歷時

(3)

式中:tc為泄空沖沙歷時,h；Qc為池室平均泄空流量，m3/s；其他符號含義同前。

1.2 溯源沖洗

1.2.1 各沖洗塊體單寬輸沙率

以沉沙池末沖沙閘前的池底板為基點，將溯源沖洗階段概化為n個計算沖洗塊體，逐塊計算，各沖洗塊單寬輸沙率可用式(4)近似計算：

(4)

1.2.2 溯源沖洗歷時

(5)

式中：ts為池室溯源沖洗歷時，h；bi為計算塊體平均寬度；Qs為池室沖洗流量，m3/s；Vsi為計算沖洗塊體的淤沙體積，m3；S0為沖洗水流入池含沙量，kg/m3；其他符號含義同前。

1.3 沿程沖洗

1.3.1 沿程沖洗出池平均含沙量

(6)

式中：S*為沿程沖洗出池平均含沙量，kg/m3；U為沿程沖洗平均流速，m/s；R是沿程沖洗平均水力半徑，m；ω為大于d10淤沙粒徑的平均沉速，m/s；K，m分別為系數(shù)和指數(shù)[3]。

1.3.2 沿程沖洗歷時

(7)

式中：ty為沿程沖洗歷時，h；Vy為沿程沖洗階段排沙體積，m3；其他符號含義同前。

1.4 沖洗總歷時

t=K(tc+ts+ty)

(8)

式中：t為沖洗總歷時，h；K為工作安全系數(shù)，可取K=1.2～1.4。

2 準(zhǔn)靜水沉降法計算

2.1 沉沙池工作長度計算

靜水沉降法指在不考慮水流紊動作用影響時，假定水流的平均流速不變，泥沙顆粒在水流和自身重力作用下，將沿線下沉。實際上沉沙池內(nèi)水流的流速并不是常數(shù)，又由于沉沙池內(nèi)水流有紊動作用，紊流強度越靠近底部越大，所以泥沙下沉的軌跡并不是直線而是曲線?？紤]上述影響，必須對靜水沉降法進(jìn)行修正，將計算長度乘以一個紊動修正系數(shù)K，就得到用準(zhǔn)靜水沉降法計算沉沙池工作長度公式[4]：

(9)

式中：Hp為池廂首端的工作水深，m；U為池廂首端流速，m/s；ω為泥沙計算粒徑的沉降速度，m/s。

2.2 各粒徑組泥沙平均沉速

(10)

2.3 分組沉降率

(11)

式中：ηi為計算段某粒徑組泥沙分組降率；V為計算段平均流速，m/s；H為計算段平均水深，m。

2.4 大于第j粒徑組泥沙沉降率

(12)

式中：ηj為大于第j粒徑組泥沙沉降率；ΔP0i為沉沙池進(jìn)口斷面某粒徑組泥沙的重量百分?jǐn)?shù)。

2.5 沉沙池的日淤積體積

(13)

式中：WS為沉沙池的日淤積體積，m3/d；Q為沉沙池工作流量，m3/s；η為沉降率；T為設(shè)計沖洗周期，d；其他符號含義同前。

2.6 沖洗周期

(14)

式中：T為設(shè)計沖洗周期，d；V0為設(shè)計淤積體積，m3；其他符號含義同前。

2.7 沉沙池的沖沙歷時

(15)

式中：t是沖沙歷時，s；Se是沖沙水流中的含沙量，kg/m3；V0是沉沙池的沉沙容積，m3；q是沖沙單寬流量；B是沉沙池的工作段寬度，m。

3 無泥沙資料沉沙池沖洗計算

在沉沙池設(shè)計實踐中，基于準(zhǔn)靜水沉降法，通過改進(jìn)方法選取沉沙池的危害泥沙粒徑，按泥沙實際運行動規(guī)律選取紊動修正系數(shù)，通過查水工設(shè)計手冊的泥沙沉降百分?jǐn)?shù)計算曲線選取泥沙沉降率，結(jié)合國內(nèi)原型觀測和模型試驗和運行實踐選取泥沙淤積物干密度，提出無泥沙資料時沉沙池沖洗計算方法，即只有引水流量和含沙量，沒有分組粒徑含沙量、各粒徑泥沙在動水中的沉降速度、淤積物干密度及泥沙密度等試驗資料，計算沉沙效率、沉沙池淤積厚度，最后計算總的淤積量及沖洗時間的方法。下面以麻子河一級電站沉沙池為例，探討無泥沙資料時沉沙池沖洗計算設(shè)計方法。

