螺旋冲沙法在跳鱼坪电站的运用探讨

凌贤波

(凉山州大桥水电开发总公司，四川 西昌，615000)

螺旋冲沙法在跳鱼坪电站的运用探讨

凌贤波

(凉山州大桥水电开发总公司，四川 西昌，615000)

山区径流式电站由于沉沙池受地形条件限制，采取逆向冲沙时，冲沙效果不理想，如果运用工程措施在排沙沟中产生强有力的螺旋水流推移沉沙，可使排沙能力大大提高。本文以雷波县跳鱼坪电站为例，针对该电站原设计排沙系统冲沙效果不理想的问题，重点探讨运用螺旋冲沙法进行排沙系统改造设计的有关技术方法。

螺旋冲沙U型排沙沟 排沙孔 跳鱼坪电站

1 概述

在多泥沙河流上引水灌溉、发电，前池沉沙较多或由于引水系统沉沙池受地形条件限制，采取逆向冲沙，冲沙效果不理想。为提高冲沙效果，可以考虑采用螺旋冲沙法排沙(水力连续排沙)。

本文讨论的螺旋冲沙是在矩形沉沙池的底部设置U型排沙沟，其上铺满带孔的预制盖板，U型排沙沟与输沙廊道连接，廊道出口用排沙闸控制排沙(见图1、图2)。要使排沙沟产生强有力的螺旋水流，关键在于将预制盖板上的孔口偏于U型排沙沟的一侧边壁，等距离布置，这样进入盖板的水流才能沿U型排沙沟底部圆弧形成螺旋流，在排沙沟中产生较大的排沙能力。

图1 螺旋冲沙排沙廊道

图2 排沙沟断面图

2 螺旋冲沙法运用探讨

本文以雷波县跳鱼坪电站为例，探讨螺旋冲沙法在该工程中的运用情况。

2.1 工程概况

雷波县跳鱼坪电站是西苏角河梯级水能开发的第五级，装机2×1000kW；西苏角河是金沙江左岸的中小支流，上源分长河、拉咪河两支，长河为主流，源出于雷波县与美姑县交界处的黄茅埂山。西苏角河全长48km，河道坡降54.0‰，天然落差3250m，流域集水面积712km2，流域内河谷狭窄、沉陷、河道断面多呈“V”形，河道弯曲、纵比降大，水流流速大，洪枯水位变幅大；河流两岸地形复杂，覆盖层较厚，山洪、泥石流灾害常有发生，洪水期泥沙含量高，推移质问题严重。跳鱼坪电站沉沙池(代前池)受地形条件限制，设计采取逆向冲沙。工程自1995年竣工投产以来，由于冲沙水流受进水渠水流影响，冲沙流速不够，且接近进水室冲沙距离过长，冲沙效果不理想，进水室泥沙於积严重，运行中除正常开启冲沙闸冲沙外，需停产关闭来水进行人工除沙。据现场测得进水室不能冲走的沉沙平均厚度在30cm～50cm右左，粗沙通过水轮机加速转轮及弥宫环的磨蚀，给电站正常运行和发电造成一定影响。跳鱼坪电站设计引用流量为12m3/s，悬沙的粒径d90%为0.55mm。沉沙池长40m，宽11m，池底建有聚沙埂，设计水深5m，其中包括预留沉沙厚度0.9m(见图3)。

单位：cm

2.2 螺旋冲沙设计推求

针对跳鱼坪电站排沙系统运行中存在的问题，运用螺旋冲沙的技术原理，对该电站排沙系统的改造进行设计推求。

2.2.1 排沙孔设计计算

排沙孔口采用圆形，并垂直于预制盖板板面穿孔。盖板孔径的选择，根据上游河道悬移质的大小和数量等因素选定。孔径取值范围Rn=0.1m～0.16m。

2.2.2 各排排沙孔间距计算

各排排沙孔间距a1(见图1)的计算式为：

(1)

