1、第 卷第 期红水河 年 月 尼泊尔中百太克水电站沉沙池系统布置设计闭锐茂，杨红玉（中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司，广西 南宁）摘 要：在多泥沙河流上建设水电工程，为确保工程和机组设备的安全，这些工程必须开展防沙排沙设计。文章结合工程实例介绍常规水电工程沉沙池的设计，通过对影响沉沙效果的进水口、引水渠、沉沙池上游控制段、沉沙池室、沉沙池下游控制段、压力前池等部位的设计进行详细介绍，总结出各部位的设计要点。文中工程采用美国标准进行设计，着重介绍了沉沙池室尺寸设计方面用到的水力学内容，并给出了中美标准在沉沙池设计中的一些差异。该设计方案最终通过国际咨询公司的审查，对要求采用欧美标准进行设
2、计的国外沉沙池工程起到一定的参考和借鉴作用。关键词：沉沙池；美国标准；布置设计；中百太克水电站中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：,(,):,:;工程概况中百太克水电站位于尼泊尔加德满都东北部波特科西河中部，是一座以发电为主的径流引水式枢纽工程。电站安装 台立轴混流式水轮机组，设计流量 ，毛水头 ，总装机容量。枢纽主要由溢流坝、沉沙池、压力涵管、引水隧洞、调压井、厂房及开关站等组成。尼泊尔波特科西河流域处于青藏高原南部、喜马拉雅山脉南麓地带，受欧亚板块与印度洋板块挤压影响，流域地形险峻，岩体破碎，河道主流及支流坡降大，流速大，具有高泥沙携带能力、高侵蚀 收稿
3、日期：；修回日期：作者简介：闭锐茂（），男（壮族），广西贵港人，高级工程师，学士，主要从事水工结构设计。：。红水河 年第 期性。为确保该工程和机组设备的安全，工程的防沙排沙设计不可或缺。该工程溢流坝段由 孔溢流孔组成，其中，孔为髙堰溢流孔，孔为低堰冲沙孔；最大坝高为，正常蓄水位（设计洪水位），校核洪水位 。该工程沉沙池为连续冲洗式，布置在溢流坝左侧的台地上，上游接引水渠，下游接压力前池。工程防沙排沙效果的好坏，不仅由沉沙池本身决定，而且与它相连建筑物的设计同等重要，设计时应给予充分考虑。该工程沉沙池系统（从上游到下游）涉及进水口、引水渠、沉沙池上游控制段、沉沙池室、沉沙池下游控制段、压力前池等
4、。根据合同要求，该工程采用美国标准进行设计。沉沙池系统布置设计尼泊尔中百太克水电站沉沙池系统平面布置如图 所示。图 沉沙池系统平面布置图 进水口布置进水口属于沉沙池系统的第一道防线，原则上既要方便引水，也要便于防沙，尤其是推移质。推移质不被带入沉沙池内是进水口首要考虑的因素，工程上多采用在进水口前设置拦沙坎的工程措施，而该工程采用加大进水口底板高度的方法，让它本身就具备拦沙坎的功能。该工程进水口位于溢流坝冲沙闸孔左侧，采用侧式进水口，进水口轴线与坝轴线夹角为。底板顶面高程为 ，比相邻的冲沙堰前底板高出 ，具有较强的拦止推移质的能力。进水口净宽 ，共 孔，单孔净宽 ，孔口设倾斜式固定拦污栅，防止
5、漂浮污物进入引水渠内。引水渠布置进水口后接引水渠，引水渠主要功能是让水流平顺进入到沉沙池内。因此，应避免泥沙淤积在引水渠内影响过流能力，设计时需保证渠内的流速大于泥沙不淤积的流速，且流速应均匀进入沉沙池内，以保证沉沙池沉沙效果最好。该工程引水渠共 条，每条引水渠对应一个沉沙池室。引水渠的过流总量为 （含沉沙池冲洗流量 ，冲洗流量按发电流量的 考虑），单条引水渠流量为 。引水渠采用矩形混凝土结构，尺寸为 （宽度 水深），渠底设置 高的 倒角，渠内水流流速为 。根据参考资料水力学中给出的渠道不冲刷允许流速 可知：对水深 的渠道，粗砂（）的 ；小卵石（）的 。因此，即使渠道内有粗砂，甚至有小卵石进入
