水电站进水口排沙底孔的型式

　　在多沙河流上，无论是高坝大库的高水头电站，还是低水头河床式枢纽，电站进水口的取水排沙历来是水电工作者十分关注的问题。众所周知，泥沙磨损对水轮机造成的破坏作用是非常严重的。为了减少粗沙（推移质、跃移质）过机，工程实践中已经积累了丰富的经验，不同类型的工程措施被成功地利用。主要措施有：（1）利用泥沙垂线分布上细下粗的特点，引取表层水流，底层含沙水流通过排沙底孔或利用导沙坎引向冲刷闸排出库外；（2）利用弯道环流的水流特点，正面引水，侧面排沙；（3）利用排沙廊道、截沙槽或沉沙池，通过人为制造的螺旋流排泄泥沙。

 

　　对于高水头枢纽，设置排沙底孔或泄洪排沙洞是减少粗沙过机的有效措施。排沙底孔一般布置在电站进水口的下部，利用泄洪在电站进水口前形成冲刷漏斗。冲刷漏斗越大，越有利于拦截粗沙，减少粗沙过机。对于低水头河床式枢纽，排沙底孔布置在电站进水口下部比较困难，布置在电站进水口两侧，冲刷漏斗范围较小，难以达到理想的排沙效果；因此一般多修建排沙廊道，利用廊道内的螺旋流排泄泥沙。

 

　　我们在对电站进水口的排沙问题进行泥沙模型试验研究中认识到，要提高排沙底孔的输沙率，必须“束水攻沙”，由此提出了“格栅式排沙廊道＋排沙底孔”的组合型式（简称格栅式排沙底孔），即在电站进水口前沿设置一道格栅式排沙廊道，排沙底孔与格栅式排沙廊道连通。当排沙底孔泄洪排沙时，排沙底孔的进水水流均匀分布于整个排沙廊道的上方。由于排沙廊道顶部格栅的作用，水流在排沙廊道内及其周边形成螺旋流或结构紊乱的涡流，大大增强了水流的挟沙能力，使淤积在排沙廊道及周边区域的泥沙迅速排空。为了验证格栅式排沙底孔的适应性，我们将这一型式应用于另一水电站工程，同样收到良好的排沙效果。

 

　　2.1　A工程模型试验成果

　　A水电工程位于云南省金沙江一级支流硕多岗河，是以单一发电为开发目标的引水式电站。工程所在河段属多沙河流，坝址多年平均悬移质输沙量63.70万t，推移质输沙量19.10万t，推移质重度γs =2.78t/m3，淤积干容重γs’＝1.60 t/m3，中值粒径d50=33.3mm，平均粒径dpj=52.9mm。

 

　　工程为混凝土重力闸坝（设有泄洪孔、排沙底孔、排污道），坝顶高程2471.40m，最大坝高34.4m。泄洪孔和排沙底孔尺寸为5.0m×3.50m（宽×高），进口底板高程均为2442.00m。电站进水口布置于坝前河道右侧岸边，发电引水流量28.2m3/s，进口底板高程2449.50m。在电站进水口前、排沙底孔进口上游设置一道与底孔等宽的冲沙槽，长度35m。设置冲沙槽的主要目的是拦截泥沙，尤其是推移质泥沙，当泥沙横向翻越导墙时淤积在冲沙槽内，使电站进水口与排沙底孔拉沙水流间形成一个隔断，起到截沙槽的作用。

 

　　原方案试验成果表明，在“冲沙槽＋排沙底孔”的组合方案条件下，当排沙底孔泄洪排沙时，电站进水口区域的水流流速小，排沙能力弱，试验观测到冲刷漏斗发生坝0+00.0ｍ～坝0-10.0ｍ范围以内，进水口前沿的泥沙不能排出库外，不能达到“门前清”的冲刷效果。

 

　　通过对多个方案的对比试验，最终选定了“格栅式排沙廊道＋排沙底孔”的组合方案（见图2）。该方案最突出的优点是：由于合理地调整了格栅1000宽度、格栅间距、排沙廊道底坡等参数，使排沙底孔泄洪排沙时，排沙底孔的进水水流均匀分布于整个排沙廊道的上方。在排沙廊道顶部格栅的作用下，水流在排沙廊道内及其周边形成螺旋流或结构紊乱的涡流，大大增强了水流的挟沙能力，使淤积在排沙廊道及周边区域的泥沙迅速排空，从而在电站进水口前沿、格栅式排沙廊道区域内形成一长条状的冲刷漏斗。泥沙排空后的区域形成一个隔断，起到了截沙槽的作用。