式中：

a1——相邻两排孔口中心间距(m)；

hs——沉沙池中设计沉淀泥沙的厚度(m)；

Rn——排沙孔的孔径(m)；

f——沉淀泥沙的水下磨擦系数。

沉沙池端排沙孔中心与沉沙池两侧墙的间距取a1/2。

2.2.3 同排排沙孔间距计算

同排排沙孔间距a2(见图1)主要以排沙沟的设计深度为依据，其计算式为：

(2)

式中：

a2——同排排沙孔间距(m)；

hg——排沙沟的设计深度(m)，其值见(3)式；

Rn——排沙孔的孔径(m)；

ε——同排排沙孔间距修正系数，其值不宜大于1，最佳为0.6～0.7；

f——泥沙的水下磨擦系数。

2.2.4 排沙沟设计计算

排沙沟的横断面做成U型，并将其盖板上的排沙孔靠近排沙沟的一侧边壁布置(见图2)。开闸排沙时，进入排沙沟的水流沿排沙沟一侧边壁下泄，下泄水流受排沙沟底部圆弧面边界的导向，在排沙沟中将产生横向流，当横向流流速大于沉沙的起动流速时，水流将推移沉淀泥沙。

排沙沟横断面深度hg的简化计算式为：

(3)

式中：

Rn——排沙孔的孔径(m)；

u——修正系数，采用圆孔时取1.15；

h——沉沙池设计水深(m)；

d90——沉沙粒径在沉沙中小于此粒径的沉沙占90%(mm)；

Qn——排沙孔下泄流量(m3/s)；

g——重力加速度(m/s2)。

排沙沟横断面的宽度Bg与深度hg一致，下半部为半圆弧形(见图2)。

2.2.5 输沙廊道的设计与排沙沟的衔接

为尽量缩短排沙沟的流程，输沙廊道应设置在排沙沟的中部，与排沙沟垂直平交，同时为避免输沙廊道两侧排沙沟的出流对碰消能，削弱挟沙能力，应将两侧排沙沟错开一定距离。输沙廊道的横断面尺寸可按涵洞的设计方法计算。

2.3 推求结果

跳鱼坪电站排沙工程按以上设计方法推求，其螺旋冲沙设计的具体参数为：排沙孔采用圆孔，孔径为0.12m；前后两排冲沙孔间距为3m；同排排沙孔的间距为1m；排沙沟深度为0.8m，宽度为0.8m，下半部为圆弧形。排沙沟长3m，输沙廊道宽高各为1m，比降为1/50，池中分右左排沙孔对称的两套排沙系统排沙。

由于跳鱼坪电站沉沙池宽度仅11m，布置横向冲沙沟显得过于拥挤，而且工程施工较复杂，改建工程量大、投资高。结合原工程的现状(见图3)，排沙工程设计为右左两条U型排沙沟，同时又是输沙廊道，尺寸为宽1m，深1.5m，排沙孔采用圆孔，孔径为0.12m，排沙孔间间距1m(见图4、图1和图2)，充分利用原沉沙池底布置的聚沙埂、聚沙沟以弥补无横向冲沙沟排沙效果欠佳的不足。

图4 雷波县跳鱼坪电站前池螺旋冲沙系统设计图

3 运用效果及结论

3.1 运用效果

从电站改造后的运行效果来看，冲沙效果显著提高，两套冲沙系统轮流开启冲沙闸冲沙(每套系统约45min完成冲沙)，前池进水室沉积的泥沙较少，年冲沙次数可减少4次，不再需要停机进行人工除沙，水轮机转轮及弥宫环的磨蚀也大大减轻，电站的经济效益得到了提高。

3.2 结论

以本文设计方法在原沉沙池的基础改造，增加的工程量较小，且施工简单。压力缝隙或孔的螺旋流具有流速高、切力大、流程长以及有利的压力分布等特点，运用螺旋冲沙法，结合合理的工程措施，可以运用于一些冲沙效果不理想的水利、水电工程，解决冲沙困难问题。

凌贤波(1973.1-)，男，汉族，四川西昌市人，大专学历，工程师，高级职业经理人。现任凉山州大桥水电开发总公司漫水湾供水中心总工程师，四川冕宁、会理，安徽天长市中电建大桥公司副总经理。

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