何江濤

（新疆電力設(shè)計院 新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

烏依布拉克水電站工程地處新疆自治區(qū)烏什縣境內(nèi)，位于烏依布拉克河出山口下游階地上。國電烏什烏依布拉克河一級水電站工程屬?。?）型，所處地形比較單一，地質(zhì)條件良好，布置為從烏依布拉克河引水，通過引水樞紐的底欄柵式引水工程上河坎后修建沉沙池、壓力管道進水口、壓力管道、廠房、尾水升壓站等主要建筑物。河流泥沙主要來自汛期，估算得烏依布拉克河的年懸移質(zhì)輸沙量為14.2×104t，汛期的大量泥沙會影響水電站的正常運行，因此，必須設(shè)置有效的沉沙池結(jié)構(gòu)來控制水流中泥沙粒徑。

2 沉沙池設(shè)計比選

2.1 沉沙池形式設(shè)計

根據(jù)工程地質(zhì)條件，擬設(shè)計渠首沉沙方案有兩種：

（1）方案一采用定期沖洗式箱型沉沙池：在引水暗渠0+063.7后處布置定期沖洗式箱型沉沙池。箱型沉沙池由上游連接段、工作段（包括溢流堰區(qū)）、排沙系統(tǒng)等組成。上游連接段長32m，底寬2.0m～1.6m，池深1.6m，后接3孔池廂進水閘，閘孔高2.4m、閘寬4.8m，工作段長170m，池寬1.6m，每2.8m一道池廂隔墻，共有5道隔墻，底坡為0.025，設(shè)計水深2.4m～6m，堰上水頭20cm，工作區(qū)末端接排沙閘，閘孔尺寸0.8m×1.2m（高×寬），閘后接縱坡為4/100的U形排沙暗渠。

（2）方案二采用梯形調(diào)節(jié)沉沙池：在引水渠0+063.7處布置梯型沉沙池，由進口段、工作段、出口段組成，進口段長25m，進口底寬2m，工作段長255m，斷面為梯形，底寬60m，流速 0.22m/s，出口段長15m。

2.2 方案比選分析

方案一定期沖洗式箱型沉沙池工程投資需要712萬元，此結(jié)構(gòu)形式排沙方便，但其過程會消耗發(fā)電和用水，并且工程建設(shè)所需的鋼筋、砼也較多。方案二梯形調(diào)節(jié)沉沙池的工程造價需要285.5萬元，此結(jié)構(gòu)形式簡單，但排沙不方便，其排沙、清淤需費人工和機械，費用較高。

比較分析可知，方案一可沉沙也可排沙，方案二只能沉沙，需人工、機械清淤；方案二有3.2萬m3的調(diào)節(jié)容量，可在灌溉高峰期或枯水期保證電站正常運行，并且其沉沙效果較好，設(shè)計沉降最小顆粒為0.25mm。綜合各種因素，確定選用方案二。

2.3 沉沙池尺寸確定

根據(jù)《水利水電工程沉沙池設(shè)計規(guī)范》（DL/T 5107-1999）中的規(guī)定，確定水電站沉沙池設(shè)計最小沉降粒徑為0.25mm，泥沙沉降率取為80%。擬定沉沙池的尺寸：池長為100m，設(shè)計流量9m3/s；沉沙池采用梯形斷面明渠，渠底寬為1.5m，邊坡 1∶1.5，平均深度 1.6m，平均流速0.22m/s。依據(jù)《規(guī)范》中公式計算得到沉沙池的最小縱坡為0.0038，沖沙臨界流速為 1.52m/s，水溫取為 20℃，沉降率計算結(jié)果見表1。

采用沉降概率法對水流中泥沙的沉降概率進行演算，沉降概率法把水流中紊動豎向分速當作隨機變量，并且其分布變化服從正態(tài)分布，池底有縱坡的沉降率計算公式為：

式中，η——泥沙分組沉降率，%；

L——沉沙池段長，m；

表1 沉沙池泥沙沉降率計算表

表2 沉沙池設(shè)計參數(shù)

