某水电站定期冲洗式沉沙池设计研究

薛 瑞,蔺蕾蕾,张 淼,黄蔚萍

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

文章编号：1006—2610(2015)01—0030—04

某水电站定期冲洗式沉沙池设计研究

薛 瑞,蔺蕾蕾,张 淼,黄蔚萍

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

依据某水电站的泥沙资料，提出本工程定期冲洗式沉沙池的设计过程，通过初拟沉沙池的主要控制尺寸，计算沉沙池的泥沙沉速，并逐时段分段的计算沉沙池的水力参数及泥沙沉降率、泥沙淤积及冲洗等一系列参数，为电站的定期冲洗式沉沙池设计提供有力依据。

冲洗式沉沙池； 沉速；沉降率； 泥沙淤积；冲洗

0 前 言

水电工程中，沉沙池主要是利用过流断面大、流速小，使得水流中大于设计沉降粒径的泥沙得到沉降，出池含沙量得到减小，进而用于减轻泥沙对水轮机的磨损而设置的一种水工建筑物。

本文所介绍的某水电站为低坝引水式水电站，天然河道平均比降32.3‰,最大坝高30 m，引水隧洞长4.0 km，引用流量117 m3/s，电站装机容量120 MW，安装2台混流式水轮发电机。电站过机多年平均含沙量8 kg/m3，电站额定水头为100 m，依据DL/T5107—1999,水电水利工程沉沙池设计规范[1],设置沉沙池的初步判别条件，本工程需设置沉沙池。

根据地形条件，本工程沉沙池采用地下有压布置形式。定期冲洗多室式沉沙池的运行特点是能够连续供水，且引水效率较连续式沉沙池高，但结构复杂。定期冲洗式沉沙池的布置主要包括引渠、进口连接段、工作段(包括溢流堰区)和冲排沙设施。

电站额定水头为100 m，根据文献[1]，泥沙设计最小沉降粒径为0.25 mm，悬移质泥沙级配见表1。

表1 悬移质泥沙级配表

从表1可知，在淤积物中，小于某一粒径沙重占75%，该泥沙粒径d75=0.114 mm。

1 工作段主要尺寸的初拟

根据文献[1],经初步计算，定期冲洗式沉沙池由3个洞室组成(见图1)，单个洞室的引用流量Q为39 m3/s，每个洞室的工作长度L为100 m(包括20 m溢流堰区)，宽度B为12 m，进口工作深度H为9 m，纵向底坡为0.02。

图1 某电站定期冲洗式沉沙池布置图 单位：m

1.1 进口工作深度计算

进口工作深度的计算依据沉沙池冲沙，运行水位与排沙道出口天然河流水位差。

(1)

式中：ΔZ为沉沙池冲沙运行水位与排沙道出口天然河流水位差,m；q为冲沙单宽流量，m3/(s·m)；νc为冲沙流速，νc=2.24 m/s；i为沉沙池工作底坡；Lw为沉沙池工作长度；i0为排沙道底坡；L0为排沙道长度；

1.2 工作宽度验算

He=H-ΔHa

(2)

式中：ΔHa为沉沙池运行期允许淤积厚度，取0.3H。

运行期He为6.3 m，池内平均流速为0.515 m/s。

初拟的工作段尺寸符合规范[1]要求：沉降最小粒径为0.25 mm时，池内平均流速在0.25～0.55 m/s范围内。

1.3 纵向底坡

纵向底坡应满足式(3)：

(3)

设计中拟定沉沙池的纵向底坡为0.02，由计算可知，满足规范要求。

2 沉沙池水力计算

定期冲洗式沉沙池的水力计算主要包括泥沙沉速计算、泥沙沉降计算及冲洗计算。

2.1 沉速计算

沉速采用沙玉清天然沙沉速公式计算[2-3]：

[lg(Sa)+3.790]2+[lg(ψ)-5.77]2=39.0

(4)

