水電站引水渠道渦管排沙工程施工研究

劉洋

（太原市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山西 太原 030024）

0 引言

結(jié)合東江水利樞紐工程的建設(shè)實(shí)踐，提出了新的樞紐工程的共性與發(fā)展趨勢(shì)，即多層防沙排水工程。采用多層防沙、排沙措施，達(dá)到了多引少入沙的目的。但是，不同類型的泥沙，粗細(xì)不一，必須采用集中的方法進(jìn)行治理，不僅技術(shù)難度大、經(jīng)濟(jì)不佳，而且一旦堆積起來，就會(huì)造成新的危害。因此，必須采取多種方法進(jìn)行泥沙的分級(jí)，使泥沙在水流中的垂直方向上具有一定的分布規(guī)律，從而使淤積物具有上細(xì)、下粗的特點(diǎn)。要想從地面吸取“清水”，就必須將排水管盡量布置在水流的表層，并根據(jù)環(huán)流特性，通過先引水后排水的方式，改變水流結(jié)構(gòu)以及泥沙分布狀態(tài)。在導(dǎo)流工程中，除了利用沖閘、泄洪閘沖沙，還經(jīng)常在建筑物的底部設(shè)置排水廊道。新修建的明渠和改擴(kuò)建的明渠沖刷效果較好，但因其導(dǎo)流能力不足，常常比原有的明渠要高。因此，文獻(xiàn)［1］提出了一種采用底孔閘門泄洪排沙的方法：該方法首先構(gòu)建整體水工模式，在泄洪中打開全部底孔，容易出現(xiàn)底孔消力消能問題。針對(duì)該問題，需要采用半開的運(yùn)行模式來緩解泄洪問題，進(jìn)而減緩下游沖刷壓力，提高排沙效果［1］。文獻(xiàn)［2］提出了一種基于不同汛期的排沙數(shù)值模型構(gòu)建方法：該方法充分考慮電站效益，結(jié)合上游梯級(jí)建設(shè)時(shí)序變化情況，擬定不同汛期下的排沙水位，基于該數(shù)值構(gòu)建排沙數(shù)值模型，由該模型計(jì)算各個(gè)排沙數(shù)位，綜合比選，確定合適的排沙汛期［2］。然而，這兩種方法容易受到懸移質(zhì)影響，導(dǎo)致排沙效率較低。為此，提出了水電站引水渠道上的渦管排沙工程施工研究。

1 工程概況

東江水利樞紐工程位于廣東省惠州市，是一項(xiàng)省級(jí)重點(diǎn)工程，目的是改變東江水環(huán)境、改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。東江水利樞紐工程全面完工后，將使下游尤其是惠州城區(qū)水位升高，形成一個(gè)庫容1.16億m3、水面28 km2的大流域，比惠州現(xiàn)在的西湖要大20倍。

東江水利樞紐工程建成，東江惠州城區(qū)的水位已經(jīng)達(dá)到了10.35 m，東江地區(qū)已經(jīng)成為惠州城區(qū)的重要水源地。東江水利樞紐工程建成后，使東江的水位升高，同時(shí)河流的寬度會(huì)增大，水流速度會(huì)降低，河流自身的清潔能力也會(huì)下降，在市區(qū)內(nèi)形成了1個(gè)湖（見表1）。

表1 實(shí)測(cè)泥沙資料數(shù)據(jù)

由表1可知，正常情況下，來沙量與來水量成正比關(guān)系。

2 方案設(shè)計(jì)

渦管排沙指的是在水電站引水渠中多泥沙引水樞紐水槽底部設(shè)置1根管道，使流入水槽底部的泥沙全部排出。渦管排沙的作用是對(duì)總干渠內(nèi)的泥沙進(jìn)行治理，當(dāng)河道內(nèi)的泥沙流入渦流時(shí)，渦流中的旋流就會(huì)形成螺旋流；通過這種螺旋作用方式增大了泥沙上揚(yáng)程度，使懸移物能夠處于懸浮狀態(tài)［3］。在渦管中，泥沙在豎直方向上被排出，其輸送能力明顯增強(qiáng)。渦流管道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)地形、水流條件、泥沙特性都有一定的影響，該設(shè)備具有投資小、排沙率高的特點(diǎn)。

