小型水电站沉沙池设计

水能经济

小型水电站沉沙池设计

姜贺男

【摘要】根据该电站沉砂池工程实例,来具体说明沉沙池的设置条件、泥沙沉降标准和工作原理,通过对该沉沙池水力计算及具体布置,对类似工程沉沙池设计提供参考 

【关键词】水电站;沉沙池;工作深度;工作宽度;泥沙;悬移质泥沙

吉林省农安县水利勘测设计中心 吉林农安 130200

1、概况

某低坝径流式引水电站,装机容量2×8MW,额定水头为127m,引用流量为15.52m 3/s,2台立式混流式机组,单机容量为8MW,设计选用的水轮机型号为HLA548-LJ-128。保证出力3970kW,年发电量7287万kw.h,年利用小时数4554h。溢流坝最大坝高7m,引水线路总长(首部枢纽至前池)为5407.2 m。该电站主要由泄水建筑物、引水建筑物、发电厂房、开关站等建筑物组成。引水发电系统布置在左岸,由无压引水隧洞、压力前池、压力管道和岸边式厂房组成。

2、沉沙池的设置的必要性及原理

小型水电站无压进水口应能防止有害泥沙进入引水道,以免淤积引水道,降低过流能力,以及磨损水轮机转轮及过流部件,进水口常设拦沙坎,截住沿河底滚动的推移质泥沙,并通过冲沙孔或冲沙廊道排至下游。

对于多泥沙河流,为了避免大颗粒的泥沙进入水轮机,通常在无压进水口后修建沉沙池。沉沙池的基本原理是加大过水断面形成圴匀的低流区,减小水流的挟沙能力,使有害泥沙沉积在池内,而让清水进入引水道。沉沙池的水流平均流速一般为0.25-0.7m/s,视有害泥沙粒径而定,沉沙池要有足够的长度。

3、沉沙池的设置条件及泥沙沉降设计标准

设置沉沙池的初步判别条件当过机多年平均含沙量Sp 及过机多年平均粗粒径含沙量S′p 与水轮机额定水头Hr 的交点处, 根据水利水电工程沉砂池设计规范中水电站设置沉沙池的初步判别条件图在C 区,需设置沉沙池。

4、沉沙池的水力计算

沉沙池采用定期冲洗式,由该电站额定水头(127m)确定沉沙池设计最小沉降粒径为0.25mm,工作流量为15.52m 3/s。定期冲洗式沉沙池为沉沙与冲洗交替运行连续供水的沉沙池。即当沉沙池中池室淤积到一定程度后,出池含沙量及其粒径超过泥沙沉降设计标准时,及时进行冲洗,以恢复沉沙容积。

4.1 工作深度计算4.1.1 工作段进口水深

H ≤ΔZ+q/Vc-(iLw+i0L0)式中:

H——工作段进口水深(m)

ΔZ——工作段进口水位与排沙道出口天然河道水位差(m)q——排沙道冲沙单宽流量m 3/(s·m)Vc——排沙道出口冲沙流速(m/s)i——沉沙池工作段底坡

Lw—— 沉沙池工作段长度(m)i0——排沙道底坡

L0——排沙道长度(m)

经计算沉沙池长度为40m,工作段进口水深为5.22m,4.1.2 工作段进口工作深度He=H-ΔHk 式中:

He——工作段进口工作深度(m)

ΔHk——工作段进口设计泥沙淤积厚度(m)经计算沉沙池工作段进口工作深度为3.92m。4.2 工作宽度计算B =Q/HwV 式中:

Q——工作流量(m 3/s)

V——工作段平均流速(m/s)当沉降最小粒径为0.25mm 时其值可选0.25-0.55 m/s

Hw——平均工作深度(m)经计算沉沙池工作宽度为6m。4.3 工作段纵向底坡

定期冲洗式沉沙池的工作段应具有足够的纵向底坡且应满足下式R

c i C

21ν≥

式中V1c -工作段冲沙流速

经计算i ≥0.06/1000,本沉沙池工作段纵向坡度取15/1000满足要求

4.4 悬移质泥沙沉速的计算采用沙玉清天然沙沉速公式

(lgSa+3.790)2+(lgψ-5.777)2=39.0Sa = w/(g1/3·(ρs/ρw-1)1/3·γ1/3)ψ=g1/3·(ρs/ρw-1)1/3·d/(10·γ2/3)式中:

d——泥沙粒径(mm)ρs——泥沙密度(g/cm 3)ρw——清水密度(g/cm 3)w——泥沙沉速(cm/s)g——重力加速度(cm/s2)Sa——沉速判数ψ——粒径判数

经计算泥沙沉速为0.01882m/s。4.5 沉降率计算

4.5.1 池段分组沉降率计算ηik =1-(Si(k+1)/Sik)式中:

ηik——k 池段i 粒径组沉降率

Sik 、Si(k+1)——k 池段上、下断面分组含沙量(kg/m 3)4.5.2全池分组沉降率计算

)

1(11i k n

k i ηη??=∏=ηi——全池i 粒径组沉降率

经以上计算:大于0.25mm 粒径级的泥沙沉降率为82%,在规范要求的范围内。(80%~85%)

5、沉沙池布置

采用C20钢筋砼箱式结构,全长为40m,宽为6m,最大工作水深为5.9m。其中:上游联接段长8m,底宽由2.8m 变到6m,底板高程为565.90~563.28m;工作段长为32m,共分2段,两段间设结构缝,缝间设652橡皮止水,底部设30×30cm 纵横排水暗沟,工作段设计底坡i =15‰,底板高程为563.28m~562.80m。边墙顶宽400mm,顶高程569.50m,内边坡为1:0.05,外边坡为1:0.1。工作段末端设有冲沙节制闸,闸室长为2.8m,因埋深大,故为一矩形竖井,直达地面便于检修。井顶高程为576.90m,启闭层高程为573.90m,闸室底板高程为565.90m,设一尺寸为2.8×2.8m 平面钢闸门,采用一台QP-100KN 卷扬式启闭机进行启闭操作。沉沙池冲沙道断面尺寸为b×h=1.8×2.0m,长度为72m,在冲沙道0+015m 处设排沙闸,闸室为竖井型式,闸门尺寸为1.8×2.0m(宽×高)平面钢闸门,采用一台QP-100KN 卷扬式启闭机进行启闭操作,闸门的起闭平台高程为569.00m,竖井顶板高程为574.00m(高于下游校核洪水位)。冲沙流速为3.71m/s,冲沙过闸水流直接泄入原河道。

6、结语

小型水电站大部分位于深山峡谷区,且多为径流式引水电站,洪水期受到洪水泥沙的影响,因此在电站设计中,要根据河流特征,对有害泥沙进行合理的水工处理。通过合理的设置沉沙池,最大限度的降低泥沙对小型水电站正常运行的影响,充分发挥电站的经济效益。

参考文献:

[1]水电站,韩菊红,温新丽,马跃先,黄河水利出版社,2003年8月

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