涡管螺旋流排沙在动力渠上的应用研究

2022-03-08白玉龙

水利规划与设计 2022年2期

白玉龙，李丽

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃兰州 730000)

推移质泥沙通常在一些低闸、低坝或无坝引取水的灌溉、供水、发电等水利水电工程上伴随引入水流，经引取水口进入引调水、输配水或用水系统，对渠(管)道、闸(阀)、水力机械、金属结构、渠系建筑物等造成淤积、淤堵或磨损。因此，对多泥沙或汛期仍需引水的水利水电工程，应在工程设计中考虑采取防止和减少泥沙进入引取水口措施，如在进水口前设拦(导)沙坎(网)、冲沙闸等，而对于难以避免进入引取水口的推移质泥沙，则通常采用沉沙池(井)等沉沙设施解决泥沙问题。但在引水比高及引水量大的灌溉(供水)渠道，以及水电站引水发电动力渠道上，往往因边界条件限制或经济效益指标差而难以设置大断面的沉沙设施，需研究探索采取排除泥沙能力强且高效的工程设施，以解决入渠(管)泥沙问题，涡管(Vortex Tube)排沙技术即为此而诞生、应用和发展。

我国于20世纪80年代，首先由新疆石河子大学张开泉等人开始进行螺旋排沙试验研究[1]，利用布设于引水渠道底部的涡管，研究分析渠道推移质泥沙涡管排沙机理，依据试验研究成果，提出了水沙关系的一些经验或半经验分析计算方法。90年代中后期，陕西及新疆等省区涡管排沙技术逐渐应用于工程实践，取得了较好的排沙效果。做为一种有效的渠道排沙设施，涡管排沙技术于1997年分别写入水利部及原电力部发布实施的技术标准SL/T 205—97、DL/T 5079—1997《水电站引水渠道及前池设计规范》中，做为行业技术标准的一项工程措施推广应用，并给出了主要技术特性参数的选取参考值和计算公式，后续修订版均继续推荐应用。

笔者在分析研究涡管排沙技术螺旋流形成条件及适用条件的基础上，着重对甘肃省长江与黄河流域不同地理环境、不同河道与水文条件下的6座引水式水电站动力渠涡管排沙技术及其应用成效进行全面研究总结，对于涡管排沙技术传承、成果借鉴、以及进一步持续创新发展具有重要意义。

1 涡管排沙技术原理

涡管排沙的技术原理是利用布置于渠道底部的开口涡管，在通过管道过境水流切向流速作用下，管内产生螺旋式前进水流，即螺旋流(涡流)，进入管中的泥沙依靠旋转水流以少量的水将其排出[2- 3]。涡管螺旋流排沙结构布置如图1所示。

2 形成螺旋流水力条件研究

2.1 纵横向水流动力

涡管内的螺旋流属三维空间流，可分解为二维空间内立面旋转的环向运动水流，以及一维空间纵向线性运动水流，涡管内形成螺旋流需具备横向环流及纵向线流的能量。涡管内水流形成横向旋转流的动力，来源于管道顶部过水断面涡管开口处的水流动能[4- 6]，当涡管轴线与水流流向呈一定夹角，涡管开口上部渠道水流通过时，一部分水流被管道开口后缘分流导入涡管内，促使管内水体基本以管道中心为圆心，在涡管内形成立面旋转的环流。涡管内水流形成纵向流的动力，仅在涡管轴线与水流流向呈一定夹角，过境水流进入涡管，并在涡管内壁的疏导下产生沿管道轴线方向的分项动能，压迫管内水体流向管道出口。涡管内纵横向水流流速分布如图2所示。

图1 涡管结构布置

图2 涡管内纵横向水流流速分布

2.2 过境水流条件

涡管内形成强劲螺旋流是涡管排沙成效的关键，螺旋流动力来源于渠道过水断面内过境水流的动能，进入涡管水流的流速可近似认为是过水断面贴近涡管开口处过境水流流速。工程应用时，通常较易率定过水断面的平均流速，而过水断面水深条件、边界糙率、挟沙量等因素均不同程度影响流速在垂直向的分布，若直接采用过水断面平均流速替代进入涡管开口流速，判别螺旋流排沙效果，往往存在较大的误差。因此，需引入反映过水断面能量特性的参数分析研究，通常采用过水断面流体力学无量纲参数“佛汝德数Fr”(Froude Number)，即流体惯性力与重力的比值，判别螺旋流水流流态及其排沙效果，既可反映流速的动力作用，又能反映断面水深所起的作用，其表达式如下：

Fr=V/(gH)0.5

(1)