圖1 速度等值線圖

圖2 速度矢量分布圖

圖3 流函數(shù)等值線圖

H0——沉沙池平均水深，m；

d——水流泥沙平均粒徑，mm；

h——計算點距池底的距離，m；

λ——計算參數(shù)；

t——計算時段，s。

經(jīng)沉降率演算得到，水流中大于0.25mm粒徑級的沉降率為81%，大于規(guī)定要求的80%；沉沙池的設(shè)計縱坡為0.01＞0.0038，按沖沙流量條件下的沖沙流速為2.46m/s＞1.52m/s，以上指標均能滿足規(guī)范要求，最終確定的沉沙池尺寸設(shè)計要素見表2。

3 沉沙池水力特性分析

沉沙池水力特性分析采用數(shù)值模擬軟件Fluent模擬，分析沉沙池內(nèi)水流運動規(guī)律和沉沙效果，并在湍流模型建立過程中運用Simple算法求解，其能在給定壓力場的條件下計算得到流體的速度場，并能控制模擬判斷結(jié)果的殘差。殘差值能夠反映數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，其值越小表明模擬結(jié)果越接近實際。模型條件設(shè)置為：入水口流速和入池流量設(shè)置為0.22m/s和Q=3.02m3/s，殘差數(shù)量級控制在千分之一，模型迭代次數(shù)不小于500次，依次來貼近實際水流流動特性。

3.1 水流流態(tài)

模擬得到所設(shè)計梯形調(diào)節(jié)沉沙池內(nèi)水流速度等值線與速度矢量分布情況，如圖1和圖2所示。

分析圖1可知，攜帶泥沙的水流進入沉沙池之后，如出現(xiàn)劇烈的紊動現(xiàn)象，水流中的泥沙就會在沉沙池中劇烈運動，不利于沉降。在沉沙池中設(shè)置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)之后，能夠調(diào)節(jié)水流的流速分布，便于泥沙的沉降。由圖2可知，沉沙池內(nèi)的水流速度較為均勻，且都處于相對較低的速度值。池底邊角的水流速度方向基本上平行于池壁，這樣就不會出現(xiàn)回流區(qū)域，便于泥沙的沉降。

3.2 流函數(shù)等值線分析

模擬得到所設(shè)計梯形調(diào)節(jié)沉沙池內(nèi)流函數(shù)等值線分布情況，如圖3所示。

分析沉沙池內(nèi)流函數(shù)等值線圖可知，不同于一般的矩形沉沙池，梯形調(diào)節(jié)沉沙池在入口處不會出現(xiàn)較大的漩渦，因此，其產(chǎn)生的能量也較小，不會對附近的水流產(chǎn)生較大的影響。并且，在出水口的右下方區(qū)域并未出現(xiàn)漩渦，水流流速相對比較平穩(wěn)。整個沉沙池內(nèi)的水流流態(tài)均為穩(wěn)定的層流，流速分布較為均勻，這些條件都為泥沙的沉降創(chuàng)造了良好的環(huán)境。

綜上所述，所設(shè)計沉降池結(jié)構(gòu)與尺寸均滿足沉降要求，沉降池的水流流態(tài)與沉降效果良好。

4 結(jié)語

沉沙池是水利工程中一種常見的控制水流中泥沙粒徑的措施，其工程功能實現(xiàn)主要是通過擴大過流斷面、降低水流速度和減少水流挾沙力等方法，來達到減少水工建筑物或水力機械水流中過多的或有害的泥沙含量的目的。沉沙池設(shè)計的合理性關(guān)乎到水力設(shè)備的運行效率，進而影響到整個水電站的效益，因此必須重視對水電站方案設(shè)計的比選以及沉降池的沉降效果。陜西水利

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