2.1 渦管位置和水力要素確定

2.1.1 渦管位置

由于旋流管道設(shè)置在溝槽的底部，當(dāng)淤積的泥沙從漩渦中流出時(shí)，必須要有一個(gè)很大的斜度，這樣才能把泥沙排入到原來的河槽或深溝洼地中；因此，在靠近河道的地方，要有充分的落差。

2.1.2 水力要素

通常水槽的深度比較狹窄，增大水槽的開口長(zhǎng)度可以使渠底抬高或部分加寬，使下坡面變?yōu)殚L(zhǎng)方形。若調(diào)節(jié)斷面長(zhǎng)度較小，調(diào)整后面積與調(diào)整前近似，則可以認(rèn)為水深及底寬變化不大。若剖面變化很大，則采用不均勻流的方法，對(duì)其表面進(jìn)行計(jì)算，并確定渦管鋪設(shè)段的水力要素。

2.2 渦管平面布置

在布置渦管平面時(shí)，水槽中的水流快速流入渦管后，會(huì)在渦管內(nèi)形成水力矩，從而使其圍繞著自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，形成漩渦［4］。螺旋氣流將下層的泥沙和下層的泥沙一起卷起，并隨水體作螺旋運(yùn)動(dòng)（見圖1）。

圖1 渦管平面布置

由圖1可知，由于水流的運(yùn)移能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了運(yùn)載的運(yùn)移能力，所以在下水道中的泥沙可以很好地排出，這也是渦管排沙能力優(yōu)于其他排沙方法的主要原因［5］。

2.3 引水渠道上的渦管設(shè)計(jì)

渦管開口寬度必須能夠平穩(wěn)地處理最大顆粒的泥沙，以達(dá)到排泥的需要。引水樞紐的最大顆粒直徑為15 cm，旋流管的孔口寬度應(yīng)該是最大直徑的1.5～2.0倍。旋流管的開孔寬度為30 cm，可以達(dá)到排沙量的要求［6-8］。渦管直徑的大小主要取決于兩個(gè)因素，分別是渠道流量和水流速度，渦管直徑計(jì)算公式可表示為：

式中，q為引水樞紐渠道流量；v為渦管平均流速。根據(jù)該公式，確定渦管直徑。

渦管的排沙率與管內(nèi)的螺旋流及縱向流速有一定的關(guān)系，在渦管與通道軸線的角度為90°時(shí)，可以增大渦管的旋流強(qiáng)度，進(jìn)而增加切向流速［9-10］。此外，為了提高渦管的縱向坡度，可以調(diào)節(jié)其縱向斜率為1∶25。

基于此，計(jì)算渦管截沙率，公式為：

式中，λ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；L、L0分別為固定渦管固定開角和在確定λ值后的渦管開角；D、D0分別為固定渦管管徑和在確定λ值后的渦管管徑；d為泥沙直徑；γ、γa分別為水和泥沙容重；θ為水槽坡底角度［11］。

根據(jù)該公式可知，渦管開角、渦管管徑、水槽底坡坡度都是使渦管內(nèi)截沙率變大的主要原因［12］。

2.4 不同粒子泥沙分級(jí)處理

從河水中流出的泥沙有粗有細(xì)，對(duì)渠首以上的有害顆粒進(jìn)行集中處理，很難一次完成。如果采用不同粒度的泥沙分類，則先將大顆粒泥沙處理，將中微量泥沙排入河道，再經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幹?，將其分散，以達(dá)到治理目標(biāo)，降低成本［13-14］。在不同的水流條件下，粗細(xì)沙體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和處理方法均不同，其中細(xì)沙在水流作用下容易被排除，而粗沙在水流作用下不同時(shí)被排出。因此，對(duì)于粗沙的排出一般可以在水閘前的河床內(nèi)進(jìn)行；比如，可以在沉沙槽中沉積，再通過沉淀池和沖洗槽將泥沙排入下游［15］。

