小型水電站沉沙池設計

【摘要】根據(jù)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(fā)電量7287萬kw.h，年利用小時數(shù)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(fā)電廠房、開關站等建筑物組成。引水發(fā)電系統(tǒng)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(qū)，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(jù)水利水電工程沉砂池設計規(guī)范中水電站設置沉沙池的初步判別條件圖在C區(qū)，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(xù)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(shù)

ψ——粒徑判數(shù)

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(guī)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(lián)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(jié)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(qū)，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(jù)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(fā)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