山区河道低坝进水口冲沙闸计算探讨_袁俊森

2 冲沙闸设计计算
在多沙河 流上 , 冲 沙 闸是 沉沙 槽 式渠 首不 可 缺少 的 建筑 物 , 它与隔水墙、 进 水闸上 游翼 墙共同 组成 沉沙、 冲 沙槽 , 用来 沉积非洪水期河流中 的粗颗粒泥沙。冲沙闸开 启时 , 冲走淤积 在沉沙槽内 的 泥沙 , 使 其 重新 获得 沉 沙空 间继 续 沉沙 保证电站的正常引水 。
/3 1 /6 V0 = V止 = K cd 1 0 ( h - a)
式中 : B 为通过平槽流量 Q 时的水面宽度 , 即河道的主槽宽度 , m; A 为系数 , 对于山区 河道 取 0. 7 ~ 1 . 0; Q 为 河道 平槽流 量 , m /s ; J0 为河道纵坡 , 可由实测得 到。 º 河道稳定平衡 条件。指 在河道满槽过水 时 , 流 速达到床 沙的临界起动流速 , 采用沙莫夫起动流速公式 : V = Kd 1 /3 h 1 / 6 mm; h 为河道主槽平均水深 , m。 » 水流运动方程 。稳定天 然河道通过恒定 流时 , 接近均匀 流状态 , 水面宽度远大于水深 , 近似以水深作为 水力半径 , 采用 曼宁公式 : 1 2/ 3 1/ 2 V = h J0 n 式中 : n 为河道糙率。 ¼水流连续方程 。表达式 如下 : Q = B hV 状态。联解结果如下 : K 2 n 2 d 0. 667 h = J0 K 1. 333 n0. 333 d0. V= . 167 J0 0 B = Q =
方法应用于山区河道低 坝进水口冲沙闸设计的局限性 , 提出了根据天然河道 稳定主槽宽度、 冲沙和沉沙要求综 合分析设 计冲沙闸的新方法。 关 键 词 : 进水口 ; 冲沙闸 ; 引水式水电站 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 1379( 2007) 05 0054 02 底板高程根据地形 条件 和引 水要求 确定。已 知设 计流量 和设 中图分类号 : TV 673
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B
( 9) ( 10 )
K 2 n 2 d 0. 667 (B + 2h) 1. 333 J = B 1. 333 h V冲 = K d1 / 3 h 1 / 6
式中 : Q冲 为沉沙槽设计冲沙流量 , m 3 /s ; J 为 沉沙槽设计 底坡 ; h 为沉沙槽设计水深 , m; B 为 沉沙槽设计宽度 , m; V冲 为沉沙槽 内稳定冲沙流速 , m /s 。 ( 3 ) 按沉沙要求计算冲沙流量。 冲沙闸关闸 壅水及 进水闸 引取设计流量时 , 要求沉 沙槽 内流速 足够 小 , 使大 于某一 粒径 d 0 的泥沙停止 运动 , 即要求 V0 [ V止 , V止 为粒径为 d 0 的泥沙的 止动流速。
167
式中 : V 为水流流速 , m / s ; K 为系数 , 取 4. 6; d 为床沙代表粒径 ,
Q0
( 14 )
该式表明设计冲沙流 量应与设计引水流量成正比。 ( 4) 综合分析。在进行冲沙闸尺寸 计算时应特别注意床沙 的代表粒径和河床 糙率 等参 数的选 取问 题。代表 粒径的 确定 ( 4) 应根据天然河道实 测资料 选取 , 有 条件时 应做 模型 试验 ; 无实 测资料时 , 可根据有关资料 , 取 床沙的平均粒径。 据稳定主槽的要求确定出 沉沙槽宽度后 , 应综合 分析确定 ( 5) ( 6) ( 7) ( 8) 设计冲沙流量 Q冲 。 Q冲 应满足稳定主槽、 冲沙和沉沙的要求。 满 足稳定主槽要求 , Q冲 应不小于按 式 ( 8) 计算所 得数值 ; 满足冲 沙要求 , 按式 ( 9 ) 计算 ; 满足沉沙 要求 , 用式 ( 14 ) 计 算。 特别应 注意的是 : 按式 ( 9 ) 和式 ( 14 ) 计算的结果应相近 , 否则 , 说明沉 沙槽设计水深的确定 不合理 , 应进行 调整 , 重 新计 算。 此外 , 还 要 考虑天然来水情况 , 使平水水文年内有 3 ~ 5 次冲沙机会。 