6、也不会发生淤积，而渠道结构采用混凝土，亦能满足冲刷要求。该工程引水渠需设置转弯段才能与沉沙池正向平顺衔接，水流经过转弯段时会产生离心力，断面流速存在一定的不均匀性。为使流速经过弯段后重新调整回均匀状态，在弯段后设置长 的直线段，直线段末端为 长的对称式扩散段。因受现场场地条件限制，扩散角为，超过常规的。该工程通过在扩散段内设 个导流墩，以保证各渠道内水流能基本均匀地进入沉沙池内。沉沙池上游控制段布置上游控制段是沉沙池室的入口段，接于引水渠下游端，长（顺水流方向），宽（垂直水流方向），共设 个闸孔；每孔设置一道事故门槽，孔口净宽 ；共设 扇事故闸门（定轮闸门），与溢流坝检修闸门共用 台 门机启闭
7、。闸孔底板顶高程为 ，通过 的顺坡与沉沙池底部连接。闭锐茂，杨红玉：尼泊尔中百太克水电站沉沙池系统布置设计 沉沙池室布置根据合同文件要求，该工程沉沙池设计最小沉降粒径为，沉降率为，采用连续冲洗式。沉沙池室设计时，主要尺寸确定采用准静水沉降法，按照重力理论进行，即所要沉降的最小粒径泥沙从池室首部运动至池室尾部（即池长）的时间与泥沙从水面沉至池底（即池深）的时间相等的原则，即可求解沉沙池的深度和长度（应根据工程实际，先初拟沉沙池断面或者水深和长度）。计算时，需知道沉沙池的平均流速 及泥沙在水中的沉降速度，其中 计算公式为（）其中，（）式中：为总流量，；为设计引用流量，；为冲洗流量，；为池室数量，；
8、为单个池室断面面积，根据拟定的过流断面 。通过计算得到 。该电站库区库盘两岸基岩主要为早寒武系 组（）地层，岩性为薄中厚层状石英岩、千枚状石英岩，因该工程缺乏更详细的泥沙资料，故泥沙颗粒采用岩性按石英考虑。石英球在静水中的沉降速度 可根据参考资料，查图 得 （球径取最小沉降粒径为，水温为 ）。图 石英球在空气和水中的沉降速度 实际上，沉沙池不是理想的水槽，沉降区的流速在横截面积上不是恒定的，即使在最好的条件下，在池壁和底板处流速为零，在池室中心附近和水面附近有最大流速。此外，在水流中还有由涡流组成的湍流，它可能以比泥沙粒子沉降速度更快的速度将一些粒子向上或向下携带，湍流扩散的最终结果是降低了泥
9、沙的沉降率。因此，受湍流影响，泥沙在水流中沉降速度 并不等于泥沙球体在理想水体中的沉降速度，即泥沙在实际水流中应考虑沉降率。考虑沉降率后，可通过 结合参考资料 进行查图（见图）后计算转换得到。图 中：横坐标为参数，中出现的符号 为紊流理论的混合系数，的值大约等于 ，故可取 ；纵坐标为沉降率，图中各条曲线为参数，。在参数、中，为石英球沉降速度，该工程 ，沉降率为，由图 及其对应公式，可得 。图 湍流对沉降率的影响 红水河 年第 期 最后，根据泥沙水平运动与沉降运动时间相等的原则，通过公式计算沉沙池的工作长度：（）式中：为沉沙池工作段计算长度，；为池室深度，。该工程是先根据实际布置情况确定池室深度
10、，再根据公式计算得到 ，受场地条件限制，该工程实际工作段长度取 。该工程沉沙池共有 个池室，池室段结构总宽度为 ，每个池室断面形状均为倒梯形（见图），为将泥沙导入冲沙槽，底部需设置成倾斜式。根据石雨亮等撰写的泥沙的水下休止角与干容重计算可知，粒径的泥沙水下休止角一般在 以下，该工程倾斜部分与水平向夹角为，大于泥沙水下休止角，可保证泥沙顺利进入冲沙槽。冲沙槽与池室同向布置，冲沙槽起始端尺寸为 ，出口端尺寸为 ，冲沙槽顶部设有带流沙孔（直径为 ，间距为 ）的水平盖板，顶面高程为 ，盖板将池室内具有小流速（约 ）的水流与冲沙槽内较大流速（约 ）的水流分开，以便形成足以冲走泥沙的流速，并能有效控制冲洗
11、流量。冲沙槽出口端接布置于沉沙池下游控制段下部的排沙廊道。在 号池室右侧墙的前半段设置 孔侧向溢流堰，与压力前池的 孔侧向溢流堰一起能满足单台机组甩负荷时弃水（）的溢出。值得注意的一点就是，在设计沉沙池室的时候，如果地形允许，应尽可能加宽池室宽度，降低池内流速，缩短池室长度，否则太长的沉沙池在布置排沙槽盖板孔口时由于数量太多而导致孔口太小，不利于泥沙排入槽内。图 沉沙池室断面图 沉沙池下游控制段布置下游控制段是沉沙池室的出口段，长（水流向），宽 。为使发电时能引用沉沙池室清洁度较高的表层水，下游控制段堰顶高程设为 ，比冲沙廊道顶板高 。下游控制段共设 个闸孔，每孔设置一道检修门槽，孔口净宽为