最能反映出顆粒級(jí)配沙作用的是基座，它在堤頂上建有沙丘和石墻，防止大塊小石子流入堤岸。假如擋沙坎前方的泥沙不能及時(shí)排出，就會(huì)有更多的泥沙沖上堤岸，沖進(jìn)河堤。在泥沙通過堤壩時(shí)，粒徑小于屏障間隙的沉淀物會(huì)隨著水流流向堤壩；而粒徑大于屏障的沉淀物則會(huì)從堤壩的入口處進(jìn)入主流道，并隨著水流流向下游，這是第一級(jí)處理過程。

流入干渠的沙礫和泥沙繼續(xù)以流態(tài)的方式沿河道流淌，在河道合適的位置，靠近原有河床且落差較大時(shí)，在溝底設(shè)排水管道，將泥沙排出，這是第二級(jí)處理過程。

通過兩級(jí)的處理，大部分的推移質(zhì)都被處理掉了，只有懸移質(zhì)留在了溝槽中。

2.5 渦管排出懸移質(zhì)泥沙處理

懸移質(zhì)粒度越大，對(duì)渦輪機(jī)性能的影響也就越大，而懸移質(zhì)粒徑在豎直方向上的分布特點(diǎn)為：上部顆粒數(shù)量少，粒徑減小；而下部顆粒含量高，粒徑大。在速度分布方面，地面速度更大，而在底部則幾乎為0；旋流排出懸浮質(zhì)沙的工藝原理如下所示（見圖2）。

圖2 旋流排出懸浮質(zhì)沙的工藝原理圖

由圖2可知，在一定的水體中，如果把相應(yīng)的水流速度乘以相應(yīng)的水流速度，就可以得出各水深中的堵沙率。以該水深為分界流線，采用積分法計(jì)算出分界流線以下的水流，從而利用最小的水流將懸移質(zhì)中的有害顆粒尺寸泥沙排出。

2.6 渦管排沙式沉沙池設(shè)計(jì)

渦管排沙式沉沙池實(shí)質(zhì)上是一種梯形的槽道，其斷面呈擴(kuò)張狀。在進(jìn)水區(qū)設(shè)有過渡區(qū)，在尾端設(shè)有溢流堰。高泥沙濃度流流入沉淀池，粗懸浮物經(jīng)分級(jí)沉降后，按順序下沉至池底，由多個(gè)排泥旋流器排出沉渣，立即收集后排入河中。將常規(guī)的分批沖洗沉淀池中的泥沙設(shè)備改造成多根排泥旋流管，能夠在不停地排泥的條件下不斷地排出泥沙，從而增加了引水式電站的發(fā)電量。1套排沙管可以聯(lián)合或間歇運(yùn)轉(zhuǎn)，既能實(shí)現(xiàn)連續(xù)排沙，又能節(jié)省排沙量。

為降低相鄰旋流管之間的淤積，建議采用4排旋流器改造成7排，使排沙量維持在2.1 m3/s，約占設(shè)計(jì)下水道流量的14%。沉沙池表面的清水經(jīng)溢流堰流入下游電廠的導(dǎo)流槽，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了分析。在設(shè)計(jì)流量12.9 m3/s的情況下，堰頂水位為0.9 m3/s。

從水電站的工程施工特點(diǎn)來看，渦管式沉沙池是一種長(zhǎng)度短、不易沉淀的旋流槽（旋流管）。在設(shè)計(jì)工況下，每根排沙管均可進(jìn)行不間斷排沙，但其排沙量不得大于設(shè)計(jì)流量的15%。如果根據(jù)河床的淤積情況來確定最佳的排泥方案，其排泥量要小于其他類型的沉降。

3 排沙實(shí)踐測(cè)試

3.1 測(cè)試環(huán)境

東江電站引水渠道示意圖如下所示（見圖3）。

圖3 東江電站引水渠道示意圖

由圖3可知，引水渠道流量為58 m3/s，底寬為1.5 m，邊坡系數(shù)為1.25，水深2.4 m，平均水流為2.0 m/s。該渠道運(yùn)行十余年后，沉沙效果越來越差，導(dǎo)致引水渠道堆積大量泥沙，使得水輪機(jī)受到嚴(yán)重磨損。為此，需要采用排沙技術(shù)解決這些問題。

