水电站引水渠道涡管排沙工程施工研究

刘洋

（太原市水利勘测设计院，山西 太原 030024）

0 引言

结合东江水利枢纽工程的建设实践，提出了新的枢纽工程的共性与发展趋势，即多层防沙排水工程。采用多层防沙、排沙措施，达到了多引少入沙的目的。但是，不同类型的泥沙，粗细不一，必须采用集中的方法进行治理，不仅技术难度大、经济不佳，而且一旦堆积起来，就会造成新的危害。因此，必须采取多种方法进行泥沙的分级，使泥沙在水流中的垂直方向上具有一定的分布规律，从而使淤积物具有上细、下粗的特点。要想从地面吸取“清水”，就必须将排水管尽量布置在水流的表层，并根据环流特性，通过先引水后排水的方式，改变水流结构以及泥沙分布状态。在导流工程中，除了利用冲闸、泄洪闸冲沙，还经常在建筑物的底部设置排水廊道。新修建的明渠和改扩建的明渠冲刷效果较好，但因其导流能力不足，常常比原有的明渠要高。因此，文献［1］提出了一种采用底孔闸门泄洪排沙的方法：该方法首先构建整体水工模式，在泄洪中打开全部底孔，容易出现底孔消力消能问题。针对该问题，需要采用半开的运行模式来缓解泄洪问题，进而减缓下游冲刷压力，提高排沙效果［1］。文献［2］提出了一种基于不同汛期的排沙数值模型构建方法：该方法充分考虑电站效益，结合上游梯级建设时序变化情况，拟定不同汛期下的排沙水位，基于该数值构建排沙数值模型，由该模型计算各个排沙数位，综合比选，确定合适的排沙汛期［2］。然而，这两种方法容易受到悬移质影响，导致排沙效率较低。为此，提出了水电站引水渠道上的涡管排沙工程施工研究。

1 工程概况

东江水利枢纽工程位于广东省惠州市，是一项省级重点工程，目的是改变东江水环境、改善农业生产方式。东江水利枢纽工程全面完工后，将使下游尤其是惠州城区水位升高，形成一个库容1.16亿m3、水面28 km2的大流域，比惠州现在的西湖要大20倍。

东江水利枢纽工程建成，东江惠州城区的水位已经达到了10.35 m，东江地区已经成为惠州城区的重要水源地。东江水利枢纽工程建成后，使东江的水位升高，同时河流的宽度会增大，水流速度会降低，河流自身的清洁能力也会下降，在市区内形成了1个湖（见表1）。

表1 实测泥沙资料数据

由表1可知，正常情况下，来沙量与来水量成正比关系。

2 方案设计

涡管排沙指的是在水电站引水渠中多泥沙引水枢纽水槽底部设置1根管道，使流入水槽底部的泥沙全部排出。涡管排沙的作用是对总干渠内的泥沙进行治理，当河道内的泥沙流入涡流时，涡流中的旋流就会形成螺旋流；通过这种螺旋作用方式增大了泥沙上扬程度，使悬移物能够处于悬浮状态［3］。在涡管中，泥沙在竖直方向上被排出，其输送能力明显增强。涡流管道结构简单，对地形、水流条件、泥沙特性都有一定的影响，该设备具有投资小、排沙率高的特点。

2.1 涡管位置和水力要素确定

2.1.1 涡管位置

由于旋流管道设置在沟槽的底部，当淤积的泥沙从漩涡中流出时，必须要有一个很大的斜度，这样才能把泥沙排入到原来的河槽或深沟洼地中；因此，在靠近河道的地方，要有充分的落差。

2.1.2 水力要素

通常水槽的深度比较狭窄，增大水槽的开口长度可以使渠底抬高或部分加宽，使下坡面变为长方形。若调节断面长度较小，调整后面积与调整前近似，则可以认为水深及底宽变化不大。若剖面变化很大，则采用不均匀流的方法，对其表面进行计算，并确定涡管铺设段的水力要素。

2.2 涡管平面布置

在布置涡管平面时，水槽中的水流快速流入涡管后，会在涡管内形成水力矩，从而使其围绕着自身轴线转动，形成漩涡［4］。螺旋气流将下层的泥沙和下层的泥沙一起卷起，并随水体作螺旋运动（见图1）。

