烏依布拉克水電站沉沙池設(shè)計(jì)比選及水力特性分析

何江濤

（新疆電力設(shè)計(jì)院 新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

烏依布拉克水電站工程地處新疆自治區(qū)烏什縣境內(nèi)，位于烏依布拉克河出山口下游階地上。國(guó)電烏什烏依布拉克河一級(jí)水電站工程屬?。?）型，所處地形比較單一，地質(zhì)條件良好，布置為從烏依布拉克河引水，通過(guò)引水樞紐的底欄柵式引水工程上河坎后修建沉沙池、壓力管道進(jìn)水口、壓力管道、廠房、尾水升壓站等主要建筑物。河流泥沙主要來(lái)自汛期，估算得烏依布拉克河的年懸移質(zhì)輸沙量為14.2×104t，汛期的大量泥沙會(huì)影響水電站的正常運(yùn)行，因此，必須設(shè)置有效的沉沙池結(jié)構(gòu)來(lái)控制水流中泥沙粒徑。

2 沉沙池設(shè)計(jì)比選

2.1 沉沙池形式設(shè)計(jì)

根據(jù)工程地質(zhì)條件，擬設(shè)計(jì)渠首沉沙方案有兩種：

（1）方案一采用定期沖洗式箱型沉沙池：在引水暗渠0+063.7后處布置定期沖洗式箱型沉沙池。箱型沉沙池由上游連接段、工作段（包括溢流堰區(qū)）、排沙系統(tǒng)等組成。上游連接段長(zhǎng)32m，底寬2.0m～1.6m，池深1.6m，后接3孔池廂進(jìn)水閘，閘孔高2.4m、閘寬4.8m，工作段長(zhǎng)170m，池寬1.6m，每2.8m一道池廂隔墻，共有5道隔墻，底坡為0.025，設(shè)計(jì)水深2.4m～6m，堰上水頭20cm，工作區(qū)末端接排沙閘，閘孔尺寸0.8m×1.2m（高×寬），閘后接縱坡為4/100的U形排沙暗渠。

（2）方案二采用梯形調(diào)節(jié)沉沙池：在引水渠0+063.7處布置梯型沉沙池，由進(jìn)口段、工作段、出口段組成，進(jìn)口段長(zhǎng)25m，進(jìn)口底寬2m，工作段長(zhǎng)255m，斷面為梯形，底寬60m，流速 0.22m/s，出口段長(zhǎng)15m。

2.2 方案比選分析

方案一定期沖洗式箱型沉沙池工程投資需要712萬(wàn)元，此結(jié)構(gòu)形式排沙方便，但其過(guò)程會(huì)消耗發(fā)電和用水，并且工程建設(shè)所需的鋼筋、砼也較多。方案二梯形調(diào)節(jié)沉沙池的工程造價(jià)需要285.5萬(wàn)元，此結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，但排沙不方便，其排沙、清淤需費(fèi)人工和機(jī)械，費(fèi)用較高。

比較分析可知，方案一可沉沙也可排沙，方案二只能沉沙，需人工、機(jī)械清淤；方案二有3.2萬(wàn)m3的調(diào)節(jié)容量，可在灌溉高峰期或枯水期保證電站正常運(yùn)行，并且其沉沙效果較好，設(shè)計(jì)沉降最小顆粒為0.25mm。綜合各種因素，確定選用方案二。

2.3 沉沙池尺寸確定

根據(jù)《水利水電工程沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T 5107-1999）中的規(guī)定，確定水電站沉沙池設(shè)計(jì)最小沉降粒徑為0.25mm，泥沙沉降率取為80%。擬定沉沙池的尺寸：池長(zhǎng)為100m，設(shè)計(jì)流量9m3/s；沉沙池采用梯形斷面明渠，渠底寬為1.5m，邊坡 1∶1.5，平均深度 1.6m，平均流速0.22m/s。依據(jù)《規(guī)范》中公式計(jì)算得到沉沙池的最小縱坡為0.0038，沖沙臨界流速為 1.52m/s，水溫取為 20℃，沉降率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

采用沉降概率法對(duì)水流中泥沙的沉降概率進(jìn)行演算，沉降概率法把水流中紊動(dòng)豎向分速當(dāng)作隨機(jī)變量，并且其分布變化服從正態(tài)分布，池底有縱坡的沉降率計(jì)算公式為：

