小型水电站取水枢纽冲沙闸过流尺寸设计方法探讨_李云岗

规划设计

小型水电站取水枢纽冲沙闸过流尺寸

设计方法探讨

李云岗(普洱市水利水电勘测设计研究院 云南普洱 665000)

=摘 要>通过分析目前确定中小型水电站取水枢纽冲沙闸过流尺寸的多种设计方法的适用性,推出一个概念明确,方法简单,容易被水工设计人员掌握,又合理的确定冲沙闸尺寸的方法:泥沙运动控制法。它是根据在进水闸前,能够造成/门前清0所需要的冲沙流量来确定的,基本上可以防止推移质泥沙进入进水闸,适用于丘陵和山区河流上建设的中小型水电站取水枢纽。图1幅。

=关键词>取水枢纽 冲沙闸 沉沙槽 泥沙运动控制法

1 冲沙闸过流尺寸设计方法总述

小型水电站取水枢纽通常由溢流坝、进水闸及冲沙闸等水工建筑物所组成。其布置方式有侧向引水正向冲沙和正向引水侧向冲沙等。溢流坝是为了抬高水位,保证进水闸能够引入设计流量。溢流坝高度低,水库库容很小,一般不能调蓄洪水,建成后往往一次洪水就可能将溢流坝前全部淤平,泥沙将随着水流进入进水闸。如果取水枢纽上游河道较宽,没有设置冲沙闸泄流,就不能稳定主槽造成主流摇动,使取水口脱流,所以冲沙闸是小型水电站取水枢纽必不可少的重要组成部分。冲沙闸由进口段,闸室和出口段三部分组成,进口段包括沉沙槽、隔水墙等,在进水闸前,由隔水墙与冲沙闸室构成的沉沙槽,形成一水流平稳的区域,使进入取水口水流中的推移质沉落在沉沙槽内,让含沙量较小的水流进入进水闸,开启冲沙闸即可冲除沉沙槽内沉落的泥沙。冲沙闸的作用是使进水闸/门前清0。在汛期,冲沙闸还可以宣泄一部分洪水,籍以维护原河槽不致淤塞,使河道稳定在取水口一侧形成深槽。冲沙闸过流尺寸的设计方法,目前有:工程经验法、水工模型试验法、流量频率法、河相关系和泥沙特性法等。

1)工程经验法,是根据已建工程的运用经验总结确定冲沙闸过流断面。有的采用冲沙闸断面为河道断面的1/5~1/20,有的采用冲沙闸宽度为河道水宽度的1/3~1/10,还有的采用冲沙闸宽度等于或略大于进水闸宽度,或按照进水闸分流比小于50%的要求,沉沙槽连续冲沙运行情况下,过槽流量一般不得小于进水闸设计流量的2倍等方法

[1]

应用经验数据确定冲沙闸尺寸当然是重要的,但是各个取水枢纽所处的河道地形、水流泥沙条件及防沙标准不同,很难确切地决定其尺寸,确定的尺寸是否正确又无检查的依据。

2)水工模型试验法,是大中型取水枢纽确定取水口布置和冲沙闸尺寸的常用方法。这是一种较为可靠的方法。但是,模型试验需要大量的试验基本资料,较多费用和时间,它只适用于大型和部份中型取水枢纽的设计。中小型水电站取水枢纽的取水防沙设计,一般是没有条件作模型试验的。

3)流量频率法,就是选择某一频率的洪水流量,作为冲沙闸的设计流量,在设计水位条件下,通过水利计算确定冲沙闸孔的尺寸。由于影响因素多,设计流量至今尚无统一方法,冲沙闸的设计流量应满足冲沙和稳定主槽的要求来选择,一般多采用多年平均流量或常年洪水流量,有的采用50%~80%的频率洪水流量[2],还有采用3%~10%频率的洪水流量的。由于冲沙闸设计流量选择与要求的冲沙效果概念不清楚,设计人员难于确定。