3.2 不同參數(shù)對(duì)渦管排沙技術(shù)截沙率的影響

3.2.1 渦管管徑對(duì)截沙率的影響

在保證其他條件不變的條件下，渦管管徑越大，渦管內(nèi)截沙率就越高，在水槽總流量確定的前提下，渦管切向和軸向分流均隨之增大。為了驗(yàn)證該點(diǎn)的正確性，分析了不同渦管管徑對(duì)截沙率的影響（見表2）。

表2 不同渦管管徑對(duì)截沙率的影響

由表2可知，隨著渦管管徑的變大，截沙率也隨之增加，證實(shí)了上述理論的正確性。

3.2.2 渦管開角（10°～180°）對(duì)截沙率的影響

在保證其他條件不變的情況下，渦管開角以90°為一個(gè)分水嶺；當(dāng)開角小于90°時(shí)，隨著開角的增大，渦管過流量減小，切向和軸向速度也隨之減小，導(dǎo)致截沙率較??；當(dāng)開角大于90°時(shí)，隨著開角的增大，渦管過流量增加，切向和軸向速度也隨之增加，促使截沙率變大。為了驗(yàn)證該點(diǎn)的正確性，分析了不同渦管開角對(duì)截沙率的影響（見表3）。

表3 不同渦管開角對(duì)截沙率的影響

由表3可知，當(dāng)開角小于90°時(shí)，隨著開角的增大，截沙率隨之減?。划?dāng)開角大于90°時(shí)，隨著開角的增大，截沙率隨之增加，證實(shí)了上述理論的正確性。

3.3 測(cè)試結(jié)果與分析

為了使測(cè)試結(jié)果更具有真實(shí)性，需將渦管排沙技術(shù)與底孔閘門泄洪排沙、基于不同汛期的排沙數(shù)值模型的排沙率進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如下所示（見圖4）。

由圖4可知，橫向水流和縱向水流速度不同，對(duì)排沙率造成的影響也不同。其中，使用底孔閘門泄洪排沙技術(shù)在不同橫向水流下，最高排沙率為67%，且隨著橫向水流速的增加，排沙率效率升高速度加快；在不同縱向水流下，最高排沙率為74%，且隨著橫向水流速的增加，排沙率效率升高速度變慢，并且逐漸呈現(xiàn)排沙率穩(wěn)定現(xiàn)象。使用基于不同汛期的排沙數(shù)值模型在不同橫向水流下，最高排沙率為44%，且隨著橫向水流速的增加，排沙率效率升高速度加快；在不同縱向水流下，最高排沙率為62%，且隨著橫向水流速的增加，排沙率效率升高速度變慢，并且逐漸呈現(xiàn)排沙率穩(wěn)定現(xiàn)象。使用渦管排沙技術(shù)，在不同橫向水流下，最高排沙率為80%，且隨著橫向水流速的增加，排沙率效率升高速度加快；在不同縱向水流下，最高排沙率為94%，且隨著橫向水流速的增加，排沙率效率升高速度變慢，并且呈現(xiàn)排沙率穩(wěn)定現(xiàn)象。

圖4 三種技術(shù)排沙率對(duì)比分析

通過上述分析結(jié)果可知，使用渦管排沙技術(shù)具有高效排沙效果。

4 結(jié)語

本文從渠首樞紐引水調(diào)度方式研究出發(fā)，以總干渠首進(jìn)水閘、沖沙閘和農(nóng)業(yè)進(jìn)水閘為泥沙重點(diǎn)監(jiān)測(cè)研究區(qū)域，對(duì)渠首不同時(shí)段泥沙淤泥規(guī)律、排沙與不排沙工況下泥沙的入渠條件及渠首樞紐不同調(diào)度方式下的排沙量進(jìn)行定量分析，最終得出不同調(diào)度方式對(duì)渠首排沙量的影響規(guī)律。為此，提出的水電站引水渠道上的渦管排沙工程施工技術(shù)，采用分級(jí)法處理淤積和旋流排沙沉淀池，可以作為綜合原理和控制技術(shù)的成功實(shí)例。