反 之 , 当冲沙流量确定后 , 也可用 式 ( 14 ) 推算能够 止动的 最小泥 沙粒径 d 0 , 校核防沙效果 , 估计渠道进沙粒径 , 作为引 水渠道的 设计依据。 由式 ( 10 ) 计算的沉沙槽的 底坡 J 是一种特定情况下 (达到 极限平衡状态 ) 的数值 , 在实 际冲沙 过程 中 , 当 底坡 达到 按式 ( 10 ) 计算的稳 定底 坡时 , 沉 沙槽 达 到冲 淤平 衡 , 此时 应 停止 冲沙。 ( 5) 冲沙闸闸孔尺寸计算 。冲沙闸 底板高程可根据河道特 性确定 , 据经验 , 在冲淤平衡的 河道上 , 可 取枯水期河 道主槽的 平均高程 [ 5] 。 确定冲沙闸的设计水位应 考虑冲沙闸通过 设计流量 时 , 进 水闸引取设计流量或 挡水溢流坝不过水 , 设计水位与 溢流坝坝 顶齐平。 冲沙闸的设计流量考虑进 水闸不引水时冲 沙的情况 , 选取 沉沙槽设计冲沙流量 。确定了 冲沙闸的设计水 位 , 就 可计算出 冲沙闸的设计水深 , 根据设计水深和设计 流量就可计 算闸孔尺 ( 11 ) 寸。冲沙闸一般设计为自由出 流 , 宽度按宽顶堰计算 : Q冲 B0 = /2 m 2gH 3 0
。此
外 , 冲沙闸的良好运用 可以把 河道 主槽稳 定在 进水 闸前 , 从而
2 . 1 现行冲沙闸计算方法
( 1) 根据流量频 率计算。按照河流的水文、 泥沙资料 , 分析 确定冲沙闸的设计流 量 , 使选择的流量在 每年汛期出 现次数较 多。有的采用频率为 50 % ~ 70% 的洪水流量 , 还有的采用相当 于频率为 2. 5% ~ 3 % 的 多年日 平均流 量。闸前设 计水位 和闸
1 进水口设计中存在的主要问题
山区 河流一 般具有 河道比 降大、 洪枯流 量悬殊、 河 流中泥 沙以推移质为主、 泥沙粒径较大等特点 [ 1] 。低坝进水 口设计中 需要解决的主要问题 是引水与防沙。调查了位 于伊河、 洛河山 区河段上十几个电 站的 进水口 情况 , 发 现主要 存在 下列问 题 : ¹ 冲沙闸设计尺寸太 小。在调 查的一些水电站 进水口中 , 除宜 阳河下电站进水口 外 , 其余电 站的 进水 口不论 引水 流量大 小、 河道特性如何 , 均设置两孔冲 沙闸 , 每孔净 宽 3 m, 不能 满足冲 沙和稳定河道主槽 的要 求。 º 进 水闸 底板与 冲沙 闸底板 高差 过小。根据一些学者的研究和 进水口的实际运 行情况来 看 , 两 闸底板高差在 1. 0~ 1. 5 m 时
[ 2]
计水深 , 就可以按宽顶堰公式计算冲沙 闸孔口尺 寸。此方法对 冲沙闸的设计孔口尺 寸的取值任意性较大。 ( 2) 根据河相关 系和泥 沙特性 计算。基本 理论 是 : 冲 沙闸 的宽深关系应与进水 口所 在河段 多年 平均流 量的 河道宽 深关 系相适应。冲沙闸的设计流量 选用河道多年平 均流量 , 冲沙闸 的宽度、 水深、 流速 及纵坡 用河 相关系、 推 移质 输沙 率公式、 水 流运动方程和连续 方程四 个关 系式联 立求 解 [ 4] 。 此方法 采用 的推移质输沙率公式 是由沙波理论推导出来 的 , 较适 用于冲积 性河流上的低坝进 水口设 计计 算 , 而对于 山区 河流 , 推移 质输 沙率很难用一个公式 来表示。 ( 3) 根据沉沙、 冲沙要 求计算。 冲沙闸 的设计 水位根 据地 形及引水要求选 定 , 与 进 水闸 设 计水 位 同高。 冲沙 闸 关 闭壅 水、 进水闸引取设计流量 , 使沉 沙槽内某一粒径 泥沙止动 , 确定 沉沙槽宽度 , 计算冲沙流速 , 从 而确定冲沙闸的 设计流量 , 最后 按宽顶堰公式确定 冲沙 闸尺 寸。此方 法是按 局部 沉沙和 冲沙 要求推出的 , 没有考虑 整个河 道的 演变情 况 , 因此 确定的 尺寸 也不尽合理。
第 5期 Q 0. 5 . 2 J0 0
袁俊森等 : 山区河道低坝进水口冲沙闸计算探讨
# 55#
B = A
( 1)
考虑最不利情况 , 当泥 沙淤积 至与进 水闸 底板 (或拦 沙坎 顶 ) 平齐时 , 则沉沙槽 内淤沙高度为 a( a 为 两闸底板高 差或拦 沙导沙坎高度 ), 槽内水深为 ( h - a), 由沙莫夫公式得