3.1 工程概況

麻子河一級水電站位于金平縣麻子河中上游河段，為麻子河4個梯級開發(fā)的第一級電站。電站裝機(jī)規(guī)模3.6×2 MW，額定水頭137.1 m，引用流量6.24 m3/s，河流多年平均含沙量1.20 kg/m3，是一座以發(fā)電為單一任務(wù)徑流式電站。工程規(guī)模為小(2)型水電站，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物按5級設(shè)計，次要建筑物按5級設(shè)計。工程樞紐由取水口、沉沙池、有壓引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、廠房及升壓站組成[6-9]。

麻子河一級水電站沉沙池采用定期沖洗式，為了使沉沙效果好且便于排沙泄水，沉沙池整體呈直線布置，采用正向進(jìn)水、正向沖沙。沉沙池由首部擴(kuò)散段、池身段、溢流側(cè)堰、沖沙閘室及沖沙泄水道等部分組成。

3.2 沉沙池沉降泥沙危害粒徑選取

沉沙池的危害泥沙粒徑選取的合理與否，不僅直接關(guān)系到沉沙池的工程造價，而且還會影響水輪機(jī)磨損強度及后期電站運行效果，因此對沉沙池危害粒徑的選取非常重要。

在《規(guī)范》中沉沙池的危害泥沙粒徑選取僅跟額定水頭有關(guān)，但是通過對國內(nèi)文獻(xiàn)進(jìn)行分析和工程實踐表明，當(dāng)水電站設(shè)計水頭高，通過水輪機(jī)含沙量大，工程規(guī)模大，水輪機(jī)材料的耐磨性能及加工制造水平差時，泥沙危害粒徑選取小值[10-11]。因此沉沙池的危害泥沙粒徑選取不僅與額定水頭有關(guān)，且跟多年平均含沙量、工程規(guī)模、水輪機(jī)材料的耐磨性能及加工制造水平等有關(guān)。

由于麻子河一級水電站額定水頭137.1 m、河流多年平均含沙量1.20 kg/m3、沉沙池工程規(guī)模為小(2)型水電站、向水機(jī)設(shè)計及廠家咨詢水輪機(jī)的磨損性能，所以沉沙池設(shè)計的危害最小粒徑取0.25 mm。

3.3 沉沙池的基本尺寸確定

2016年6月，信息工程學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)班子在深入調(diào)研的基礎(chǔ)上與合肥城市云數(shù)據(jù)中心股份有限公司建立校企合作關(guān)系。合肥市云數(shù)據(jù)中心有限公司在我院成立“生產(chǎn)，研究，學(xué)校和企業(yè)合作培訓(xùn)基地”與此同時，我院合肥市云數(shù)據(jù)中心有限公司也上市成立了“實習(xí)培訓(xùn)基地”。

3.3.1 沉沙池首端的工作水深

麻子河一級電站為滿足沉降率的要求，增大沉沙池的寬度，水流速度減小，水流挾沙能力降低[10]，沉沙池的工作段水深盡可能取淺，這樣豎向沉距小，可提高沉降率。所以選取沉沙池工作段進(jìn)口水深H=3.4 m。沖沙前的淤積高度hy取池廂首端水深的0.25～0.3倍，考慮到取大值沉沙池寬度太寬，不利于和渠道的連接，故取hy=0.25H=0.85 m。沉沙池首端的工作水深Hp=H-hy=2.55 m。

3.3.2 沉沙池的工作段寬度

(16)

式中：B為沉沙池的工作段寬度，m；Hp為沉沙池首端的工作水深，m；Q為沉沙池工作流量(對定期沖洗式水電工程沉沙池為引用流量)，m3/s；V為沉沙池工作段水流的平均流速。