图1 涡管平面布置

由图1可知，由于水流的运移能力远远超过了运载的运移能力，所以在下水道中的泥沙可以很好地排出，这也是涡管排沙能力优于其他排沙方法的主要原因［5］。

2.3 引水渠道上的涡管设计

涡管开口宽度必须能够平稳地处理最大颗粒的泥沙，以达到排泥的需要。引水枢纽的最大颗粒直径为15 cm，旋流管的孔口宽度应该是最大直径的1.5～2.0倍。旋流管的开孔宽度为30 cm，可以达到排沙量的要求［6-8］。涡管直径的大小主要取决于两个因素，分别是渠道流量和水流速度，涡管直径计算公式可表示为：

式中，q为引水枢纽渠道流量；v为涡管平均流速。根据该公式，确定涡管直径。

涡管的排沙率与管内的螺旋流及纵向流速有一定的关系，在涡管与通道轴线的角度为90°时，可以增大涡管的旋流强度，进而增加切向流速［9-10］。此外，为了提高涡管的纵向坡度，可以调节其纵向斜率为1∶25。

基于此，计算涡管截沙率，公式为：

式中，λ为经验系数；L、L0分别为固定涡管固定开角和在确定λ值后的涡管开角；D、D0分别为固定涡管管径和在确定λ值后的涡管管径；d为泥沙直径；γ、γa分别为水和泥沙容重；θ为水槽坡底角度［11］。

根据该公式可知，涡管开角、涡管管径、水槽底坡坡度都是使涡管内截沙率变大的主要原因［12］。

2.4 不同粒子泥沙分级处理

从河水中流出的泥沙有粗有细，对渠首以上的有害颗粒进行集中处理，很难一次完成。如果采用不同粒度的泥沙分类，则先将大颗粒泥沙处理，将中微量泥沙排入河道，再经适当的处置，将其分散，以达到治理目标，降低成本［13-14］。在不同的水流条件下，粗细沙体的运动规律和处理方法均不同，其中细沙在水流作用下容易被排除，而粗沙在水流作用下不同时被排出。因此，对于粗沙的排出一般可以在水闸前的河床内进行；比如，可以在沉沙槽中沉积，再通过沉淀池和冲洗槽将泥沙排入下游［15］。

最能反映出颗粒级配沙作用的是基座，它在堤顶上建有沙丘和石墙，防止大块小石子流入堤岸。假如挡沙坎前方的泥沙不能及时排出，就会有更多的泥沙冲上堤岸，冲进河堤。在泥沙通过堤坝时，粒径小于屏障间隙的沉淀物会随着水流流向堤坝；而粒径大于屏障的沉淀物则会从堤坝的入口处进入主流道，并随着水流流向下游，这是第一级处理过程。

流入干渠的沙砾和泥沙继续以流态的方式沿河道流淌，在河道合适的位置，靠近原有河床且落差较大时，在沟底设排水管道，将泥沙排出，这是第二级处理过程。

通过两级的处理，大部分的推移质都被处理掉了，只有悬移质留在了沟槽中。

2.5 涡管排出悬移质泥沙处理

悬移质粒度越大，对涡轮机性能的影响也就越大，而悬移质粒径在竖直方向上的分布特点为：上部颗粒数量少，粒径减小；而下部颗粒含量高，粒径大。在速度分布方面，地面速度更大，而在底部则几乎为0；旋流排出悬浮质沙的工艺原理如下所示（见图2）。

图2 旋流排出悬浮质沙的工艺原理图

由图2可知，在一定的水体中，如果把相应的水流速度乘以相应的水流速度，就可以得出各水深中的堵沙率。以该水深为分界流线，采用积分法计算出分界流线以下的水流，从而利用最小的水流将悬移质中的有害颗粒尺寸泥沙排出。

2.6 涡管排沙式沉沙池设计

涡管排沙式沉沙池实质上是一种梯形的槽道，其断面呈扩张状。在进水区设有过渡区，在尾端设有溢流堰。高泥沙浓度流流入沉淀池，粗悬浮物经分级沉降后，按顺序下沉至池底，由多个排泥旋流器排出沉渣，立即收集后排入河中。将常规的分批冲洗沉淀池中的泥沙设备改造成多根排泥旋流管，能够在不停地排泥的条件下不断地排出泥沙，从而增加了引水式电站的发电量。1套排沙管可以联合或间歇运转，既能实现连续排沙，又能节省排沙量。

