螺旋沖沙法在跳魚坪電站的運用探討

凌賢波

(涼山州大橋水電開發(fā)總公司，四川 西昌，615000)

螺旋沖沙法在跳魚坪電站的運用探討

凌賢波

(涼山州大橋水電開發(fā)總公司，四川 西昌，615000)

山區(qū)徑流式電站由于沉沙池受地形條件限制，采取逆向沖沙時，沖沙效果不理想，如果運用工程措施在排沙溝中產(chǎn)生強有力的螺旋水流推移沉沙，可使排沙能力大大提高。本文以雷波縣跳魚坪電站為例，針對該電站原設計排沙系統(tǒng)沖沙效果不理想的問題，重點探討運用螺旋沖沙法進行排沙系統(tǒng)改造設計的有關技術方法。

螺旋沖沙U型排沙溝 排沙孔 跳魚坪電站

1 概述

在多泥沙河流上引水灌溉、發(fā)電，前池沉沙較多或由于引水系統(tǒng)沉沙池受地形條件限制，采取逆向沖沙，沖沙效果不理想。為提高沖沙效果，可以考慮采用螺旋沖沙法排沙(水力連續(xù)排沙)。

本文討論的螺旋沖沙是在矩形沉沙池的底部設置U型排沙溝，其上鋪滿帶孔的預制蓋板，U型排沙溝與輸沙廊道連接，廊道出口用排沙閘控制排沙(見圖1、圖2)。要使排沙溝產(chǎn)生強有力的螺旋水流，關鍵在于將預制蓋板上的孔口偏于U型排沙溝的一側邊壁，等距離布置，這樣進入蓋板的水流才能沿U型排沙溝底部圓弧形成螺旋流，在排沙溝中產(chǎn)生較大的排沙能力。

圖1 螺旋沖沙排沙廊道

圖2 排沙溝斷面圖

2 螺旋沖沙法運用探討

本文以雷波縣跳魚坪電站為例，探討螺旋沖沙法在該工程中的運用情況。

2.1 工程概況

雷波縣跳魚坪電站是西蘇角河梯級水能開發(fā)的第五級，裝機2×1000kW；西蘇角河是金沙江左岸的中小支流，上源分長河、拉咪河兩支，長河為主流，源出于雷波縣與美姑縣交界處的黃茅埂山。西蘇角河全長48km，河道坡降54.0‰，天然落差3250m，流域集水面積712km2，流域內河谷狹窄、沉陷、河道斷面多呈“V”形，河道彎曲、縱比降大，水流流速大，洪枯水位變幅大；河流兩岸地形復雜，覆蓋層較厚，山洪、泥石流災害常有發(fā)生，洪水期泥沙含量高，推移質問題嚴重。跳魚坪電站沉沙池(代前池)受地形條件限制，設計采取逆向沖沙。工程自1995年竣工投產(chǎn)以來，由于沖沙水流受進水渠水流影響，沖沙流速不夠，且接近進水室沖沙距離過長，沖沙效果不理想，進水室泥沙於積嚴重，運行中除正常開啟沖沙閘沖沙外，需停產(chǎn)關閉來水進行人工除沙。據(jù)現(xiàn)場測得進水室不能沖走的沉沙平均厚度在30cm～50cm右左，粗沙通過水輪機加速轉輪及彌宮環(huán)的磨蝕，給電站正常運行和發(fā)電造成一定影響。跳魚坪電站設計引用流量為12m3/s，懸沙的粒徑d90%為0.55mm。沉沙池長40m，寬11m，池底建有聚沙埂，設計水深5m，其中包括預留沉沙厚度0.9m(見圖3)。

單位：cm

2.2 螺旋沖沙設計推求

針對跳魚坪電站排沙系統(tǒng)運行中存在的問題，運用螺旋沖沙的技術原理，對該電站排沙系統(tǒng)的改造進行設計推求。

2.2.1 排沙孔設計計算

排沙孔口采用圓形，并垂直于預制蓋板板面穿孔。蓋板孔徑的選擇，根據(jù)上游河道懸移質的大小和數(shù)量等因素選定。孔徑取值范圍Rn=0.1m～0.16m。

2.2.2 各排排沙孔間距計算

各排排沙孔間距a1(見圖1)的計算式為：

(1)

