西藏小水电站前池淤沙处理措施
2008-01-16 15:45:36 来源：
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电力18讯： 摘要：就西藏引水式小水电站夏秋季普遍存在的前池泥沙淤积问题，提出了采用漏斗冲沙和管道排沙的工程措施.冲沙漏斗的排沙流量占设计引水流量的7%左右，是节水型的排沙设施.对西藏农牧学院教学实习电站前池泥沙严重淤积的工程实例进行冲沙漏斗和排沙管道设计，同时也提出排沙设施的运行方式.
关键词：小水电站；前池；淤沙；冲沙漏斗；排沙管道；西藏
西藏地区河流在洪水季节含沙量较高，兴利水利工程中泥沙问题一般都比较突出.整个西藏地区，80%的电站都是引水式的，并且引水式电站中90%都存在前池淤沙问题.虽然大部分电站都设计了引水冲沙设施，如束水攻沙设施及沉沙池等，这些工程设施一般都能拦截95%以上的推移质泥沙，但由于布置上的需要，电站前池的断面一般都比沉沙池的断面大，导致电站引渠水流中的悬移质和少量的推移质泥沙在前池中淤积，进而使得西藏中小型电站的工程效益不仅不能充分发挥，而且还导致水轮机的磨损和引水钢管的振动等问题，影响工程安全.因此，有效解决淤沙问题，是西藏中小型电站工程面临的重要课题.
为了说明冲沙、排沙设施的设计方法，本文以西藏农牧学院教学实习电站前池为例进行分析.
1 西藏农牧学院教学实习电站前池淤沙问题
西藏农牧学院教学实习电站是西藏一个典型的引水式小水电站，1981年建成，电站位于西藏八一镇，西距八一大桥3200m，即东经94°15′，北纬29°45′，建于发育型的山溪多泥沙河流上，该河流多年平均径流量为31m3/s.该电站引水渠长1200m，设计引水流量4m3/s，总装机容量2×250kW＋75kW＝575kW.其前池布置如图1所示.在前池的右侧设计了冲沙底孔，但其冲沙效果较差，前池淤沙问题比较严重.建站初期河流泥沙含量最大为3.08kg/m3，17年来电站运行良好，但近年来由于森林的乱砍滥伐，破坏了土壤植被，造成了土壤的严重侵蚀.1998年洪水期，其前池含沙量就高达5.47kg/m3，淤沙中的中细沙粒径在0.15～0.4mm的占总泥沙量的70%～80%，中沙粒径在0.4～0.65mm的占20%～30%.如前所述，该前池中的淤沙少部分来源于引用水中的推移质，大部分来源于引用水中的悬移质.这是因为引水渠道的水流在前池中扩散，流速降低，所携带的大部分悬移质泥沙在前池中沉积下来.前池中泥沙淤积到一定的高度后，就以下述两个方面影响电站的正常运行.一方面，前池中淤沙改变了水流进入压力引水钢管的条件，使得水流不能平顺地进入钢管，导致压力钢管的振动加剧；另一方面，部分淤沙又被水流携带进入压力钢管对水轮机叶片造成磨损，导致水轮机产生空蚀，加剧水流的脉动，而水流的脉动又加剧了引水钢管的振动.1998年汛期由于前池淤沙引起了引水钢管的剧烈振动及水轮机叶片的空蚀，经前池清淤和叶片空蚀部位修补后电站运行正常.针对上述出现的泥沙淤积问题，我们提出采用漏斗冲沙和管道排沙的工程措施.
2 冲、排沙设施的设计
2.1 冲、排沙设施的组成
冲、排沙设施由冲沙漏斗和排沙管道组成.排沙管道中水流为无压流，漏斗颈下的水流为自由出流，设施布置见图1.
2.2 冲沙漏斗设计
冲沙漏斗的过流能力取决于漏斗底部孔口的直径（即漏斗颈的直径）、漏斗形状和水头.漏斗的设计包括漏斗顶部直径、漏斗颈的直径和漏斗的坡度.根据前池引水钢管的布置，漏斗顶部直径取3.0m.漏斗颈的直径按孔口出流公式计算.
其中αc为修正系数，取αc=1.05，ξ为孔口的水头损失系数，取ξ＝0.05，即μ＝0.95；A为孔口面积，A＝πr2，r为漏斗颈的半径；H为计算水头，H＝H1+h，其中H1为前池设计水深，H1=3.82m，h为漏斗高度，h=h1+h2，参见图2.h1为漏斗顶部至漏
根据文献［1］的试验资料及前池中淤沙的颗粒直径，取m=4，求得r=0.1m，h1=0.35m.
2.3 排沙管道的设计
为便于施工和节省投资，排沙管道可采用现有的钢管.设钢管直径为d，坡度为i，其过水断面的水力要素如图3所示.
水面宽度：
式中θ以弧度计.
根据淤沙颗粒及保证泥沙不在管道内淤积，管道内设计水流流速v＝3.5m/s，糙率n＝0.012.根据明渠均匀流公式计算排沙管道直径和坡度.
将v＝3．5m／ｓ，Q1＝0．28m3／ｓ代入式(7)和式(8)可求得d=0.45m，i=0.0323.
2.4 冲、排沙设施的控制
为了控制冲沙漏斗冲沙，漏斗上设置底孔塞.底孔塞可用混凝土或木材制作，采用螺杆启闭方式操作，参见图1.该控制方式具有操作方便，造价低廉的优点.也可在漏斗颈处设置阀门室安装电动阀门控制，但该方法造价较高，维修困难.