4)河相关系和泥沙特性法,该法是西北水科院提出的,是综合考虑河道流量,河相关系,泥沙数量和粒径级配等因素建立四个方程式,可求得冲沙闸的宽度、深度、流速及河道比降的关系,该法参数多,难以准确决定,其适用范围窄,仅适用于冲积河流上的取水枢纽。

[2]

2 泥沙运动控制法确定冲沙闸尺寸

泥沙运动控制法,概念明确,方法简单。它是根据在进水闸前,能够造成/门前清0所需要的冲沙流量Q来确定的,基本上可以防止推移质泥沙

#37#。

规划设计 SMALL HYDRO POWER 2008No5,TotalNo143进入进水闸,适用于丘陵和山区河流上建设的中小型水电站取水枢纽。211 沉沙槽尺寸的计算

假设冲沙闸关闭,进水闸引水通过沉沙槽时的水流流速应小于等于入渠最小粒径泥沙的止动流速,使进入槽内的底沙沉落,利用这个原则确定沉沙槽的尺寸。

在正常引水条件下,沉沙槽进口控制断面宽度b0,由下式计算:

b0=

Q0Vz#h0

(1)

孔宽和孔数。

3 算 例

流沙河五级电站位于西双版纳州景洪市戛栋乡境内,澜沧江一级支流流沙河下游河段上,电站装机容量为2@4000kW,电站为引水式开发,渠首引水流量1811m3/s。取水枢纽布置为右岸取水方式,由溢流坝、非溢流坝、冲砂闸及取水闸四部份组成。其中,溢流坝置于河床中部,坝顶高程715m,坝顶长60m,最大坝高715m,采用底流消能方式消能。非溢流坝坝顶高程757m,最大坝高10m,进水闸布置于右岸,为1孔潜没式平面钢闸门,孔口尺寸310m@310m,闸底板高程75115m,冲砂闸平行布置于进水闸左边,与溢流

(2)

坝相连,闸底板高程为74815m。

电站径流区的主要地层岩性为花岗岩,从勐海水文站实测泥沙资料来看,泥沙主要为石英砂,粒径大于01001m的含量占81143%,每年经过取水坝的泥沙量经计算得1513万m3,由于受地层结构的影响,流沙河河水常年浑浊,说明径流中含泥沙量较大。河道推移质泥沙,平均粒径dcp=01005m,最大粒径dmax=0106m。希望进入进水闸泥沙最小粒径dmin=01001m,采用泥沙运动控制法确定

(4)

冲沙闸尺寸。311 沉沙槽进口尺寸

根据取水枢纽布置,沉沙槽进水口深为610m,考虑槽内淤沙厚度110m,则进水口淤沙后的最小水深为510m,求沉沙槽进口断面的止动流速,由(2)、(3)式计算得:

1416@010011/3@5101/6=01501m/s112

沉沙槽进口宽度,由(1)式计算得:Vz=

1811b0=01501@510=7123m,取b0=715m。312 冲沙闸宽度B的确定

沉沙槽进口断面要求的冲沙流速由(4)、(5)式计算:

Vc=

(112~114)416@010051/3@6101/6=

9181@0106=2103~

11272~11484m/s

(7)

V.c=(112~114)2122136m/s

选取沉沙槽内的冲沙流速为212m/s

式中,Q0为进水闸引水的流量,h0为沉沙槽断面减去预留淤积厚度后的水深,VZ为进入进水闸泥沙最小粒径dmin的止动流速:

Vz=

Vk112

Vk为泥沙起动流速,根据河流泥沙情况可选用有关的公式计算。若选用沙莫夫公式计算,则:

Vk=

416dmin1/3#h01/6

(3)

212 冲沙闸宽度B的计算

开启冲沙闸,要求沉沙槽断面流速达到能够冲洗槽内全部淤泥以及随冲沙水流带入槽内的群体泥沙,其冲沙流速Vc为:

Vc=(112~114)416dcp#h0i

1/3

1/6

式中,dcp为冲沙流量相应的河道运动推移质泥沙的平均粒径,hoi为沉沙槽内水位至底板面上的水深。

另外,为使停留在沉沙槽内的单个粒径为dmax

的大石块也能够冲到下游,要求槽内冲沙流速达到Vcc可由库明试验公式计算:

Vcc=(112~114)212

沙流速。

沉沙槽设计冲沙流量,由下式计算:

Q=Vc#h0i#b0

(6)

冲沙闸室过流宽度B,由沉沙槽设计冲沙流量作为闸室设计过流量Q来计算,计算方法按照平底非淹没宽顶堰公式计算:

B=

m

Q3/2

2gH0

gdmax

(5)

取Vc与Vcc中的大值,作为沉沙槽的设计冲

计算得到的B,可以按照常用闸门尺寸调整其#38#小水电 2008年第5期(总第143期)

规划设计

冲沙流量由(6)式得:Q1=212@610@715=9910m/s冲沙闸宽度由(7)式计算:

9910=3195m3/2

013852g@610

选取B=4m,选择闸孔尺寸为410m@410m。B=

3

况看,取水枢纽冲沙闸运行效果良好,未出现推移质泥沙进入引水渠道的现象。按此方法确定冲沙闸过流尺寸的其它几座小型水电站取水枢纽也取得了良好的冲沙效果。实践证明,按泥沙运动控制法确定冲沙闸过流尺寸,计算方法可靠,它适用于丘陵和山区河流上建设的中小型水电站取水枢纽。参考文献:

[1] 华东水利学院.水工设计手册[Z].北京:水利电力出版

社,1984.

[2] 宋祖诏等.渠首工程[M].北京:水利电力出版社,1983.[3] 列维.水力发电站的进水口[M].北京:电力工业出版

社,1957.

[4] 武汉水利电力学院.河流泥沙工程(上册)[M].北京:

水利电力出版社,1983.

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李云岗(1974-),男,工程师,主要从事水利水电勘测设计工作。Email:smlyg9999@126.com。

图1 流沙河五级电站取水枢纽冲沙闸布置方案示意图

责任编辑 曹丽军

313 冲沙运行效果

电站于2006年7月建成发电,从实际运行情

(上接第28页)库被迫溢洪弃水时,下游凤凰水库早已没库容容纳更多洪水,大大增加了流域下游的防洪压力。因此,单独调度很难做到防洪安全保证下的最优化。通过联合调度、错峰调洪,可以尽量使凤溪水库实现全年不弃水溢洪,同时促使凤凰水库汛期减少弃水,保障了下游人民和财产的安全。单独调度实现的是个体防洪安全及发电保障,联合调度实现的是整体的防洪安全和发电效益,整体安全包含个体安全,显然联合调度实现了社会效益的最大保障。

412 经济效益

自2005年开始提出流域梯级电站联合调度发展思路以来,经过两三年的摸索实践,通过联合调度后,该流域样级电站太太改善了经济效益。凤溪水库坝后电站前汛期发电效率略有下降,但实际利用总水量增加,发电量没有明显减少;而凤凰水库年均多利用水量3000万m3左右(相当于凤溪水库的库

容),使下游三级电站受益;流域的年均发电量由114亿kW#h增加到116亿kW#h,年均多发电2000万kW#h,相当于凤溪坝后电站、杨梅格电站和溪美电站三级电站的年发电总和。

5 结 语

目前凤凰溪梯级电站联合调度还处于摸索阶段,进一步深入研究还有更多完善空间。小水电要面对市场,最终还是要通过流域资源整合,实现串联水库水量优化调度;通过梯级电站发电生产的远程控制,取代传统梯级电站的管理与通信模式,减少电站工作人员,降低发电成本,最终达到减员增效的目的。

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许树敏(1977-),男,助理工程师,主要从事水利水电工程管理工作。Email:Suman1xu@1631com

责任编辑 曹丽军

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