式中：Fr—佛汝德数；V—平均流速，m；H—平均水深，m；g—重力加速度，为9.81m/s2。

水力学中对于水流“佛汝德数Fr”的定性，当Fr<1.0时水流为缓流；Fr=1.0时水流为临界流；Fr>1.0时水流为急流。对于涡管螺旋流水流流态及其排沙效果的判别，关于“佛汝德数Fr”的取值，一些研究者根据试验提出Fr=0.7～0.95及Fr=0.8～1.0为优，但仍存在争议，水力学上主要属缓流流态，上限达临界流，部分工程应用实践表明，较低的“佛汝德数Fr”仍能取得较好的排沙效果。还有学者提出采用断面水深与涡管直径的比值，即深径比评判排沙效果，并给出了参考值h/D=3.0～5.0。

2.3 涡管与水流夹角条件

大量的工程实践及试验研究表明，形成螺旋流的水力条件与进入涡管水流的纵、横两个分向流速大小密切关联，而两个方向的流速大小又与涡管和水流方向的夹角θ直接相关。夹角大，则横向流速大，纵向流速小，涡管内形成强旋转弱出水水流；夹角小，则横向流速小，纵向流速大，形成弱旋转强出水水流。工程实践及试验研究表明，涡管和水流流向的夹角呈30.0°<θ<60.0°时，在具备足够的过境流速情况下，能够提供涡管内形成带动泥沙的横向启动流速，同时具备能将涡管远端泥沙快速输送出涡管的纵向流速，且在45.0°≤θ≤50.0°时，双向流速配比最优，排沙效果最好。因此，在工程实际应用时，相关技术标准推荐采用45.0°≤θ≤50.0°为宜[7- 8]。

另外，在涡管排沙工程布置时，需保证渠道过水断面与管道出口之间有较大的水位差，在损失少量过境水流静水头后，可利用较大水位差所产生的势能，使涡管内具备快速排出泥沙的流速，也即为涡管排沙技术的必要条件。

2.4 涡管排水流量计算

现行水利及电力行业技术标准SL 205—2015、DL/T 5079—2007《水电站引水渠道及前池设计规范》中均给出涡管排水流量Qs估算式，并提出涡管分流比为5.0%～15.0%时，排沙比可达75.0%～90.0%[7- 8]。涡管排水流量估算式如下：

(2)

式中，A—涡管断面面积，m2，A=πD2/4；D—涡管直径，m；h—上游渠道水深，m；Δy—涡管管中心至开口边缘的距离，m；μ—流量系数。涡管开口中心角为30°≤α≤90°时，取0.6～0.7。

3 涡管排沙适用条件研究

我国于20世纪在北方一些山区多泥沙或汛期含沙量大的河道上，引水流量较小的低闸坝或无坝取水的灌溉、供水、发电等水利水电工程，一般均采用技术成熟的沉沙池(井)等措施，解决入渠推移质泥沙问题[9- 10]。沉沙池的沉沙原理是通过扩大过水断面面积，以减小水流流速，降低水流的挟沙能力，使之沉淀于沉沙池池底，利用冲沙廊道或机械式清除泥沙。

21世纪以来，水利水电工程逐渐向高引水比、大引水流量方向发展[11]，低闸坝或无坝取水的引水式水电站，常因沉沙池平面面积大，地形、地质、征占地等环境边界条件难以满足其布置，且工程量大投资高，一般难以被工程建设投资方所接受。再者，当进入动力渠的推移质泥沙通过发电机组时，对机组的磨损是长期累积过程，难以定量测定或预测对机组寿命的影响程度及数值，相应设置沉沙池的必要性较难分析论证，其调度运行也较为困难。因此，水电站通常多采用直接开启枢纽泄冲闸，利用大流量冲泄降低泥沙入渠问题，汛期高泥沙洪水时段甚至被迫停机冲沙，尤其高引水比的水电站，因发电水资源珍贵，在利益驱动下，电站运营方常常诟病此类“大开大泄”的冲沙方式给工程运行管理带来诸多不便。

北方山区河道一般汛期水量大，相应泥沙含量高，采用引取水口拦截泥沙结合渠道涡管排沙技术，在不增加工程占地，仅在动力渠内设置涡管及其控制设施，通过合理运行调度即可有效解决汛期推移质泥沙过机导致机组磨损问题。汛期挟沙量大的水流在经过进水口前的拦沙坎时，通常表层水流虽较平稳，但坎前中下层流态具紊乱搅动作用，底层部分大颗粒推移质泥沙被拦沙坎拦截，但仍有部分推移质泥沙因紊流搅动越过拦沙坎进入渠道，此时需启动枢纽冲沙设施，同时结合渠道涡管，统筹协调解决拦沙坎前及入渠泥沙问题，即在不断流、不降低闸前水位的情况下，局部开启冲沙闸，尽可能做到进水口“门前清”，进入取水口的泥沙经动力渠归束平稳后，底层推移质泥沙进入涡管，利用水流能量长时或间歇性开启涡管排沙。