2.5 排沙设施的运行方式
漏斗冲沙选在夜间用电低谷时进行.该运行方式既能保证冲淤效果，又不影响水电站正常出力，更不需为保证正常电站出力而对引水渠进行改建<
关键词：小水电站；前池；淤沙；冲沙漏斗；排沙管道；西藏
西藏地区河流在洪水季节含沙量较高，兴利水利工程中泥沙问题一般都比较突出.整个西藏地区，80%的电站都是引水式的，并且引水式电站中90%都存在前池淤沙问题.虽然大部分电站都设计了引水冲沙设施，如束水攻沙设施及沉沙池等，这些工程设施一般都能拦截95%以上的推移质泥沙，但由于布置上的需要，电站前池的断面一般都比沉沙池的断面大，导致电站引渠水流中的悬移质和少量的推移质泥沙在前池中淤积，进而使得西藏中小型电站的工程效益不仅不能充分发挥，而且还导致水轮机的磨损和引水钢管的振动等问题，影响工程安全.因此，有效解决淤沙问题，是西藏中小型电站工程面临的重要课题.
为了说明冲沙、排沙设施的设计方法，本文以西藏农牧学院教学实习电站前池为例进行分析.
1 西藏农牧学院教学实习电站前池淤沙问题
西藏农牧学院教学实习电站是西藏一个典型的引水式小水电站，1981年建成，电站位于西藏八一镇，西距八一大桥3200m，即东经94°15′，北纬29°45′，建于发育型的山溪多泥沙河流上，该河流多年平均径流量为31m3/s.该电站引水渠长1200m，设计引水流量4m3/s，总装机容量2×250kW＋75kW＝575kW.其前池布置如图1所示.在前池的右侧设计了冲沙底孔，但其冲沙效果较差，前池淤沙问题比较严重.建站初期河流泥沙含量最大为3.08kg/m3，17年来电站运行良好，但近年来由于森林的乱砍滥伐，破坏了土壤植被，造成了土壤的严重侵蚀.1998年洪水期，其前池含沙量就高达5.47kg/m3，淤沙中的中细沙粒径在0.15～0.4mm的占总泥沙量的70%～80%，中沙粒径在0.4～0.65mm的占20%～30%.如前所述，该前池中的淤沙少部分来源于引用水中的推移质，大部分来源于引用水中的悬移质.这是因为引水渠道的水流在前池中扩散，流速降低，所携带的大部分悬移质泥沙在前池中沉积下来.前池中泥沙淤积到一定的高度后，就以下述两个方面影响电站的正常运行.一方面，前池中淤沙改变了水流进入压力引水钢管的条件，使得水流不能平顺地进入钢管，导致压力钢管的振动加剧；另一方面，部分淤沙又被水流携带进入压力钢管对水轮机叶片造成磨损，导致水轮机产生空蚀，加剧水流的脉动，而水流的脉动又加剧了引水钢管的振动.1998年汛期由于前池淤沙引起了引水钢管的剧烈振动及水轮机叶片的空蚀，经前池清淤和叶片空蚀部位修补后电站运行正常.针对上述出现的泥沙淤积问题，我们提出采用漏斗冲沙和管道排沙的工程措施.
2 冲、排沙设施的设计
2.1 冲、排沙设施的组成
冲、排沙设施由冲沙漏斗和排沙管道组成.排沙管道中水流为无压流，漏斗颈下的水流为自由出流，设施布置见图1.
2.2 冲沙漏斗设计
冲沙漏斗的过流能力取决于漏斗底部孔口的直径（即漏斗颈的直径）、漏斗形状和水头.漏斗的设计包括漏斗顶部直径、漏斗颈的直径和漏斗的坡度.根据前池引水钢管的布置，漏斗顶部直径取3.0m.漏斗颈的直径按孔口出流公式计算.
其中αc为修正系数，取αc=1.05，ξ为孔口的水头损失系数，取ξ＝0.05，即μ＝0.95；A为孔口面积，A＝πr2，r为漏斗颈的半径；H为计算水头，H＝H1+h，其中H1为前池设计水深，H1=3.82m，h为漏斗高度，h=h1+h2，参见图2.h1为漏斗顶部至漏
根据文献［1］的试验资料及前池中淤沙的颗粒直径，取m=4，求得r=0.1m，h1=0.35m.
2.3 排沙管道的设计
为便于施工和节省投资，排沙管道可采用现有的钢管.设钢管直径为d，坡度为i，其过水断面的水力要素如图3所示.
水面宽度：
式中θ以弧度计.
根据淤沙颗粒及保证泥沙不在管道内淤积，管道内设计水流流速v＝3.5m/s，糙率n＝0.012.根据明渠均匀流公式计算排沙管道直径和坡度.
将v＝3．5m／ｓ，Q1＝0．28m3／ｓ代入式(7)和式(8)可求得d=0.45m，i=0.0323.
2.4 冲、排沙设施的控制
为了控制冲沙漏斗冲沙，漏斗上设置底孔塞.底孔塞可用混凝土或木材制作，采用螺杆启闭方式操作，参见图1.该控制方式具有操作方便，造价低廉的优点.也可在漏斗颈处设置阀门室安装电动阀门控制，但该方法造价较高，维修困难.
2.5 排沙设施的运行方式
漏斗冲沙选在夜间用电低谷时进行.该运行方式既能保证冲淤效果，又不影响水电站正常出力，更不需为保证正常电站出力而对引水渠进行改建<
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