沉速判数：

粒径判数：

式中：ν为水的运动粘滞系数，cm2/s；t为水温，t=20 ℃；d为泥沙粒径，mm；ρs为泥沙密度，ρs=2.65 g/cm3；ρw为清水密度，ρw=1.00 g/cm3；ω为泥沙沉速，cm/s；g为重力加速度，cm/s2。

本工程泥沙沉速计算结果见表2。

表2 泥沙沉速计算结果表

2.2 泥沙沉降计算

按动床计算沉沙池的沉降量和床面淤积过程。

沉沙池具有一定的纵向底坡，从上游至下游各池段的水深是不相等的，各池段床面淤积厚度随运行时间而变化，池底处于动床状态，即使在流量不变的条件下，就整个工作段来讲，池内水流属于非均匀流，因此将沉沙池工作段分成3段计算池段(前两段为40 m长，第3段为20 m的溢流堰段)，由上游向下游逐池段计算各时段的断面流速、水深、水力半径等沉降计算所需的水力参数及泥沙分组含沙量。计算池段下断面分组含沙量：

(5)

工作段尾部设有溢流堰区时，全池分组沉降率为：

(6)

溢流堰出池分组含沙量Sif按照文献[3]的出池含沙量相关计算公式进行计算。

经计算，沉沙池运行204 h时，设计最小沉降粒径(0.25 mm)的泥沙沉降率为92.5%，全池沉降率为58.3%。

2.3 沉沙池淤积计算

定期冲洗式沉沙池的淤积床面随时段变化较大，使得各时段的沉降率也不断变化，因此要进行沉沙池淤积计算。沉沙池的沉沙运行过程中，随着泥沙的不断下沉，泥沙床面随运行时间不断变化，使水力条件不断发生变化，所以淤积计算应逐时段分池段依次计算。

时段内的淤积体积计算公式为：

(7)

tj的历时取值可据水沙条件和工作段长度确定，计算历时越短，计算成果越精确。本文在计算过程中，对不同时段的泥沙淤积体积进行分析，选取不同的tj值，泥沙24 h的总淤积量见表3。

表3 不同时段24 h的泥沙淤积量计算表

从表3可以看出，随着时段历时的增加，计算的淤积量也在增加，本文计算中选取tj=1 h。

2.4 沉沙池冲洗计算

本文设计的沉沙池为三室交替运行，当其中某池室的沉沙容积淤满，出池含沙量达不到设计标准时，应停止该池室的沉沙运行，及时关闭池室进口闸门，停止该池室进水，并开启冲沙闸门进行冲洗。沉沙池的冲洗过程一般分为泄空冲洗、溯源冲洗和沿程冲洗3个阶段。

本文根据文献[3]进行定期冲洗式沉沙池3阶段的冲洗计算。历时204 h，单个池室的淤积体积为3 690 m3，沉沙池工作段起始淤积厚度为2.70 m，工作段末端泥沙淤积厚度为3.17 m，经计算，冲洗总历时为1.397 h。

3 结 语

经计算，某电站定期冲洗式沉沙池单池室最小工作面积为75.60 m2，历时204 h的泥沙运行过程中，泥沙淤积体积为3 690 m3，设计最小沉降粒径(0.25 mm)的泥沙沉降率为92.5%，全池沉降率为58.3%，工作段起始淤积厚度为2.70 m， 冲洗总历时1.397 h，沉沙运行历时为冲洗历时的146倍。冲洗效率较高，基本满足本阶段的设计要求。

[1] DL/T5107—1999,水电水利工程沉沙池设计规范[S].北京：中国电力出版社,2000.

[2] 黎运棻,杨晋营.定期冲洗式沉沙池三阶段冲洗计算[J].水利水电技术,2007,38(5):8-11.

[3] 杨晋营.定期冲洗式沉沙池溢流堰出池含沙量计算[J].泥沙研究,2003,(6):39-44.

[4] 黄蔚萍,薛瑞,陈东运. 某水电站沉沙池方案比选设计研究[J].西北水电,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，陕西省蒲城县人,工程师，从事水工结构设计工作.

TV673+.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.008