定期冲洗式沉沙池的冲洗计算研究

洪 振 国

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)



定期冲洗式沉沙池的冲洗计算研究

洪 振 国

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)

以中小型水利水电站沉沙池为研究对象，在准静水沉降法基础上，选取了危害泥沙粒径、紊动修正系数、泥沙沉降率、泥沙淤积物干密度的合理值，提出了无泥沙资料的沉沙池冲洗计算方法。危害泥沙粒径根据沉沙池额定水头、多年平均含沙量、工程规模、水轮机材料的耐磨性能及加工制造水平选取，紊动修正系数按泥沙实际运动规律选取，泥沙沉降率根据水工设计手册选取，泥沙淤积物干密度结合国内原型观测和模型试验及运行实践选取。以麻子河一级水电站为例进行计算，计算表明：无泥沙资料的沉沙池冲洗计算方法的计算结果与模型试验一致。水电站10年来的实际运行效果显示：基于该方法的中小型水电站沉沙池设计是切实可行的。

水利工程；水电站；沉沙池；泥沙；冲洗计算

0 引 言

在无调节能力的多泥沙河流引水时，为了防止水中有害的或过多的泥沙进入渠道，减少渠道淤积或水轮机、水泵的磨损，常设计修建沉沙池[1]。若对水电站沉沙池的泥沙不按时冲洗，沉沙池淤积将会较严重，随着淤积的发展，进入渠道的泥沙数量将不断增加，泥沙粒径逐渐变粗。挟带大量粗沙的水流，通过轮机时将引起磨损问题，水轮机磨损使机组效率下降，出力不足，强度削弱，严重时不得不停机修理，不仅影响了发电而且检修工程量很大，造成很大经济损失[2]，通过定期冲洗式沉沙池冲洗计算，可以得到冲洗周期、冲沙历时和冲洗流量，对沉沙池布置、运行设计及经济分析等提供重要依据，所以有必要对沉沙池的冲洗计算进行深入研究。

目前沉沙池冲洗计算方法有冲洗过程计算方法和准静水沉降法两种方法，冲洗过程计算方法是SL269—2001《水利水电工程沉沙池设计规范》(以下简称《规范》)采用的计算方法，即分别计算沉沙池的泄空冲洗、溯源冲洗和沿程冲洗3个冲洗过程历时，沉沙池冲洗历时为这3个过程总的历时。准静水沉降法为在静水中的泥沙沉降速度修正，通过沙沉降速度修正后得到动水中泥沙沉降速度，利用动水中泥沙的沉降速度来确定沉沙池的各个断面级配、含沙量及长度。采用重力理论计算得到沉沙池的长度尺寸，即为设计要求的最小沉降粒径泥沙颗粒刚好在沙池的最末端沉降的长度[3]。但是冲洗过程计算和准静水沉降法两种方法有试验资料和设计所需要资料时才计算，基于目前中小型水利水电工程建筑物沉沙池设计时，沉沙池设计资料也只有含泥沙量和引水流量，无法根据目前的沉沙池冲洗方法计算,有必要对无泥沙资料的沉沙池冲洗进行计算研究,笔者先介绍了目前沉沙池冲洗计算常用的两种方法(冲洗过程计算和准静水沉降法)，然后基于准静水沉降法，通过改进方法选取沉沙池的危害泥沙粒径，按泥沙实际运行动规律选取紊动修正系数，通过查水工设计手册的泥沙沉降百分数计算曲线选取泥沙沉降率，结合国内原型观测和模型试验和运行实践选取泥沙淤积物干密度，提出无泥沙资料时沉沙池冲洗计算方法，并对麻子河一级水电站沉沙池的运行情况进行了实例分析。

1 冲洗过程计算

模型试验、原型观测和运行实践表明，水利工程定期冲洗式沉沙池的冲洗过程可概化为泄空冲洗、溯源冲洗和沿程冲洗3个阶段。

1.1 泄空冲洗

1.1.1 泄空冲洗排沙体积

确定沉沙池基本尺寸，并掌握泥沙淤积形态及水面线后，可利用沉沙池泄空冲洗排沙体积公式计算：

(1)

