取水枢纽的冲沙闸设计

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1、? ?年?月泥沙研究? ? ?朗?第?期取水枢纽的冲沙闸设计张启模?成都科技大学水利系?一、冲沙 闸的作用及其设计方法在低坝取水枢纽中,通常由拦河溢流坝,进 水闸,冲沙闸及沉沙槽等所组成?其布置方式 有侧 向引水正向排沙和正向引水侧向排沙?图?,图?溢流坝是为 了抬高水,保证 进水 闸能够引人设计流 量,溢流坝高度低,水库库容很小,一般不能调蓄流如使,建成后往往一 次洪水就可能将溢流 坝前分部淤平,泥沙将随着水流进人进水闸?位量果取水枢纽上游河 道较宽,没 有设置 冲沙闸 泄流,就不能稳定主槽,引起主流摆动,取水口脱流?所以冲沙闸是低坝取水枢纽中必不可少的组成部分?少少? ? ? ? ?,?记

2、口? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 卜, ? 一?一,一?一一 ? ? ? ? ?护坦坦狄户图?侧向进水,正向排沙图?正向引水,侧 向排沙?一?冲沙闸的作用冲沙闸是 由进口段,闸室 和 出口段 三部 份组成,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,使进人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 流进人进水闸,开启冲沙闸即可排除沉沙槽内沉落的泥沙,冲沙闸的作用,使进水闸前“门前清”?另外,在汛 期还 用以宣泄一部分洪水,借以维护原河槽不致淤塞,使河道 主流稳定在取水口一侧形成深槽? 二?冲沙闸过流尺寸的设计 方法冲沙闸过

3、 流尺寸主要指水流 与沉沙槽和 冲沙闸的底板高程和 过水宽度,关于底板高程,是很据河 道地 形和取水口布置 而定,本文 主要研究沉沙槽和冲沙闸的过水宽度的设计方法?冲沙闸尺寸的设计方法,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,简述评价如下?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,认 为冲 沙闸过水断面为河 道 断面的?冲沙闸宽度等于或略大于进水闸宽度?按照进水泥沙研究? ?年闸分流比小于? ? 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?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

4、纽所 处的河道地 形、水流 泥沙条 件和防沙标准不 同,很 难确切 的决定其尺寸,确定的尺寸是否正确又无检查的依据?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,无疑是较为可靠的方法?但是模型试验需要大量的试验基本资料、以及较多 费 用 和时间,它只适用于 大型和部份中型取水枢纽的设计、中小型取水枢纽 的取水防沙设计,一般是没有条 件作模型试验 的?根 据流量频率法?“,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 引水位条件下,通过 水力计算确定 冲沙闸孔 的尺寸?由于影响因素多,设计 流量至今尚无统一的方法?冲 沙闸的设计 流量应满足

5、 冲沙和稳定主槽的要求来选择,一般采用多年平均流量或常年洪水流量?有的采用? ? ? 写的频率洪水流量,?还有采用? ? 频率的洪水流量?由于冲沙闸设计流量 选择与要求冲沙效果的概念不清楚,所以冲沙流 量悬殊太大,设计人员难 于确定?根据河 相关系和泥沙 的特性法,该 法是西北 水科所 提 出的,是综合考虑 河 道流量,河相关 系,泥沙数量和粒径级 配等建立四个方程 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 流上的冲沙闸?根据近年来设计取水枢纽冲沙闸 的体会,希 望有一 个概念 明确,方法简单,容易被水工设计 人员

6、掌握,又合理的确定冲沙 闸尺寸的方法?笔者提出控制泥沙运动来确定冲沙闸及 沉沙槽的过流尺寸,简称为 泥沙运动控制法?二、泥沙运动控制法确定冲沙闸尺寸?一?冲 沙闸宽度与冲沙效果的关系在引水流 量和冲沙闸底板高程已经确定的情况下,由于冲沙闸宽度不 同,取水口处的 冲沙效果和 淤积形态是不 同的,笔者认为 可分为三 种情况?第 一种情况,如图?,冲 沙闸宽度 为?,是根据在进水 闸前,能够造成“门前清”所需要 的冲沙流量?来确定的?开启冲沙闸,?区的淤沙完全排除,?区有部 份淤沙排除,?区淤 沙不能排除,这种取水枢纽布置形 式基本上 可以防止推移质泥沙进人进戈? ? ? ? ?确确确了, ,【?一