4 涡管排沙技术工程应用研究

甘肃省南部长江流域虎家崖与锦屏，以及中部黄河流域平安、新庄、杜家湾与永和一级等6座水电站均为径流引水式，动力渠明流输水，电站枢纽河道均属山区性河道，水流含输沙量评判为中—大，推移质泥沙主要集中于汛期洪水时段，约占年输沙总量的70.0%～90.0%，引水枢纽全部为拦河低闸坝，开敞式引水，闸坝壅高水位低，拦沙坎坎高0.7～1.5m，较低矮，不具备引取库内中上层含沙量相对较小的水深条件，汛期洪水时段推移质泥沙入渠问题难以避免，工程设计均采用涡管排沙技术。

4.1 动力渠涡管总体布置

4.1.1虎家崖水电站

虎家崖水电站位于嘉陵江上游最大支流白龙江干流甘肃陇南市舟曲县河段，属长江二级支流，装机容量28.0MW，2007年建成发电。电站地处西秦岭南脉典型的山区性河道，流域是泥石流多发区，汛期河道推移质泥沙较多，水流浑浊，含沙量大，枢纽进水口后接动力渠、隧洞、前池、压力管道及发电厂房等引水发电系统，排沙涡管布置于距取水口约130.0m的矩型动力渠段底板内。涡管段渠道底板上游侧较下游侧低0.5m，形成管前三角沉沙区，管道设“刀型”闸阀控制，出口直接入河，入河处设置丁坝式导水墙，防止河道推移质泥沙淤堵管口，其涡管布置如图3所示。

4.1.2锦屏水电站

锦屏水电站位于长江二级支流白龙江干流甘肃陇南市武都区河段，上距虎家崖水电站约50.0km，装机容量18.0MW，2017年建成发电。电站枢纽进水口后接动力渠、前池及发电厂房等引水发电系统，排沙涡管布置于动力渠末端矩型断面底板内，河流泥沙特性及涡管布置方式与虎家崖水电站类似，管道出口设“刀型”闸阀控制，接入前池溢流侧槽入河，其涡管布置如图4所示。

4.1.3平安水电站

平安水电站位于黄河一级支流湟水干流甘肃兰州市红古区河段，装机容量12.0MW，2011年建成发电。工程区属秦岭西段山间盆地河段，汛期水流浑浊，含沙量大。电站枢纽进水口后接动力渠、前池及发电厂房等引水发电系统，排沙涡管布置于矩型动力渠末端底板内，布置方式与虎家崖及锦屏2座水电站类似，管道出口设“刀型”闸阀控制，接入前池溢流侧槽入河，其涡管布置如图5所示。

图3 虎家崖水电站涡管布置

图4 锦屏水电站涡管布置

图5 平安水电站涡管布置

4.1.4新庄水电站

新庄水电站位于黄河一级支流湟水干流甘肃兰州市红古区河段，下距平安水电站约27.0km，装机容量4.5MW，2009年建成发电。电站枢纽进水口后接动力渠、前池及发电厂房等引水发电系统，排沙涡管布置于动力渠末端矩型断面底板内，河流泥沙特性与平安水电站类似，涡管排沙段底板整体下沉0.5m，管道设半球阀控制，出口接入前池溢流侧槽入河，其涡管布置如图6所示。

4.1.5杜家湾水电站

杜家湾水电站位于湟水最大支流大通河干流甘肃兰州市永登县河段，属黄河二级支流，装机容量4.8MW，2011年建成发电。工程区属祁连山东麓大通河下游山间盆地区，汛期水流浑浊，含沙量较大。电站枢纽进水口后接动力渠、前池及发电厂房等引水发电系统，排沙涡管布置于动力渠末端矩型断面底板内，与新庄水电站类似，不同的是管道通过“刀型”闸阀控制后合二为一，出口延伸直接入河，其涡管布置如图7所示。

图6 新庄水电站涡管布置

图7 杜家湾水电站涡管布置

4.1.6永和一级水电站

永和一级水电站是杜家湾水电站的下游梯级，装机容量1.0MW，2005年建成发电。电站枢纽进水口后接动力渠、前池及发电厂房等引水发电系统，排沙涡管布置于动力渠末端矩型断面底板内，河流泥沙特性及涡管布置方式与新庄水电站类似，管道设闸门控制，出口接入前池溢流侧槽入河，其涡管布置如图8所示。