式中：Vw为沉沙池泄空冲洗起始淤积面以上的水体体积，m3；Vc为沉沙池泄空冲洗排沙体积，其值等于沉沙池控制水位以下的体积减去沉沙池的泥沙淤积体积，m3；S为沉沙池泄空冲洗出池平均含沙量，kg/m3；ρd为淤积泥沙干密度，t/m3。

在《规范》中没有介绍沉沙池泄空冲洗排沙含沙量计算，设计中通常是通过原型观测统计分析或模型试验资料，按式(2)沉沙池泄空冲洗过程平均含沙量公式计算：

(2)

式中：Sj为j时段平均排沙含沙量,kg/m3；Δtj为j时段长,h；j为时段编号，j=1，2，…，n；S为冲洗过程平均排沙含沙量,kg/m3。

泄空冲洗排沙体积计算关键是合理选择平均排沙含量S及可泄空排出的淤积泥沙干密度ρd。

1.1.2 泄空冲沙历时

(3)

式中:tc为泄空冲沙历时,h；Qc为池室平均泄空流量，m3/s；其他符号含义同前。

1.2 溯源冲洗

1.2.1 各冲洗块体单宽输沙率

以沉沙池末冲沙闸前的池底板为基点，将溯源冲洗阶段概化为n个计算冲洗块体，逐块计算，各冲洗块单宽输沙率可用式(4)近似计算：

(4)

1.2.2 溯源冲洗历时

(5)

式中：ts为池室溯源冲洗历时，h；bi为计算块体平均宽度；Qs为池室冲洗流量，m3/s；Vsi为计算冲洗块体的淤沙体积，m3；S0为冲洗水流入池含沙量，kg/m3；其他符号含义同前。

1.3 沿程冲洗

1.3.1 沿程冲洗出池平均含沙量

(6)

式中：S*为沿程冲洗出池平均含沙量，kg/m3；U为沿程冲洗平均流速，m/s；R是沿程冲洗平均水力半径，m；ω为大于d10淤沙粒径的平均沉速，m/s；K，m分别为系数和指数[3]。

1.3.2 沿程冲洗历时

(7)

式中：ty为沿程冲洗历时，h；Vy为沿程冲洗阶段排沙体积，m3；其他符号含义同前。

1.4 冲洗总历时

t=K(tc+ts+ty)

(8)

式中：t为冲洗总历时，h；K为工作安全系数，可取K=1.2～1.4。

2 准静水沉降法计算

2.1 沉沙池工作长度计算

静水沉降法指在不考虑水流紊动作用影响时，假定水流的平均流速不变，泥沙颗粒在水流和自身重力作用下，将沿线下沉。实际上沉沙池内水流的流速并不是常数，又由于沉沙池内水流有紊动作用，紊流强度越靠近底部越大，所以泥沙下沉的轨迹并不是直线而是曲线。考虑上述影响，必须对静水沉降法进行修正，将计算长度乘以一个紊动修正系数K，就得到用准静水沉降法计算沉沙池工作长度公式[4]：

(9)

式中：Hp为池厢首端的工作水深，m；U为池厢首端流速，m/s；ω为泥沙计算粒径的沉降速度，m/s。

2.2 各粒径组泥沙平均沉速

(10)

2.3 分组沉降率

(11)

式中：ηi为计算段某粒径组泥沙分组降率；V为计算段平均流速，m/s；H为计算段平均水深，m。

2.4 大于第j粒径组泥沙沉降率

(12)

式中：ηj为大于第j粒径组泥沙沉降率；ΔP0i为沉沙池进口断面某粒径组泥沙的重量百分数。

2.5 沉沙池的日淤积体积

(13)

式中：WS为沉沙池的日淤积体积，m3/d；Q为沉沙池工作流量，m3/s；η为沉降率；T为设计冲洗周期，d；其他符号含义同前。

2.6 冲洗周期

(14)