式中：

a1——相鄰兩排孔口中心間距(m)；

hs——沉沙池中設計沉淀泥沙的厚度(m)；

Rn——排沙孔的孔徑(m)；

f——沉淀泥沙的水下磨擦系數(shù)。

沉沙池端排沙孔中心與沉沙池兩側墻的間距取a1/2。

2.2.3 同排排沙孔間距計算

同排排沙孔間距a2(見圖1)主要以排沙溝的設計深度為依據(jù)，其計算式為：

(2)

式中：

a2——同排排沙孔間距(m)；

hg——排沙溝的設計深度(m)，其值見(3)式；

Rn——排沙孔的孔徑(m)；

ε——同排排沙孔間距修正系數(shù)，其值不宜大于1，最佳為0.6～0.7；

f——泥沙的水下磨擦系數(shù)。

2.2.4 排沙溝設計計算

排沙溝的橫斷面做成U型，并將其蓋板上的排沙孔靠近排沙溝的一側邊壁布置(見圖2)。開閘排沙時，進入排沙溝的水流沿排沙溝一側邊壁下泄，下泄水流受排沙溝底部圓弧面邊界的導向，在排沙溝中將產(chǎn)生橫向流，當橫向流流速大于沉沙的起動流速時，水流將推移沉淀泥沙。

排沙溝橫斷面深度hg的簡化計算式為：

(3)

式中：

Rn——排沙孔的孔徑(m)；

u——修正系數(shù)，采用圓孔時取1.15；

h——沉沙池設計水深(m)；

d90——沉沙粒徑在沉沙中小于此粒徑的沉沙占90%(mm)；

Qn——排沙孔下泄流量(m3/s)；

g——重力加速度(m/s2)。

排沙溝橫斷面的寬度Bg與深度hg一致，下半部為半圓弧形(見圖2)。

2.2.5 輸沙廊道的設計與排沙溝的銜接

為盡量縮短排沙溝的流程，輸沙廊道應設置在排沙溝的中部，與排沙溝垂直平交，同時為避免輸沙廊道兩側排沙溝的出流對碰消能，削弱挾沙能力，應將兩側排沙溝錯開一定距離。輸沙廊道的橫斷面尺寸可按涵洞的設計方法計算。

2.3 推求結果

跳魚坪電站排沙工程按以上設計方法推求，其螺旋沖沙設計的具體參數(shù)為：排沙孔采用圓孔，孔徑為0.12m；前后兩排沖沙孔間距為3m；同排排沙孔的間距為1m；排沙溝深度為0.8m，寬度為0.8m，下半部為圓弧形。排沙溝長3m，輸沙廊道寬高各為1m，比降為1/50，池中分右左排沙孔對稱的兩套排沙系統(tǒng)排沙。

由于跳魚坪電站沉沙池寬度僅11m，布置橫向沖沙溝顯得過于擁擠，而且工程施工較復雜，改建工程量大、投資高。結合原工程的現(xiàn)狀(見圖3)，排沙工程設計為右左兩條U型排沙溝，同時又是輸沙廊道，尺寸為寬1m，深1.5m，排沙孔采用圓孔，孔徑為0.12m，排沙孔間間距1m(見圖4、圖1和圖2)，充分利用原沉沙池底布置的聚沙埂、聚沙溝以彌補無橫向沖沙溝排沙效果欠佳的不足。

圖4 雷波縣跳魚坪電站前池螺旋沖沙系統(tǒng)設計圖

3 運用效果及結論

3.1 運用效果

從電站改造后的運行效果來看，沖沙效果顯著提高，兩套沖沙系統(tǒng)輪流開啟沖沙閘沖沙(每套系統(tǒng)約45min完成沖沙)，前池進水室沉積的泥沙較少，年沖沙次數(shù)可減少4次，不再需要停機進行人工除沙，水輪機轉輪及彌宮環(huán)的磨蝕也大大減輕，電站的經(jīng)濟效益得到了提高。

3.2 結論

以本文設計方法在原沉沙池的基礎改造，增加的工程量較小，且施工簡單。壓力縫隙或孔的螺旋流具有流速高、切力大、流程長以及有利的壓力分布等特點，運用螺旋沖沙法，結合合理的工程措施，可以運用于一些沖沙效果不理想的水利、水電工程，解決沖沙困難問題。

凌賢波(1973.1-)，男，漢族，四川西昌市人，大專學歷，工程師，高級職業(yè)經(jīng)理人。現(xiàn)任涼山州大橋水電開發(fā)總公司漫水灣供水中心總工程師，四川冕寧、會理，安徽天長市中電建大橋公司副總經(jīng)理。

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2095-1809(2017)01-0050-03