文獻(xiàn)[12]和實踐經(jīng)驗表明，沉沙池工作段水流的平均流速，可根據(jù)沉降粒徑的大小選取，當(dāng)沉降最小粒徑為0.25 mm時，水流的平均流速取0.25～0.55 m/s比較合理。

由于麻子河一級水電站沉沙池平均流速為0.45 m/s，經(jīng)式(16)計算，沉沙池的工作段寬度B=5.4 m。

3.3.3 沉沙池的長度

沉沙池的長度與池內(nèi)設(shè)計流速、工作水深、泥沙粒徑大小及場地條件等因素有關(guān)。沉沙池設(shè)計規(guī)范沒有給出具體的計算公式，沉沙池的長度采用準(zhǔn)靜水沉降法〔式(9)〕計算。

由于無實測數(shù)據(jù)，粒徑的沉降速度按文獻(xiàn)[12]來取值，0.25 mm粒徑的沉降速度ω=0.024 4 m/s，沉沙池平均流速V=0.45 m/s，由式(9)計算得，沉沙池的長度L=56.5 m。

3.3.4 沉沙池的底坡

定期沖洗式沉沙池的工作段縱向底坡i應(yīng)滿足式(17)：

(17)

式中：V1c為工作段沖沙流速，m/s；C為謝才系數(shù)；R為沖沙時平均水深為h時的水力半徑，m。

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，沖沙時平均水深h為沉沙池平均水深的10%～30%，即h=(0.1～0.3)Hp=0.255～0.765 (m)。同時由于麻子河一級水電站引用流量Q=6.24 m3/s，工程等別為Ⅴ等，沉沙池為5級建筑物，沖沙時平均水深取小值，所以平均水深h=0.34 m。

3.4 沉沙池的沉降率計算

由于沉沙池工作流量Q=6.24 m3/s，沉沙池首端工作水深Hp=2.55 m，沉沙池的工作段寬度B=5.4 m，沉沙池底坡i0=0.02，沖沙前的淤積高度hy0.85 m，則沉沙池末端在淤積時間內(nèi)的平均深度Hj末= 3.54 m；沉沙池末端的平均流速Vj末=0.35 m/s ；平均坡度i=0.5×i0=0.01。

根據(jù)Hj末/Lj末，ω/Vj末及i，查文獻(xiàn)[12]中泥沙沉降百分?jǐn)?shù)計算曲線知沉降率P末=80%，滿足設(shè)計要求。

3.5 沉沙池的淤積體積及沖洗計算

3.5.1 沉沙容積

沉沙池的設(shè)計淤積體積為[12]：

V0=B(hy+i0L/2)×L

(18)

式中：V0為沉沙池的設(shè)計淤積體積，m3；其他符號含義同前。

經(jīng)式(18)計算得，沉沙池的設(shè)計淤積體積V0=432 m3。

3.5.2 沉沙池的日淤積體積

計算無泥沙資料沉沙池的日淤積體積時，將準(zhǔn)靜水沉降法計算公式(14)代入式(13)得到式(19)：

(19)

式(19)中計算參數(shù)關(guān)鍵是泥沙淤積物干密度，而在沉沙池設(shè)計時泥沙淤積物沒有實測的干密度，同時《規(guī)范》中也沒有明確規(guī)定，由國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)[1，12]和實踐經(jīng)驗可知，泥沙淤積物干密度ρd通常取1.2～1.6 t/m3比較合理。

由于沉沙池的入池平均含沙量S0=1.20 kg/m3，沉降率η=80%， 經(jīng)式(19)計算得沉沙池的日淤積體積WS=373 m3/d。

3.5.3 沖洗周期

由式(14)計算得沉沙池的沖洗周期T=1.2 d。定期沖式沉沙池洗周期與淤積容積成正比，當(dāng)沉沙池沖洗周期短時，淤積容積小，沉沙池工程量減少，但對發(fā)電造成不利影響；沖洗沉沙池周期長時，沉沙淤積容積增大[13]，增加了工程量，但對發(fā)電有利。因此應(yīng)根據(jù)工程的實際情況，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定合理的沖洗周期和淤積容積尺寸，通常淤積時間在1～7 d范圍內(nèi)選定。