式中：T为设计冲洗周期，d；V0为设计淤积体积，m3；其他符号含义同前。

2.7 沉沙池的冲沙历时

(15)

式中：t是冲沙历时，s；Se是冲沙水流中的含沙量，kg/m3；V0是沉沙池的沉沙容积，m3；q是冲沙单宽流量；B是沉沙池的工作段宽度，m。

3 无泥沙资料沉沙池冲洗计算

在沉沙池设计实践中，基于准静水沉降法，通过改进方法选取沉沙池的危害泥沙粒径，按泥沙实际运行动规律选取紊动修正系数，通过查水工设计手册的泥沙沉降百分数计算曲线选取泥沙沉降率，结合国内原型观测和模型试验和运行实践选取泥沙淤积物干密度，提出无泥沙资料时沉沙池冲洗计算方法，即只有引水流量和含沙量，没有分组粒径含沙量、各粒径泥沙在动水中的沉降速度、淤积物干密度及泥沙密度等试验资料，计算沉沙效率、沉沙池淤积厚度，最后计算总的淤积量及冲洗时间的方法。下面以麻子河一级电站沉沙池为例，探讨无泥沙资料时沉沙池冲洗计算设计方法。

3.1 工程概况

麻子河一级水电站位于金平县麻子河中上游河段，为麻子河4个梯级开发的第一级电站。电站装机规模3.6×2 MW，额定水头137.1 m，引用流量6.24 m3/s，河流多年平均含沙量1.20 kg/m3，是一座以发电为单一任务径流式电站。工程规模为小(2)型水电站，工程等别为Ⅴ等，主要建筑物按5级设计，次要建筑物按5级设计。工程枢纽由取水口、沉沙池、有压引水隧洞、调压井、压力管道、厂房及升压站组成[6-9]。

麻子河一级水电站沉沙池采用定期冲洗式，为了使沉沙效果好且便于排沙泄水，沉沙池整体呈直线布置，采用正向进水、正向冲沙。沉沙池由首部扩散段、池身段、溢流侧堰、冲沙闸室及冲沙泄水道等部分组成。

3.2 沉沙池沉降泥沙危害粒径选取

沉沙池的危害泥沙粒径选取的合理与否，不仅直接关系到沉沙池的工程造价，而且还会影响水轮机磨损强度及后期电站运行效果，因此对沉沙池危害粒径的选取非常重要。

在《规范》中沉沙池的危害泥沙粒径选取仅跟额定水头有关，但是通过对国内文献进行分析和工程实践表明，当水电站设计水头高，通过水轮机含沙量大，工程规模大，水轮机材料的耐磨性能及加工制造水平差时，泥沙危害粒径选取小值[10-11]。因此沉沙池的危害泥沙粒径选取不仅与额定水头有关，且跟多年平均含沙量、工程规模、水轮机材料的耐磨性能及加工制造水平等有关。

由于麻子河一级水电站额定水头137.1 m、河流多年平均含沙量1.20 kg/m3、沉沙池工程规模为小(2)型水电站、向水机设计及厂家咨询水轮机的磨损性能，所以沉沙池设计的危害最小粒径取0.25 mm。

3.3 沉沙池的基本尺寸确定

2016年6月，信息工程学院领导班子在深入调研的基础上与合肥城市云数据中心股份有限公司建立校企合作关系。合肥市云数据中心有限公司在我院成立“生产，研究，学校和企业合作培训基地”与此同时，我院合肥市云数据中心有限公司也上市成立了“实习培训基地”。

3.3.1 沉沙池首端的工作水深

麻子河一级电站为满足沉降率的要求，增大沉沙池的宽度，水流速度减小，水流挟沙能力降低[10]，沉沙池的工作段水深尽可能取浅，这样竖向沉距小，可提高沉降率。所以选取沉沙池工作段进口水深H=3.4 m。冲沙前的淤积高度hy取池厢首端水深的0.25～0.3倍，考虑到取大值沉沙池宽度太宽，不利于和渠道的连接，故取hy=0.25H=0.85 m。沉沙池首端的工作水深Hp=H-hy=2.55 m。