12、，共设 扇检修闸门（滑动叠梁闸门）。下部为排沙廊道，排沙廊道由与沉沙池室对应的 条支廊道（内设平板式工作闸门）和 条主廊道构成，条排沙支廊道汇入排沙主廊道后将泥沙排向下游。排沙廊道设计时，需通过假定各段廊道的断面尺寸及长度，计算各段廊道的水头损失，保证廊道在交汇点处的水头损失相等，其中，条支廊道的入口断面尺寸应取相同，以保证各廊道入口排沙流量相等，也利于冲沙闸门尺寸一致。各段廊道水头损失计算根据美国垦务局规范：进行，水头损失计算公式如下。）摩擦损失计算公式采用达西 韦斯巴赫方程：（）式中：为总摩擦损失；为管道长度；为水流速度；为管道的直径（对于非圆形断面，为）；为水力半径；为摩擦系数，反映雷诺
13、数、管道尺寸和粗糙高度（表面粗糙度）的作用；为重力加速度。）局部损失计算公式：（）式中：为局部损失；为局部损失系数；为水流速度；为重力加速度。对于不同位置的局部损失系数，参考规范 ：选取。根据计算结果，条支廊道的入口断面尺寸均为 （宽高），顶部高程为 ，闭锐茂，杨红玉：尼泊尔中百太克水电站沉沙池系统布置设计底部高程为 ，冲沙流速为 。主廊道截面尺寸为 ，前段冲沙流速为 ，后段流速为 ，在后段内壁镶嵌钢板以抵抗携沙水流的冲蚀作用。压力前池布置压力前池接于沉沙池下游控制段，底板通过的底坡与下游控制段堰顶衔接。为保证发电引用的水流能从 个沉沙池均匀流出，以保持沉沙池内流速相同，从而保证沉沙池最佳沉沙
14、效果，压力前池采用对称式布置。压力前池长 ，首端净宽 ，末端净宽 ，右边墙设置 孔侧向溢流堰。压力前池下游接长约 的混凝土压力涵管及长约 的隧洞。工程各部位的设计要点综上所述，对涉及影响该工程沉沙池沉沙效果的几个工程部位的设计要点总结如下：）引水渠进口：为避免推移质进入引水渠内，其底板顶面高程应设置高出河床一定高度，且宜将进口布置在冲沙闸旁，方便冲沙闸水流将进口前淤积的推移质带走。）引水渠：渠内流速需保证引水渠不冲刷、不淤积，扩散段应平顺，扩散角不宜过大，必要时应加导流墩对水流重新分配，使水流尽可能均匀进入沉沙池内。）沉沙池室两侧池壁应设置成斜坡式，斜坡倾角应大于泥沙水下休止角。如果地形允许，
15、应尽可能加宽池室宽度，降低池内流速，缩短池室长度，否则太长的沉沙池在布置排沙槽盖板孔口时由于数量太多而导致孔口太小，不利于泥沙排入冲沙槽内。）计算各段排沙廊道的水头损失时，应保证各廊道在交汇点处的水头损失相等，以保证各廊道入口排沙流量相等，即保证各个沉沙池内的流量、流速是均等的。另外，条支廊道的入口断面尺寸应取相同，利于布置尺寸一样的冲沙闸门。）压力前池应呈对称式布置，目的也是保证各个沉沙池室的水流能均匀流出，使池室内实际流速与设计流速基本一样。中美标准在沉沙池设计中的一些差异在采用美国标准确定泥沙沉降速度时，可以通过上述查图法进行。而根据中国标准 水电工程沉沙池设计规范确定泥沙沉降速度，当粒
16、径为 时，采用下列公式进行计算：（）（）（）（）（）（）|（）式中：为泥沙沉降速度，；为重力加速度，；为泥沙密度，；为清水密度，；为泥沙粒径，；为水的运动黏滞系数，；为沉速判数；为粒径判数。采用美国标准时，可以根据已确定的泥沙球体在静水中的沉降速度和根据拟达到的沉降率，经查图后，很快得出实际泥沙沉降速度，再根据泥沙水平运动与沉降运动时间相等的原则，就可通过较简单的式（）计算出沉沙池的工作长度（需设定池深）。而采用中国规范，必须通过复杂的计算（式（）式（）才能得出泥沙沉降速度，然后再通过假定沉沙池长度来计算沉降率，而该计算尚需要一套复杂的计算公式，详见 水电工程沉沙池设计规范中附录。故在工程应用上，采用美国标准相对方便快捷一些。对于沉沙池长度，根据中国规范，实际池长宜取计算池长的 倍。因该工程受地形限制，实际池长取值基本与计算长度一样，国外咨询工程师并没有对此提出异议。考虑到与池室相连的下游控制段堰顶高程比池室底板高出 ，发电取的是表层水，实际池长与计算池长几乎相一致，也是可以接受的。其他工程如现场条件允许，建议适当增加池长，或依据水工模型试验进行验证确定。结语在多泥沙河流上建设水电工程