3.5.4 沉沙池的沖沙歷時

式(15)中沖沙水流中的含沙量和沉沙池的淤積物干密度是關(guān)鍵參數(shù)，而在沉沙池設(shè)計時沒有實測沖沙水流中的含沙量和沉沙池的淤積泥沙干密度，《規(guī)范》規(guī)定沖沙水流中的含沙量Se一般取20～85 kg/m3，根據(jù)文獻(xiàn)[12]，沉沙池的淤積泥沙干密度ρd可取1.2～1.6 t/m3。同時由于麻子河一級水電站額定水頭為137.1 m，河流多年平均含沙量等于設(shè)計沖洗周期內(nèi)入池平均含沙量S0=1.20 kg/m3，沉沙池為5級建筑物，沉沙池的沖沙水流中的含沙量S=85 kg/m3，淤積泥沙干密度ρd=1.2 t/m3。

由于麻子河一級水電站沉沙池沖沙單寬流量q=1.36 m2/s，經(jīng)式(15)計算可得，沉沙池的沖沙歷時t=20 min。

3.6 沖洗效果

麻子河一級電站沉沙池嚴(yán)格按設(shè)計要求沖洗，水電站經(jīng)過10 a的運行，水輪機(jī)尚未進(jìn)行過大修，水輪機(jī)破壞極其輕微，僅發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪有兩個葉片下部靠出水邊處有海錦狀氣蝕破壞，蝕坑微小。所以沉沙池沖洗計算值與實際的運行情況基本相符，中小型水電站沙池沖洗計算設(shè)計是切實可行的，它從根本上解決了無泥沙資料時定期沖洗式沉沙池的泥沙淤積和沖沙計算。

4 結(jié) 語

無泥沙資料沉沙池沖洗計算用于中小型水利水電工程建筑物，設(shè)計資料也只有引水流量和含沙量。根據(jù)額定水頭有關(guān)、多年平均含沙量、工程規(guī)模、水輪機(jī)材料的耐磨性能及加工制造水平等精準(zhǔn)地選取沉沙池的危害泥沙粒徑。由危害泥沙粒徑的大小決定沉沙池工作段水流的平均流速和沉沙池的寬度更為合理。按泥沙實際運行動規(guī)律選取紊動修正系數(shù)，通過查水工設(shè)計手冊的泥沙沉降百分?jǐn)?shù)計算曲線選取泥沙沉降率，結(jié)合國內(nèi)原型觀測和模型試驗和運行實踐選取泥沙淤積物干密度，因此它從根本上解決了無泥沙資料沖洗計算課題。

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Scouring Calculation of Periodic Flushing Settling Basin

Hong Zhenguo

(Yunnan Water & Hydropower Engineering Investigation, Design & Research Institute, Kunming 650021, Yunnan, China)

Taking sediment basin of small and medium hydropower station as the research object, the reasonable values of the harmful sediment particle size, the turbulence modified coefficient, the sediment deposition rate and the dry density of sediment deposition were selected on the base of quasi hydrostatic settlement method. And the calculation method without sediment data for dredging and scouring sediment basin was proposed. The harmful sediment particle size was selected according to the rated head of the sediment basin, the mean annual sediment content, the scale of engineering, the performance of wear resistance as well as the manufacturing and processing quality of hydraulic turbine material. The turbulence modified coefficient was selected according to the actual motion rules of sediment. The sediment deposition rate was selected according to the hydraulic design handbook. The dry density of sediment deposition was selected according to the prototype observation, the model test and the operation practice. Taking Mazihe first-grade hydropower station as an example, the calculation indicates that the calculation result of the calculation method without sediment data for dredging and scouring sediment basin is in accordance with that of the model test. The actual 10-year operating effect of the hydropower station shows that it is feasible to design sediment basin of small and medium hydropower station by using the proposed calculation method.

hydraulic engineering; hydropower station; sediment basin; sediment; scouring calculation

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.16

2014-10-14；

2014-11-23

洪振國(1976—)，云南洱源人，高級工程師，主要從事水工建筑物設(shè)計方面的研究。E-mail:402897694@qq.com。

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1674-0696(2015)06-084-05