 

　　试验成果表明，在库水位2457m，排沙底孔下泄流量150m3/s时，排沙廊道周边的泥沙能在20分钟内排空(模型约4分钟），冲刷漏斗的长度方向在坝0+00.0ｍ～坝0-35.0ｍ之间。与原“冲沙槽＋排沙底孔”方案相比，“格栅式排沙廊道＋排沙底孔”方案的水流挟沙能力更强、冲刷漏斗的范围更大，达到了电站进水口“门前清”的理想效果。

 

　　2.2　B工程模型试验成果

　　B水电工程位于云南省金沙江一级支流牛栏江，是以发电为主要的水电工程。坝址河段多年平均悬移质输沙量1209万t，推移质输沙量190万t，坝址悬移质平均含沙量2.97㎏/m3。床沙干容重γs=2.56t/m3；Cs1断面、Cs2断面中值粒径d50分别为19.0mm、14.0mm，平均粒径dpｊ分别为19.7mm、16.7mm。

 

　　电站首部枢纽由泄洪表孔、排沙底孔、冲沙槽、非溢流坝段及进水口等建筑物组成。大坝坝轴线位于峡谷出口处。河床布置3孔泄洪表孔，孔口尺寸(宽×高)为8.0m×13.0m，堰顶高程1269.0m；河床左侧主河槽布置1孔排沙底孔，孔口尺寸(宽×高)为6.0m×10.0m，底板高程1257.00m，承担泄洪与溯源拉沙任务。

 

　　在A工程模型试验成果的基础上，我们在B工程上采用格栅式排沙底孔方案，通过模型试验调整格栅的尺寸及格栅间距、排沙廊道底坡、排沙廊道长度等参数（图3）。冲刷试验成果表明：控制上游库区水位1276 m，在冲沙流量100m3/s、250 m3/s和600 m3/s时，开启格栅式排沙底孔，运行32分钟(模型约4分钟），在电站进水口前沿、排沙廊道内及周边区域的泥沙均能排空，冲刷漏斗范围在坝0+00.0ｍ～坝0-30.0ｍ之间，同样达到了电站进水口“门前清”的理想效果。

 

　　格栅式排沙底孔可分为两个部分：

　　（1）常规类型的排沙底孔；

　　（2）带有格栅顶板的排沙廊道。根据电站进水口与枢纽布置的不同，排沙廊道的轴线与排沙底孔的轴线可以成0°～90°夹角（图4、图5）。排沙廊道的靠进水口一侧的边墙应高于另一侧边墙，同时也应高于电站进水口底板，边墙高度可根据工程具体情况确定，边墙顶部也可以设计成“Γ”型，以利于拦截泥沙。

 

　　受格栅式排沙廊道的影响，格栅式排沙底孔的泄流能力小于常规类型的排沙底孔。由于排沙廊道内水力条件复杂，流态紊乱，目前无法计算格栅式排沙底孔的泄流能力，只能通过模型试验测试。

 

　　以A工程为例：A工程的格栅式排沙廊道的尺寸为：b＝5m，ｄ＝2ｍ，ｅ＝1ｍ，ｉ＝0.1667，Ｌ＝35ｍ。排沙底孔的体型为：平底，进口顶曲线为椭圆曲线，长半轴4.5ｍ，短半轴1.5ｍ，出口断面为5ｍ×3.5ｍ（宽×高）。

　　通过泄流能力试验，得到格栅式排沙底孔自由出流时的流量计算式为：

　　Q=61.7099H0.4951，　式中：Ｈ＝排沙底孔底板以上总水头－闸门开高。

　　流量系数计算式为：μ＝0.7961/H0.0049。

　　因此，A工程在正常运行条件下，格栅式排沙底孔的流量系数取值为μ＝0.783～0.790。

图4 格栅式排沙底孔体型（轴线夹角为0°）

图5 格栅式排沙底孔体型（轴线夹角为90°）

　　图中，b为排沙廊道宽度，d为格栅宽度，e为格栅间距，i为排沙廊道底坡，L为排沙廊道长度。以上5个参数应根据工程的具体情况确定，并通过泥沙模型试验验证。