7、?二二二二二二二曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰? , ,图?冲沙闸宽度?与冲沙区域第?知取水枢纽的冲沙 闸设计形呼粗尹水 闸?由此确定的冲沙闸宽度?为最小,所需 冲沙流 量?也最少,投资省?适 用 于 河道的弯道 形态优越,最佳弯曲半径?为河宽?倍?水流主槽不会摆动?泥沙不太多,工程较小,防沙要求不太严格的河道 上,这种型 式在丘陇和山区河流上建设较多?第二种情况,如图? ?,冲沙闸宽度?,在取水口附近能够造成稳定主槽所 需 的冲 沙 流量?来确定 的?把冲沙闸分为两 部分,即?二 ?,?二,分别布置在隔水墙的 两边,这种布置的优点是“门前清”所需冲沙流量?比?小,若隔水墙设置在冲沙闸 与溢流 坝

8、连结处,保证“门前清”所需冲沙流量较大为?开启冲沙闸?,?区淤沙完全排除,开启 冲沙闸?和?孟泄流,? ?和?区淤沙都能排除?在取水口前就造成了稳定 主槽,?区淤沙仅有少部分排除?由于排沙范围较大,泥沙淤积洲头距取水口较远,所以防沙排沙效果好?适用 于河床较宽,泥沙严重、主流 可能摆动的平原和丘陵河 流上,常用在防沙要求较高的大中型有坝取水枢纽中? ?第三种情况,如图? ?,冲沙 闸宽度为?,在取水口一侧能够保持河道稳定 河宽的冲沙流量?来确定?把?,分为两部分,即?一?二,用 隔水墙分开,冲沙闸?部份是解决进水闸前的“门前清”?开启冲沙 闸?,? 区淤沙完全排除,开启 冲沙闸?和?东泄流,?

9、,?,?区淤沙可以排除,在取水口前形成稳定河宽 的深槽?由于 冲沙流 量大,可以分级开启冲沙闸,不但可以用较小的流量保证“门前清”和稳定主流,而且排 沙范围大,闸前淤沙少基本上保持了原河床状态,所以防沙排沙效果最好,适用于泥 沙严重,主流 可能摆动,防沙排沙要求高,上游奎水位有限制或者需要有日调节库容等要求的大中取 水枢纽 中?以上三 种情况的冲沙闸宽度?、?、?。,以及冲沙流量?、?、?的 确定,在下面介绍?二?冲沙闸宽度?的确定?计算原则?闸前 正常挡 水位与溢流 坝顶齐平作 为设计依据,确定 沉沙槽及 冲 沙 闸?,的尺寸 ?设置 隔水墙,使引水与 坝前水体隔开,如 图?,形成 沉沙槽,

10、正常 运用 时,水流只能从沉 沙槽进口?一?断面 流人进水 闸和 冲沙闸?只引水不 冲沙时,沉沙槽内的 流速,应 小 于或等于限制人渠 最小粒径泥沙的止动流速,使进人槽内的底沙沉落,利 用这个原则确定 沉 沙槽的尺 寸?冲沙时,要求沉沙槽内各断面流速,大于 进人槽内泥 沙平均粒径起动流速的?倍,确定冲沙闸宽度?进 水口的布置,沉沙槽和冲沙闸底板高程已定的条件下,通过计算确定沉沙婚和冲沙闸的尺寸?沉沙槽尺寸的计 算在正常 引水条件下,沉沙槽各断面宽度认,如 图?,由下式计算?式中?为 通过槽内各断面进水闸 引用的流 量?,气为槽内各断面减去预留淤积厚 度?的 水泥沙研究? ?年? ? ? ? ?

