呂銳
【摘要】沉沙池是水電站保護水利設備安全的重要建筑物,沉沙池設計方案是否合理對整個水電站沉降效果產(chǎn)生直接影響,也在一定程度上影響設備生產(chǎn)效率和安全性。文中結(jié)合新疆天池沉降池建設情況,通過方案對比選定最佳的沉沙池形式并設計合理的參數(shù),驗證條渠式沉沙池方案的合理性和有效性。
【關(guān)鍵詞】條渠式沉沙池;優(yōu)化設計;實例分析
沉沙池作為水利工程中控制水流泥沙粒徑最常見的方式,對水利工程進行施工過程中,沉沙池形式、種類較多,為保證獲得最佳沉降效果,在選擇型式和結(jié)構(gòu)時,要依據(jù)工程地質(zhì)條件和沉沙池功能需求確定相應的類型。文中根據(jù)新疆天池沉沙池設計為依據(jù),分析工程泥沙情況和景觀要求,通過方案比較選擇適合的沉沙池形式,以期為相關(guān)類似工程提供重要借鑒。
1、工程概況
1.1 天池實際情況。新疆天池屬于國家5A級旅游風景名勝區(qū),位于烏魯木齊市的懂不,主要風景特色為冰川湖泊、民族風情。近些年,因氣候變化異常,降水過于集中,過度放牧、砍伐等因素的影響,導致泥石流頻發(fā),促使上游多數(shù)松散物質(zhì)和泥沙進入天池,不僅縮小天池的湖面面積,也影響旅游資源的質(zhì)量,直接影響天池的生命。天池氣象站統(tǒng)計的數(shù)據(jù)表明,天池氣候編程存在明顯的振蕩特征,調(diào)查顯示,1971年~2003年,天池遭受泥石流侵襲,泥沙向湖心推進217米;而2003年~2006年,天池的湖岸線又推進54米,沙進水退導致天池湖面多年來縮小3.47%。截止2007年,天池湖水深度從10年前的平均100米下降至80米。從整治泥沙、改善環(huán)境等方面入手,繼續(xù)對泥石流進行相應的防治工作,例如:設置攔沙壩、沉沙池等,結(jié)合相應的生物措施保護天池的經(jīng)過,提升天池的旅游價值。下文針對天池塵沙吃設計展開討論。
1.2 泥沙特性。新疆天池泥沙主要是懸移質(zhì)、推移質(zhì)兩類,相關(guān)研究表明,0.001~0.005粒徑的泥沙能有效改善土壤養(yǎng)分,粒徑為0.005~0.1mm泥沙可以改善土壤結(jié)構(gòu),大于0.1mm的泥沙對農(nóng)作物產(chǎn)生不良影響,極易出現(xiàn)淤積渠道的情況。根據(jù)具體運行經(jīng)驗,粒徑超過0.05mm時,泵站磨損程度明顯,因此,在灌溉區(qū)域,沉沙池最小沉沙粒徑約為0.05mm。在水電站沉沙池內(nèi),最小沉降粒徑與額定水頭呈負相關(guān)關(guān)系,通常最小粒徑值控制在0.25mm左右。本工程沉沙池最小沉降粒徑約為0.05mm,要求 最小沉沙粒徑沉降率超過50%。
1.3 天池景觀要求。沉沙池上與主溝攔沙壩消力池,下與排洪道相連接,沉沙池應與上下游工程相互協(xié)調(diào),并具有相應的景觀價值。
2、選定合理的沉沙池方案
2.1 設計沉沙池形式。根據(jù)天池的地址條件和任務需求,可以挑選沉沙池型式包括條形沉沙池、定期沖洗式箱型沉沙池:
2.1.1 在引水暗渠0+063.7后設置沖洗式箱型沉沙池。箱型沉沙池主要包括上游連接段、排沙系統(tǒng)等。上游連接段長度和底寬度分別為32m,2.0~1.6m,天池深度為1.6m,后連接3孔池廂進水閘,閘孔高度及閘寬設計為2.4m、4.8m。池寬設定為1.6m,每隔2.8m設計一道池廂隔墻,共設計5道。工作區(qū)域末端接近排沙閘,閘孔尺寸設定為0.8*1.2m,閘后連接縱坡4/100U形排沙暗渠。
2.1.2 在引水渠0+063.7位置設計梯型沉沙池,主要包含進口段、出口段、工作段,其中進口段長度為25m,底寬為2m,工作段長度為255m,斷面設計為梯型,底寬為60m,出口段長度為15m。
2.2 比較方案優(yōu)劣。方案一總投資約為712萬元,這種結(jié)構(gòu)形式的排沙池非常方便,在其執(zhí)行過程中容易消耗發(fā)電和用水,同時,整個建設工程需要大量的鋼筋、硂。方案二設計的工程造價為285.5萬元,這種結(jié)構(gòu)相對簡單,但排沙不方便,方案二調(diào)節(jié)容量約為3.2萬?,可用于灌溉高峰期和枯水期,確保水電站正常運行。條渠式沉沙池借助天然洼地、灘涂,因地制宜,淤滿后即可還耕、固堤,這種沉沙池因過水斷面屬于漸變式,基于相同流量下,促使泥沙淤的均勻,效果較好。新疆天池沉沙池屬于三工河河槽、灘涂,從而組成低洼地帶,因而選擇條渠式沉沙池。
2.3 運行方法。條渠式沉沙池根據(jù)其形式劃分為湖波形、梭形、帶形,考慮本工程存在重要景區(qū),湖波形沉沙池更加自然,且與下游的天池相互相應。沉沙池使用自流和以外待沉相互結(jié)合的方式,運行初期,通過邊堤、河槽、灘涂等形成自流沉沙。每年枯期,借助機械設備展開定期清淤工作,確保次年汛期來臨前,恢復庫容實現(xiàn)最佳沉沙效果。
3、分析沉降效果
使用沉降概率法低水腫泥沙沉降概率實施驗算,沉降概率算法將水流中紊動豎向分速作為隨機變量,并將其分布變化遵循正態(tài)分布效果,池底沉降率公式為:
公式①中, 表示泥沙分組沉降率,L和H0分別表示沉沙池段長度和平均水深;d表示水流泥沙平均粒徑,h、t表示計算點距池底距離和時段, 表示計算參數(shù)。根據(jù)沉降率演算結(jié)果可知,水流中超過0.25mm粒徑級沉降率為81%。按照沖流速度為2.45m/s,設計滿足規(guī)范要求。沉沙池設計參數(shù)下表。與沉降前泥沙沉降率可知,沉沙池水流中的各個粒徑組泥沙明顯提升,說明條渠式沉沙池沉降效果較好,說明這種沉沙池的合理性。
4、結(jié)語
沉沙池是水利工程最常見的控制泥沙粒徑措施,其功能主要通過擴大過流斷面、減少水流挾沙力等方法,有效減少水力機械水流中存在大量的有害泥沙含量。設計合理的沉沙池關(guān)乎整個水電站運行效益,文中以新疆天池為研究實例,分析其具體要求和條渠式沉沙池設計情況,以期達到最佳的沉降效果。
參考文獻:
[1]洪振國.沉沙池幾種計算方法應用探討[J].中國農(nóng)村水利水電,2013,13(1):129-131.
[2]石桂萍.吉縣東城提黃灌溉工程沉沙池設計[J].中國農(nóng)村水利水電,2013,9(1):135-137.
[3]戴榮富.河水自壓滴灌平流式沉沙池工程設計要點[J].水利規(guī)劃與設計,2013,17(9):65-67.