3.3.2 沉沙池的工作段宽度

(16)

式中：B为沉沙池的工作段宽度，m；Hp为沉沙池首端的工作水深，m；Q为沉沙池工作流量(对定期冲洗式水电工程沉沙池为引用流量)，m3/s；V为沉沙池工作段水流的平均流速。

文献[12]和实践经验表明，沉沙池工作段水流的平均流速，可根据沉降粒径的大小选取，当沉降最小粒径为0.25 mm时，水流的平均流速取0.25～0.55 m/s比较合理。

由于麻子河一级水电站沉沙池平均流速为0.45 m/s，经式(16)计算，沉沙池的工作段宽度B=5.4 m。

3.3.3 沉沙池的长度

沉沙池的长度与池内设计流速、工作水深、泥沙粒径大小及场地条件等因素有关。沉沙池设计规范没有给出具体的计算公式，沉沙池的长度采用准静水沉降法〔式(9)〕计算。

由于无实测数据，粒径的沉降速度按文献[12]来取值，0.25 mm粒径的沉降速度ω=0.024 4 m/s，沉沙池平均流速V=0.45 m/s，由式(9)计算得，沉沙池的长度L=56.5 m。

3.3.4 沉沙池的底坡

定期冲洗式沉沙池的工作段纵向底坡i应满足式(17)：

(17)

式中：V1c为工作段冲沙流速，m/s；C为谢才系数；R为冲沙时平均水深为h时的水力半径，m。

根据文献[12]，冲沙时平均水深h为沉沙池平均水深的10%～30%，即h=(0.1～0.3)Hp=0.255～0.765 (m)。同时由于麻子河一级水电站引用流量Q=6.24 m3/s，工程等别为Ⅴ等，沉沙池为5级建筑物，冲沙时平均水深取小值，所以平均水深h=0.34 m。

3.4 沉沙池的沉降率计算

由于沉沙池工作流量Q=6.24 m3/s，沉沙池首端工作水深Hp=2.55 m，沉沙池的工作段宽度B=5.4 m，沉沙池底坡i0=0.02，冲沙前的淤积高度hy0.85 m，则沉沙池末端在淤积时间内的平均深度Hj末= 3.54 m；沉沙池末端的平均流速Vj末=0.35 m/s ；平均坡度i=0.5×i0=0.01。

根据Hj末/Lj末，ω/Vj末及i，查文献[12]中泥沙沉降百分数计算曲线知沉降率P末=80%，满足设计要求。

3.5 沉沙池的淤积体积及冲洗计算

3.5.1 沉沙容积

沉沙池的设计淤积体积为[12]：

V0=B(hy+i0L/2)×L

(18)

式中：V0为沉沙池的设计淤积体积，m3；其他符号含义同前。

经式(18)计算得，沉沙池的设计淤积体积V0=432 m3。

3.5.2 沉沙池的日淤积体积

计算无泥沙资料沉沙池的日淤积体积时，将准静水沉降法计算公式(14)代入式(13)得到式(19)：

(19)

式(19)中计算参数关键是泥沙淤积物干密度，而在沉沙池设计时泥沙淤积物没有实测的干密度，同时《规范》中也没有明确规定，由国内相关文献[1，12]和实践经验可知，泥沙淤积物干密度ρd通常取1.2～1.6 t/m3比较合理。

由于沉沙池的入池平均含沙量S0=1.20 kg/m3，沉降率η=80%， 经式(19)计算得沉沙池的日淤积体积WS=373 m3/d。

3.5.3 冲洗周期

由式(14)计算得沉沙池的冲洗周期T=1.2 d。定期冲式沉沙池洗周期与淤积容积成正比，当沉沙池冲洗周期短时，淤积容积小，沉沙池工程量减少，但对发电造成不利影响；冲洗沉沙池周期长时，沉沙淤积容积增大[13]，增加了工程量，但对发电有利。因此应根据工程的实际情况，进行技术经济比较，确定合理的冲洗周期和淤积容积尺寸，通常淤积时间在1～7 d范围内选定。