式中，η——泥沙分組沉降率，%；

L——沉沙池段長(zhǎng)，m；

表1 沉沙池泥沙沉降率計(jì)算表

表2 沉沙池設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 速度等值線圖

圖2 速度矢量分布圖

圖3 流函數(shù)等值線圖

H0——沉沙池平均水深，m；

d——水流泥沙平均粒徑，mm；

h——計(jì)算點(diǎn)距池底的距離，m；

λ——計(jì)算參數(shù)；

t——計(jì)算時(shí)段，s。

經(jīng)沉降率演算得到，水流中大于0.25mm粒徑級(jí)的沉降率為81%，大于規(guī)定要求的80%；沉沙池的設(shè)計(jì)縱坡為0.01＞0.0038，按沖沙流量條件下的沖沙流速為2.46m/s＞1.52m/s，以上指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，最終確定的沉沙池尺寸設(shè)計(jì)要素見(jiàn)表2。

3 沉沙池水力特性分析

沉沙池水力特性分析采用數(shù)值模擬軟件Fluent模擬，分析沉沙池內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律和沉沙效果，并在湍流模型建立過(guò)程中運(yùn)用Simple算法求解，其能在給定壓力場(chǎng)的條件下計(jì)算得到流體的速度場(chǎng)，并能控制模擬判斷結(jié)果的殘差。殘差值能夠反映數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，其值越小表明模擬結(jié)果越接近實(shí)際。模型條件設(shè)置為：入水口流速和入池流量設(shè)置為0.22m/s和Q=3.02m3/s，殘差數(shù)量級(jí)控制在千分之一，模型迭代次數(shù)不小于500次，依次來(lái)貼近實(shí)際水流流動(dòng)特性。

3.1 水流流態(tài)

模擬得到所設(shè)計(jì)梯形調(diào)節(jié)沉沙池內(nèi)水流速度等值線與速度矢量分布情況，如圖1和圖2所示。

分析圖1可知，攜帶泥沙的水流進(jìn)入沉沙池之后，如出現(xiàn)劇烈的紊動(dòng)現(xiàn)象，水流中的泥沙就會(huì)在沉沙池中劇烈運(yùn)動(dòng)，不利于沉降。在沉沙池中設(shè)置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)之后，能夠調(diào)節(jié)水流的流速分布，便于泥沙的沉降。由圖2可知，沉沙池內(nèi)的水流速度較為均勻，且都處于相對(duì)較低的速度值。池底邊角的水流速度方向基本上平行于池壁，這樣就不會(huì)出現(xiàn)回流區(qū)域，便于泥沙的沉降。

3.2 流函數(shù)等值線分析

模擬得到所設(shè)計(jì)梯形調(diào)節(jié)沉沙池內(nèi)流函數(shù)等值線分布情況，如圖3所示。

分析沉沙池內(nèi)流函數(shù)等值線圖可知，不同于一般的矩形沉沙池，梯形調(diào)節(jié)沉沙池在入口處不會(huì)出現(xiàn)較大的漩渦，因此，其產(chǎn)生的能量也較小，不會(huì)對(duì)附近的水流產(chǎn)生較大的影響。并且，在出水口的右下方區(qū)域并未出現(xiàn)漩渦，水流流速相對(duì)比較平穩(wěn)。整個(gè)沉沙池內(nèi)的水流流態(tài)均為穩(wěn)定的層流，流速分布較為均勻，這些條件都為泥沙的沉降創(chuàng)造了良好的環(huán)境。

綜上所述，所設(shè)計(jì)沉降池結(jié)構(gòu)與尺寸均滿足沉降要求，沉降池的水流流態(tài)與沉降效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

沉沙池是水利工程中一種常見(jiàn)的控制水流中泥沙粒徑的措施，其工程功能實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)擴(kuò)大過(guò)流斷面、降低水流速度和減少水流挾沙力等方法，來(lái)達(dá)到減少水工建筑物或水力機(jī)械水流中過(guò)多的或有害的泥沙含量的目的。沉沙池設(shè)計(jì)的合理性關(guān)乎到水力設(shè)備的運(yùn)行效率，進(jìn)而影響到整個(gè)水電站的效益，因此必須重視對(duì)水電站方案設(shè)計(jì)的比選以及沉降池的沉降效果。陜西水利

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