图8 永和一级水电站涡管布置

4.2 河道含输沙量及动力渠特性

6座水电站枢纽河道多年平均含输沙量见表1，涡管排沙段动力渠工程技术特性见表2。

6座水电站涡管排沙技术工程应用实践研究表明，排沙涡管段均布置于矩型断面动力渠内，虎家崖水电站受建设条件限制，涡管段布置于动力渠上游渠段，其它水电站均布置于前池进口前动力渠末端。动力渠末端一般与河道形成较大落差，涡管出口直接接入前池溢流堰侧槽排沙入河，可有效避免汛期河道高水位对排沙效果的影响，排沙成效优异，排沙率通常可达到85.0%以上。通过对6座水电站动力渠过水断面能量特性参数“佛汝德数Fr”的工程应用实践研究，结果表明其值大都为0.4左右，远低于常规理念与认识值。因此，大流量引水时仅采用“佛汝德数Fr”判别螺旋流排沙效果，并不适宜，为涡管排沙机理的进一步研究探讨，以及理念与认识提供了新的可靠依据。

4.3 排沙涡管布置及试验研究

4.3.1涡管布置型式

6座水电站排沙涡管在动力渠渠道底板内主要有2种布置方式，一种是涡管段渠道底板呈“前低后高”型式，另一种是涡管段渠道底板下沉，管口(顶部)与底板齐平，即“下沉齐平”型式，2种布置方式动力渠纵剖面及涡管横剖面如图9—10所示，排沙涡管技术特性见表3。

6座水电站涡管排沙技术工程应用实践研究表明，涡管与水流流向夹角、开口中心角及分流比基本均在相关技术标准推荐范围内，断面水深与涡管直径的比值，即深径比为4.0～6.0，基本处于或接近一些学者推荐参考值，涡管均可产生较强螺旋流，排沙效果显著。工程应用实践表明，大流量引水时，采用深径比评判排沙效果相对较为可靠。

表1 6座水电站枢纽河道含输沙量

表2 6座水电站涡管排沙段动力渠技术特性

图9 涡管段渠道底板“前低后高”布置型式

图10 涡管段渠道底板下沉齐平布置型式

表3 六座水电站涡管技术特性

4.3.2涡管排沙试验研究

对虎家崖水电站涡管设计与排沙效果进行了水工模型试验研究验证。初期试验涡管采用常规布置方式，即涡管段及其上下游渠道底部处于同一高程，在管道出口河道水位较低时，明显观测到泥沙被卷入涡管排出渠道，试验在模型上游渠段投放远大于实际来沙量的泥沙，泥沙逐步移动至涡管段，随时间延续，泥沙大部排出，沉积泥沙微少。但在河道水位逐渐增至高水位时，随渠道内外水位差减小，排沙效果随之降低。

为增强涡管纵向流强度，后续将模型涡管段上游侧三角区渠道底板降低0.5m，即渠道底板呈“前低后高”型式再行试验研究。试验研究表明，河道水位较低时，泥沙移动至管前三角沉沙区进入涡管，被涡流卷动排出管道，排沙效果良好；河道水位逐渐增至高水位时，排沙效果虽有所降低，但较之前明显提高[12]。分析其原理认为，这种优化的布置方式，迫使渠道过境水流动能更多的转化为管轴线方向的纵向动能，弥补水位差过小导致的管道纵向流速不足、排沙效果差的缺点，因此，当渠道内外水位差变幅大，将涡管段渠道底板优化为“前低后高”(即涡管切口适当转向来水方向)是提升涡管排沙成效的一种优异布置型式。

4.3.3涡管运行的主要问题

(1)新庄及永和一级2座水电站渠道底板与涡管“下沉齐平”布置，停水观察到涡管下游坎前三角体内存有少量泥沙，分析其原因，主要是少量推移质泥沙在涡流影响下，越过涡管开口位置，由于下游底层流速较小，使之沉积。

(2)锦屏水电站停水观察到涡管远端端头部位存在部分推移质泥沙聚集，分析其原因，主要是渠宽大，涡管过长，远端管内纵向流速不足所造成。

(3)永和一级水电站布置3根涡管，实际运行中多启用1—2根，涡管数量和控制设备相对较多，需多次开闭闸阀，实际运行存在卡堵顾虑。

(4)杜家湾水电站2根涡管为1用1备，出口汇总为单管，2根同时运行螺旋流效应大为减弱，单管运行分流比较小。

(5)新庄及永和一级2座水电站涡管分别采用半球阀和闸门控制，首次排沙即导致“卡阀”与“卡门”，随即更换改造控制设备，其它4座水电站均采用薄体且底部无槽“刀型”闸阀，运行正常。