11、 凡凡凡凡凡键水问问问问胜胜琶琶冲?共二夕刃水? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 匕 乙日?一、?一?图?沉沙槽尺寸计算图示深?叭为限制进人 进水闸泥沙最小粒径?。,的止 动流速?沦 巩“丁万叭为 泥沙起 动流速,根据河 流泥沙情况可选 用有关 的公 式计算”,公式计算,即?若选 用 沙莫 夫”?二?蔚,?丫“?根据?。?式,可以算 出沉沙槽内过流 所需要 的各截面宽度?,?沉 沙槽理 论计算的外侧边 界线是?,北?,?,?,?,的连线?实际工程 中,在沉沙 槽末端 还要 设 置冲沙闸,所以沉沙槽的实际外侧边界线是隔水 墙沉 沙槽各 断面采 用宽度为?。,除了 进口断面?一?与计算

12、宽度相等外,其余断面宽度都比计算 值大,所以进口断面是 控制断面,设计中只要确定沉沙槽 进口断面即可?冲沙 闸宽度?的计算开启 冲沙闸,要求沉 沙槽各 断面流速达到能够冲洗槽 内全部淤沙以及随 冲沙水流带人槽内的群体泥沙其冲沙流速姚为”。一?一?铃?铃?式 中氏?为 冲沙流量相应 的河道运 动底沙 的平 均粒径,?。,为沉沙槽 内水位 至底板面上的水深?另外,对停留在沉沙槽内的单个粒径为?二。二的大 石块也能够排到下游,要求槽内冲沙流速达到川,可由库明试验公 式计算?。二一?了而蔽万, ?取”。与”二中的大值,作为 沉沙槽内的设计 冲沙 流速?沉沙槽 各断面冲 沙流量,由下式 计算?,二”,?

13、。,?。?式中饥为各断面要求的冲沙流 速,由?式计算,?。?。为各断面的 过流面积?冲沙闸室过 流宽度?,是选 取槽内计算的最大冲沙流量作为 闸室 设计过 流 量 ?,来计 算,一般情 况沉沙槽进口断面最 大,冲沙流量也为 最大?计算方法,通 常按照平 底非淹没宽顶堰公式计算?。?门?,?二二? ? 一 一?气二二 二二尸?一 饥丫?丫,?计算得到的?,可 以按常用闸门尺寸调整 其孔宽和孔数?第?期取水枢纽的冲沙闸设计黔?三?冲沙闸宽度?和?,的确定在正常设计引水位和冲沙 闸底板高程已定条 件下,由冲沙流 量 可计 算出 冲 沙 闸宽度?冲沙闸宽度?的计算用冲沙流量?代人?式,可计算出冲沙 闸

14、宽度?,把?分为 两部分,即?二力,十?氛?前节已经求出,?百一?一?,将?和?二分别布置在隔水墙两 边?是采用该河段能够塑造枯水河 道主槽 所需的流量,这个流量通常称为第二造床流量?冲沙闸宽度?的计算用冲沙流量?,代人?式,可计算出?是采用该河段能够塑造河道稳定河宽所需 的流量,这个流量通常称为第一 造床流 量? ?造床流量的确定目前在理论上还不够成熟,根据形成河床与流量 关系的概念,提 出了一些确定造 床流 量的方法?,供设计人员分析采用?计算法?认为造床作用的大小与输沙能的大小有关,同时也决定于该流 量所经历的时 间长短,水流的输沙能力可认为与流量 ?的某次方及比降?的乘积成 正比,也与

15、 该流量 所经历 的时 间,用其出现的频率?成正比,因此,造床能力用?,?的乘积值来表示?具体的计算方法 可参考文献?作?一?叮?曲线,对平 原 河流?佛?值通常都出现两个峰值,相应 最大峰值的流量为第一造床流量,约相当于 多年平均最大洪水流量?相应次 大峰值的流 量为第二 造床流量?平滩水位法?认为水位大致与河滩齐平 时,其造床作 用为最大,相应 的流量作为第一造床流量?认 为水位 大致 与河边滩 齐平时,其 造床作为次大、相应 的流量 作为第二 造床流量?洪水流 量频率法,根据一些 工程计算结果,第一造床济量值,相当于该河段洪水频率为? ?的流量,第二 造床流量,相当于洪水频率为 ? ? ? 写的流量?造床流量 的计算,由于方法 不 同,求得的数值有一个较大的变化范围,设计人员应根土 程的重要性,防沙要求及该河段的泥沙特性综合分析来选择?例如四川省长征 渠取水枢纽处的第一造床流量,按照平 滩水位法求得?一? ? ? ? ? ?/ s,按照洪水 频法求得Q3一1040 013 0oom./ s.最后 选 用 Q3100o0m, /5.第二造床流量,用平滩水位法求得Q:一25 00s700m3/s,用洪水频率法