为降低相邻旋流管之间的淤积，建议采用4排旋流器改造成7排，使排沙量维持在2.1 m3/s，约占设计下水道流量的14%。沉沙池表面的清水经溢流堰流入下游电厂的导流槽，并在此基础上对其进行了分析。在设计流量12.9 m3/s的情况下，堰顶水位为0.9 m3/s。

从水电站的工程施工特点来看，涡管式沉沙池是一种长度短、不易沉淀的旋流槽（旋流管）。在设计工况下，每根排沙管均可进行不间断排沙，但其排沙量不得大于设计流量的15%。如果根据河床的淤积情况来确定最佳的排泥方案，其排泥量要小于其他类型的沉降。

3 排沙实践测试

3.1 测试环境

东江电站引水渠道示意图如下所示（见图3）。

图3 东江电站引水渠道示意图

由图3可知，引水渠道流量为58 m3/s，底宽为1.5 m，边坡系数为1.25，水深2.4 m，平均水流为2.0 m/s。该渠道运行十余年后，沉沙效果越来越差，导致引水渠道堆积大量泥沙，使得水轮机受到严重磨损。为此，需要采用排沙技术解决这些问题。

3.2 不同参数对涡管排沙技术截沙率的影响

3.2.1 涡管管径对截沙率的影响

在保证其他条件不变的条件下，涡管管径越大，涡管内截沙率就越高，在水槽总流量确定的前提下，涡管切向和轴向分流均随之增大。为了验证该点的正确性，分析了不同涡管管径对截沙率的影响（见表2）。

表2 不同涡管管径对截沙率的影响

由表2可知，随着涡管管径的变大，截沙率也随之增加，证实了上述理论的正确性。

3.2.2 涡管开角（10°～180°）对截沙率的影响

在保证其他条件不变的情况下，涡管开角以90°为一个分水岭；当开角小于90°时，随着开角的增大，涡管过流量减小，切向和轴向速度也随之减小，导致截沙率较小；当开角大于90°时，随着开角的增大，涡管过流量增加，切向和轴向速度也随之增加，促使截沙率变大。为了验证该点的正确性，分析了不同涡管开角对截沙率的影响（见表3）。

表3 不同涡管开角对截沙率的影响

由表3可知，当开角小于90°时，随着开角的增大，截沙率随之减小；当开角大于90°时，随着开角的增大，截沙率随之增加，证实了上述理论的正确性。

3.3 测试结果与分析

为了使测试结果更具有真实性，需将涡管排沙技术与底孔闸门泄洪排沙、基于不同汛期的排沙数值模型的排沙率进行对比分析，对比结果如下所示（见图4）。

由图4可知，横向水流和纵向水流速度不同，对排沙率造成的影响也不同。其中，使用底孔闸门泄洪排沙技术在不同横向水流下，最高排沙率为67%，且随着横向水流速的增加，排沙率效率升高速度加快；在不同纵向水流下，最高排沙率为74%，且随着横向水流速的增加，排沙率效率升高速度变慢，并且逐渐呈现排沙率稳定现象。使用基于不同汛期的排沙数值模型在不同横向水流下，最高排沙率为44%，且随着横向水流速的增加，排沙率效率升高速度加快；在不同纵向水流下，最高排沙率为62%，且随着横向水流速的增加，排沙率效率升高速度变慢，并且逐渐呈现排沙率稳定现象。使用涡管排沙技术，在不同横向水流下，最高排沙率为80%，且随着横向水流速的增加，排沙率效率升高速度加快；在不同纵向水流下，最高排沙率为94%，且随着横向水流速的增加，排沙率效率升高速度变慢，并且呈现排沙率稳定现象。

图4 三种技术排沙率对比分析

通过上述分析结果可知，使用涡管排沙技术具有高效排沙效果。

4 结语

本文从渠首枢纽引水调度方式研究出发，以总干渠首进水闸、冲沙闸和农业进水闸为泥沙重点监测研究区域，对渠首不同时段泥沙淤泥规律、排沙与不排沙工况下泥沙的入渠条件及渠首枢纽不同调度方式下的排沙量进行定量分析，最终得出不同调度方式对渠首排沙量的影响规律。为此，提出的水电站引水渠道上的涡管排沙工程施工技术，采用分级法处理淤积和旋流排沙沉淀池，可以作为综合原理和控制技术的成功实例。