对水电站取水枢纽工程设计的探讨

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摘要：本文针对中小型水电站取水枢纽冲沙闸过流尺寸的多种设计方法的适用性，推出一个概念明确，方法简单，容易被水工设计人员掌握又合理的确定冲沙闸尺寸的方法：泥沙运动控制法。供同行参考。

关键词：水电站；取水枢纽；设计

1冲沙闸过流尺寸设计方法总述

小型水电站取水枢纽通常由溢流坝、进水闸及冲沙闸等水工建筑物所组成。其布置方式有侧向引水正向冲沙和正向引水侧向冲沙等。溢流坝是为了抬高水位，保证进水闸能够引入设计流量。溢流坝高度低，水库库容很小，一般不能调蓄洪水，建成后往往一次洪水就可能将溢流坝前全部淤平，泥沙将随着水流进入进水闸。如果取水枢纽上游河道较宽，没有设置冲沙闸泄流，就不能稳定主槽造成主流摇动，使取水口脱流，所以冲沙闸是小型水电站取水枢纽必不可少的重要组成部分。冲沙闸由进口段，闸室和出口段三部分组成，进口段包括沉沙槽、隔水墙等，在进水闸前，由隔水墙与冲沙闸室构成的沉沙槽，形成一水流平稳的区域，使进入取水口水流中的推移质沉落在沉沙槽内，让含沙量较小的水流进入进水闸，开启冲沙闸即可冲除沉沙槽内沉落的泥沙。冲沙闸的作用是使进水闸“门前清”。在汛期，冲沙闸还可以宣泄一部分洪水，籍以维护原河槽不致淤塞，使河道稳定在取水口一侧形成深槽。冲沙闸过流尺寸的设计方法，目前有：工程经验法、水工模型试验法、流量频率法、河相关系和泥沙特性法等。

1)工程经验法，是根据已建工程的运用经验总结确定冲沙闸过流断面。有的采用冲沙闸断面为河道断面的1／5～1／20，有的采用冲沙闸宽度为河道水宽度的1／3～1／10，还有的采用冲沙闸宽度等于或略大于进水闸宽度，或按照进水闸分流比小于50％的要求，沉沙槽连续冲沙运行情况下，过槽流量一般不得小于进水闸设计流量的2倍等方法。应用经验数据确定冲沙闸尺寸当然是重要的，但是各个取水枢纽所处的河道地形、水流泥沙条件及防沙标准不同，很难确切地决定其尺寸，确定的尺寸是否正确又无检查的依据。

2)水工模型试验法，是大中型取水枢纽确定取水口布置和冲沙闸尺寸的常用方法。这是一种较为可靠的方法。但是，模型试验需要大量的试验基本资料，较多费用和时间，它只适用于大型和部份中型取水枢纽的设计。中小型水电站取水枢纽的取水防沙设计，一般是没有条件作模型试验的。

3)流量频率法，就是选择某一频率的洪水流量，作为冲沙闸的设计流量，在设计水位条件下，通过水利计算确定冲沙闸孔的尺寸。由于影响因素多，设计流量至今尚无统一方法，冲沙闸的设计流量应满足冲沙和稳定主槽的要求来选择，一般多采用多年平均流量或常年洪水流量，有的采用50％一80％的频率洪水流量，还有采用3％～10％频率的洪水流量的。由于冲沙闸设计流量选择与要求的冲沙效果概念不清楚，设计人员难于确定。

4)河相关系和泥沙特性法，是综合考虑河道流量，河相关系，泥沙数量和粒径级配等因素建立四个方程式，可求得冲沙闸的宽度、深度、流速及河道比降的关系，该法参数多，难以准确决定，其适用范围窄，仅适用于冲积河流上的取水枢纽。

2泥沙运动控制法确定冲沙闸尺寸

泥沙运动控制法，概念明确，方法简单。它是根据在进水闸前，能够造成“门前清”所需要的冲沙流量Q来确定的，基本上可以防止推移质泥沙进入进水闸，适用于丘陵和山区河流上建设的中小型水电站取水枢纽。

2.1沉沙槽尺寸的计算

假设冲沙闸关闭，进水闸引水通过沉沙槽时的水流流速应小于等于限制入渠最小粒径泥沙的止动流速，使进入槽内的底沙沉落，利用这个原则确定沉沙槽的尺寸。

在正常引水条件下，沉沙槽进口控制断面宽度b0，由下式计算：

(1)

式中，Q0为进水闸引水的流量，h0为沉沙槽断面减去预留淤积厚度后的水深，Vz入进水闸泥沙最小粒径dmin的止动流速：

(2)

VK为泥沙起动流速，根据河流泥沙情况可选用有关的公式计算。若选用沙莫夫公式计算，则：

(3)

2.2冲沙闸宽度B的计算

开启冲沙闸，要求沉沙槽断面流速达到能够冲洗槽内全部淤泥以及随冲沙水流带人槽内的群体泥沙，其冲沙流速为：

(4)

式中，dcp为冲沙流量相应的河道运动推移质泥沙的平均粒径，hoi为沉沙槽内水位至底板面上的水深。

另外，为使停留在沉沙槽内的单个粒径为d的大石块也能够冲到下游，要求槽内冲沙流速达到可由库明试验公式计算：

(5)

取Vc与 中的大值，作为沉沙槽的设计冲沙流速。

沉沙槽设计冲沙流量，由下式计算：

(6)

冲沙闸室过流宽度B，由沉沙槽设计冲沙流量作为闸室设计过流量Q来计算，计算方法按照平底非淹没宽顶堰公式计算：

(7)

计算得到的B，可以按照常用闸门尺寸调整其孔宽和孔数。

3算例

电站装机容量为2×4000kW，电站为引水式开发，渠首引水流量18.1m3／s。取水枢纽布置为右岸取水方式，由溢流坝、非溢流坝、冲砂闸及取水闸四部份组成。其中，溢流坝置于河床中部，坝顶高程754.5m，坝顶长60m，最大坝高7.5m，采用底流消能方式消能。非溢流坝坝顶高程757m，最大坝高10m，进水闸布置于右岸，为1孔潜没式平面钢闸门，孔口尺寸3.0m×3.0m，闸底板高程751.5m，冲砂闸平行布置于进水闸左边，与溢流坝相连，闸底板高程为748.5m。

3.1沉沙槽进口尺寸

根据取水枢纽布置，沉沙槽进水口深为6.0m，考虑槽内淤沙厚度1.0m，则进水口淤沙后的最小水深为5.0m，求沉沙槽进口断面的止动流速，由

(2)、(3)式计算得：

沉沙槽进口宽度，由(1)式计算得：

取bo=7.5m.。

3.2冲沙闸宽度B的确定

沉沙槽进口断面要求的冲沙流速由(4)、(5)

式计算：

选取沉沙槽内的冲沙流速为2.2m／s

冲沙流量由(6)式得：Q1=2.2x6.o×7.5=99.0m3／s

冲沙闸宽度由(7)式计算：

选取B=4m，选择闸孔尺寸为4.0m×4.0m。

图1电站取水枢纽冲沙闸布置方案示意图

3.3冲沙运行效果

某电站于2006年7月建成发电，从实际运行情况看，取水枢纽冲沙闸运行效果良好，未出现推移质泥沙进入引水渠道的现象。按此方法确定冲沙闸过流尺寸的其它几座小型水电站取水枢纽也取得了良好的冲沙效果。实践证明，按泥沙运动控制法确定冲沙闸过流尺寸，计算方法可靠，它适用于丘陵和山区河流上建设的中小型水电站取水枢纽。

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