第 29卷第 5 期 2007 年 5月
人 民 黄 河 YELLOW R I VER
Vo l . 2 9, N o. 5 M ay, 2007
=水利水电工程 >
山区河道低坝进水口冲沙闸计算探讨
袁俊森, 刘纯义
( 黄河水利职业技术 学院 , 河南 开封 475001)
摘
要 : 分析了伊河、 洛河山区河 段上引水式水电站的进水口冲沙闸 在设计布 置方面存在 的主要问 题 , 论 述了现 行计算
联解式 ( 1) ~ 式 ( 4) 可得河道稳定 主槽的几 何尺寸 和水流
A 2K 3. 333 n 2. 333 d 1. 111 . 567 J1 0 A 2 K 6. 667 n 4. 667 d 2. 222 . 733 J2 0
据前所述 , 沉沙槽宽度可按式 ( 7) 求得 ; 沉沙槽的设计水深 应大于按式 ( 5) 计算 所得 的水 深 , 可根 据工 程的 地形、 地 质条 件、 引水流量、 防沙要求及投资 等因素综合确定。 ( 2) 按冲沙要求 确定沉沙槽的 冲沙流量 ( 即 冲沙闸 设计冲 沙流量 ) 和底坡。冲沙时水 流条件 较为复 杂 , 不宜 用公式 准确 计算 , 仍以极限平衡状态作为依据。假设 沉沙槽满槽 过水时达 到了极限平衡状态 , 仍用式 ( 2) 表示。为研究方便 , 冲沙水流达 到极限平衡状 态时仍 近似 看作均 匀流 , 用 式 ( 3) 、 式 ( 4 ) 计 算。 在式 ( 2) 和 式 ( 4) 中 , h 以已 确定 的 沉沙 槽设 计 水深 代入 , 式 ( 3 ) 中的 h 以水力半径 R 代 入 , R = Bh /(B + 2h ), 则联 解式 ( 2) ~ 式 ( 4) 得 Q冲 = Kd 0. 333 h1.
[ 3]
2 . 2 综合计算方法
为取得较好的引 水防沙效果 , 冲沙闸 的设计参数 应综合考 虑天然河道稳定宽度 及冲沙、 沉沙要求来确定。 ( 1) 按河道稳定 宽度要求 确定沉 沙槽的 宽度和 设计流 量。 工程实践证明 , 沉沙槽 的宽度 应与 河道 稳定主 槽宽 度相适 应 , 可用原天然河道的 特性 作为 沉沙槽 和冲 沙闸的 设计 依据。天 然河道达到稳定平衡 状态时 , 河道流速达 到床沙的临 界起动流 速。可用下述 4 个条件 计算 稳定 主槽参 数。 ¹ 河相 关系。选 用较适用于山区河道 的阿尔图宁公式 : 收稿日期 : 2006 12 22 作者简介 : 袁俊森 ( 1956) ), 男 , 河南杞县人 , 副教授 , 主要研 究方向为水电站及水 利工程经济 。
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( 12 ) ( 13 )
设计引水流量 Q 0 为
/2 7/ 6 Q 0 = V0 ( h - a) B = K cd 1 B 0 (h - a ) 3
式中 : Q 0 为 设计引水流量 , m / s ; V0 为沉沙槽 内通过流量 Q 0 时 ( 2) 的流速 , m /s ; d 0 为要求止动的最小泥沙粒径 , mm; K c为系数 , 取 Kc = 3 . 8; B 为沉沙槽宽度 , mm; h 为沉沙槽设计水深 , m。 当沉沙槽内泥沙沉积到一 定高度 (不超过两闸底 板高差或 拦沙坎高度 ) 时就需要冲沙 , 得到按沉沙 要求计 算的冲 沙流量 Q冲 为 Q冲 = ( 3) K d 0. 333 h 1. ( ) ( ) h- a K ' d0
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, 防沙效果较 好 , 而在 调查的电
站进水口中 , 一般为 0. 5~ 0. 8 m, 防沙 效果较 差。 » 冲 沙闸前 没有完整的沉沙 槽。在 调 查的 进 水口 中 , 有 的 尽管 设 有 隔水 墙 , 但是隔水墙的长度、 高 度不 够 , 不能形 成完 整的 沉沙、 冲沙 槽 , 有的根本不设隔水墙 , 使得 冲沙闸冲沙效果 不好 , 洪水期大 量推移质泥沙进入冲 沙槽被卷入进水闸 , 甚至产生威 胁进水口 挡水坝安全的顺坝水 流。