3.5.4 沉沙池的冲沙历时

式(15)中冲沙水流中的含沙量和沉沙池的淤积物干密度是关键参数，而在沉沙池设计时没有实测冲沙水流中的含沙量和沉沙池的淤积泥沙干密度，《规范》规定冲沙水流中的含沙量Se一般取20～85 kg/m3，根据文献[12]，沉沙池的淤积泥沙干密度ρd可取1.2～1.6 t/m3。同时由于麻子河一级水电站额定水头为137.1 m，河流多年平均含沙量等于设计冲洗周期内入池平均含沙量S0=1.20 kg/m3，沉沙池为5级建筑物，沉沙池的冲沙水流中的含沙量S=85 kg/m3，淤积泥沙干密度ρd=1.2 t/m3。

由于麻子河一级水电站沉沙池冲沙单宽流量q=1.36 m2/s，经式(15)计算可得，沉沙池的冲沙历时t=20 min。

3.6 冲洗效果

麻子河一级电站沉沙池严格按设计要求冲洗，水电站经过10 a的运行，水轮机尚未进行过大修，水轮机破坏极其轻微，仅发现转轮有两个叶片下部靠出水边处有海锦状气蚀破坏，蚀坑微小。所以沉沙池冲洗计算值与实际的运行情况基本相符，中小型水电站沙池冲洗计算设计是切实可行的，它从根本上解决了无泥沙资料时定期冲洗式沉沙池的泥沙淤积和冲沙计算。

4 结 语

无泥沙资料沉沙池冲洗计算用于中小型水利水电工程建筑物，设计资料也只有引水流量和含沙量。根据额定水头有关、多年平均含沙量、工程规模、水轮机材料的耐磨性能及加工制造水平等精准地选取沉沙池的危害泥沙粒径。由危害泥沙粒径的大小决定沉沙池工作段水流的平均流速和沉沙池的宽度更为合理。按泥沙实际运行动规律选取紊动修正系数，通过查水工设计手册的泥沙沉降百分数计算曲线选取泥沙沉降率，结合国内原型观测和模型试验和运行实践选取泥沙淤积物干密度，因此它从根本上解决了无泥沙资料冲洗计算课题。

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Scouring Calculation of Periodic Flushing Settling Basin

Hong Zhenguo

(Yunnan Water & Hydropower Engineering Investigation, Design & Research Institute, Kunming 650021, Yunnan, China)

Taking sediment basin of small and medium hydropower station as the research object, the reasonable values of the harmful sediment particle size, the turbulence modified coefficient, the sediment deposition rate and the dry density of sediment deposition were selected on the base of quasi hydrostatic settlement method. And the calculation method without sediment data for dredging and scouring sediment basin was proposed. The harmful sediment particle size was selected according to the rated head of the sediment basin, the mean annual sediment content, the scale of engineering, the performance of wear resistance as well as the manufacturing and processing quality of hydraulic turbine material. The turbulence modified coefficient was selected according to the actual motion rules of sediment. The sediment deposition rate was selected according to the hydraulic design handbook. The dry density of sediment deposition was selected according to the prototype observation, the model test and the operation practice. Taking Mazihe first-grade hydropower station as an example, the calculation indicates that the calculation result of the calculation method without sediment data for dredging and scouring sediment basin is in accordance with that of the model test. The actual 10-year operating effect of the hydropower station shows that it is feasible to design sediment basin of small and medium hydropower station by using the proposed calculation method.

hydraulic engineering; hydropower station; sediment basin; sediment; scouring calculation

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.16

2014-10-14；

2014-11-23

洪振国(1976—)，云南洱源人，高级工程师，主要从事水工建筑物设计方面的研究。E-mail:402897694@qq.com。

TV141

A

1674-0696(2015)06-084-05