乌依布拉克水电站沉沙池设计比选及水力特性分析

何江涛

（新疆电力设计院 新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

乌依布拉克水电站工程地处新疆自治区乌什县境内，位于乌依布拉克河出山口下游阶地上。国电乌什乌依布拉克河一级水电站工程属小（2）型，所处地形比较单一，地质条件良好，布置为从乌依布拉克河引水，通过引水枢纽的底栏栅式引水工程上河坎后修建沉沙池、压力管道进水口、压力管道、厂房、尾水升压站等主要建筑物。河流泥沙主要来自汛期，估算得乌依布拉克河的年悬移质输沙量为14.2×104t，汛期的大量泥沙会影响水电站的正常运行，因此，必须设置有效的沉沙池结构来控制水流中泥沙粒径。

2 沉沙池设计比选

2.1 沉沙池形式设计

根据工程地质条件，拟设计渠首沉沙方案有两种：

（1）方案一采用定期冲洗式箱型沉沙池：在引水暗渠0+063.7后处布置定期冲洗式箱型沉沙池。箱型沉沙池由上游连接段、工作段（包括溢流堰区）、排沙系统等组成。上游连接段长32m，底宽2.0m～1.6m，池深1.6m，后接3孔池厢进水闸，闸孔高2.4m、闸宽4.8m，工作段长170m，池宽1.6m，每2.8m一道池厢隔墙，共有5道隔墙，底坡为0.025，设计水深2.4m～6m，堰上水头20cm，工作区末端接排沙闸，闸孔尺寸0.8m×1.2m（高×宽），闸后接纵坡为4/100的U形排沙暗渠。

（2）方案二采用梯形调节沉沙池：在引水渠0+063.7处布置梯型沉沙池，由进口段、工作段、出口段组成，进口段长25m，进口底宽2m，工作段长255m，断面为梯形，底宽60m，流速 0.22m/s，出口段长15m。

2.2 方案比选分析

方案一定期冲洗式箱型沉沙池工程投资需要712万元，此结构形式排沙方便，但其过程会消耗发电和用水，并且工程建设所需的钢筋、砼也较多。方案二梯形调节沉沙池的工程造价需要285.5万元，此结构形式简单，但排沙不方便，其排沙、清淤需费人工和机械，费用较高。

比较分析可知，方案一可沉沙也可排沙，方案二只能沉沙，需人工、机械清淤；方案二有3.2万m3的调节容量，可在灌溉高峰期或枯水期保证电站正常运行，并且其沉沙效果较好，设计沉降最小颗粒为0.25mm。综合各种因素，确定选用方案二。

2.3 沉沙池尺寸确定

根据《水利水电工程沉沙池设计规范》（DL/T 5107-1999）中的规定，确定水电站沉沙池设计最小沉降粒径为0.25mm，泥沙沉降率取为80%。拟定沉沙池的尺寸：池长为100m，设计流量9m3/s；沉沙池采用梯形断面明渠，渠底宽为1.5m，边坡 1∶1.5，平均深度 1.6m，平均流速0.22m/s。依据《规范》中公式计算得到沉沙池的最小纵坡为0.0038，冲沙临界流速为 1.52m/s，水温取为 20℃，沉降率计算结果见表1。

采用沉降概率法对水流中泥沙的沉降概率进行演算，沉降概率法把水流中紊动竖向分速当作随机变量，并且其分布变化服从正态分布，池底有纵坡的沉降率计算公式为：

式中，η——泥沙分组沉降率，%；

L——沉沙池段长，m；

表1 沉沙池泥沙沉降率计算表

表2 沉沙池设计参数

图1 速度等值线图

图2 速度矢量分布图

图3 流函数等值线图

H0——沉沙池平均水深，m；

d——水流泥沙平均粒径，mm；

h——计算点距池底的距离，m；

λ——计算参数；

t——计算时段，s。

经沉降率演算得到，水流中大于0.25mm粒径级的沉降率为81%，大于规定要求的80%；沉沙池的设计纵坡为0.01＞0.0038，按冲沙流量条件下的冲沙流速为2.46m/s＞1.52m/s，以上指标均能满足规范要求，最终确定的沉沙池尺寸设计要素见表2。

3 沉沙池水力特性分析

沉沙池水力特性分析采用数值模拟软件Fluent模拟，分析沉沙池内水流运动规律和沉沙效果，并在湍流模型建立过程中运用Simple算法求解，其能在给定压力场的条件下计算得到流体的速度场，并能控制模拟判断结果的残差。残差值能够反映数值模拟结果的准确性，其值越小表明模拟结果越接近实际。模型条件设置为：入水口流速和入池流量设置为0.22m/s和Q=3.02m3/s，残差数量级控制在千分之一，模型迭代次数不小于500次，依次来贴近实际水流流动特性。

3.1 水流流态

模拟得到所设计梯形调节沉沙池内水流速度等值线与速度矢量分布情况，如图1和图2所示。

分析图1可知，携带泥沙的水流进入沉沙池之后，如出现剧烈的紊动现象，水流中的泥沙就会在沉沙池中剧烈运动，不利于沉降。在沉沙池中设置调节结构之后，能够调节水流的流速分布，便于泥沙的沉降。由图2可知，沉沙池内的水流速度较为均匀，且都处于相对较低的速度值。池底边角的水流速度方向基本上平行于池壁，这样就不会出现回流区域，便于泥沙的沉降。

3.2 流函数等值线分析

模拟得到所设计梯形调节沉沙池内流函数等值线分布情况，如图3所示。

分析沉沙池内流函数等值线图可知，不同于一般的矩形沉沙池，梯形调节沉沙池在入口处不会出现较大的漩涡，因此，其产生的能量也较小，不会对附近的水流产生较大的影响。并且，在出水口的右下方区域并未出现漩涡，水流流速相对比较平稳。整个沉沙池内的水流流态均为稳定的层流，流速分布较为均匀，这些条件都为泥沙的沉降创造了良好的环境。

综上所述，所设计沉降池结构与尺寸均满足沉降要求，沉降池的水流流态与沉降效果良好。

4 结语

沉沙池是水利工程中一种常见的控制水流中泥沙粒径的措施，其工程功能实现主要是通过扩大过流断面、降低水流速度和减少水流挟沙力等方法，来达到减少水工建筑物或水力机械水流中过多的或有害的泥沙含量的目的。沉沙池设计的合理性关乎到水力设备的运行效率，进而影响到整个水电站的效益，因此必须重视对水电站方案设计的比选以及沉降池的沉降效果。陕西水利

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