维普资讯 http://www.cqvip.com 第２９卷第５期 ２００７年５月 人民黄河 Ｖｏ１．２９．Ｎｏ．５ ＭＩｌ、－．２ｏ０７ ＹＥＬＬＯＷ ＲⅣＥＲ 【水利水电工程】 山区河道低坝进水口冲沙闸计算探讨 袁俊森，刘纯义 （黄河水利职业技术学院，河南开封４７５００１） 摘要：分析了伊河、洛河山区河段上引水式水电站的进水口冲沙闸在设计布置方面存在的主要问题，论述了现行计算 方法应用于山区河道低坝进水口冲沙闸设计的局限性，提出了根据天然河道稳定主槽宽度、冲沙和沉沙要求综合分忻 计冲沙闸的新方法 关键词：进水口；冲沙闸；引水式水电站 中图分类号：ＴＶ６７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１３７９（２００７）０５～００５４－０２ 底板高程根据地形条件和引水要求确定。已知没计流量和没 １进水口设计中存在的主要问题 山区河流一般具有河道比降大、洪枯流量悬殊、河流中泥 沙以推移质为主、泥沙粒径较大等特点…。低坝进水口设计中 需要解决的主要问题是引水与防沙。凋查了位于伊河、洛河山 区河段上十几个电站的进水口情况，发现主要存在下列问题： 计水深，就可以按宽顶堰公式计算冲沙闸孔口尺寸 此方法对 冲沙闸的设计孔口尺寸的取值任意性较大 （２）根据河相关系和泥沙特性计算，基本理沦是：冲沙 的宽深关系应与进水口所在河段多年平均流量的河道宽深哭 系相适应。冲沙闸的设计流量选用河道多年平均流量、冲沙闸 的宽度、水深、流速及纵坡用河相关系，推移质输沙率公 ，水 流运动方程和连续方程四个关系式联立求解 此方法采蹦 ①冲沙闸设计尺寸太小。在调查的一些水电站进水口中，除宜 阳河下电站进水口外，其余电站的进水口不论引水流量大小、 河道特性如何，均没置两孔冲沙闸，每孔净宽３ ｍ，不能满足冲 沙和稳定河道主槽的要求。②进水闸底板与冲沙闸底板高差 过小。根据一些学者的研究和进水口的实际运行情况来看，两 闸底板高差在１．０～１．５ ｍ时 ，防沙效果较好，而在调查的电 的推移质输沙率公式是由沙波理论推导出来的，较适用于冲 性河流上的低坝进水口设计计算，而对于山区河流，推移质输 沙率很难用一个公式来表示。 （３）根据沉沙、冲沙要求计算。冲沙闸的设计水位根据地 形及引水要求选定，与进水闸设计水位同高。冲沙『中Ｊ关闭壅 水、进水闸引取设计流量，使沉沙槽内某一粒径泥沙止动，确定 沉沙槽宽度，计算冲沙流速，从而确定冲沙闸的设汁流量．最后 按宽顶堰公式确定冲沙闸尺寸 此方法是按局部沉沙和冲沙 要求推出的，没有考虑整个河道的演变情况，因此确定的 寸 也不尽合理。 站进水口中，一般为０ ５～０．８ ｍ，防沙效果较差。③冲沙闸前 没有完整的沉沙槽。在调查的进水口中，有的尽管设有隔水 墙，但是隔水墙的长度、高度不够，不能形成完整的沉沙、冲沙 槽，有的根本不设隔水墙，使得冲沙闸冲沙效果不好，洪水期大 量推移质泥沙进入冲沙槽被卷入进水闸，甚至产生威胁进水口 挡水坝安全的顺坝水流。 ２冲沙闸设计计算 在多沙河流上．冲沙闸是沉沙槽式渠酋不可缺少的建筑 ２．２综合计算方法 为取得较好的引水防沙效果，冲沙闸的设计参数应综合考 虑天然河道稳定宽度及冲沙、沉沙要求来确定，： （１）按河道稳定宽度要求确定沉沙惜的宽度和没计流蟮 工程实践证明，沉沙槽的宽度应与河道稳定主槽宽度相迂ｒ羔， 可用原天然河道的特性作为沉沙槽和冲沙闸ｎ０设汁伙 ，人 然河道达到稳定平衡状态时，河道流速达到床沙的临界起动流 物，它与隔水墙、进水闸上游翼墙共同组成沉沙、冲沙槽，用来 沉积非洪水期河流中的粗颗粒泥沙。冲沙闸开启时，冲走淤积 在沉沙槽内的泥沙，使其重新获得沉沙空间继续沉沙。 。此 外，冲沙闸的良好运用可以把河道主槽稳定在进水闸前，从而 保证电站的正常引水。 速 可用下述４个条件计算稳定主槽参数 ／㈠Ｔ ，￣－ ，ｆ例天系选 用较适用于山区河道的阿尔图宁公式： 收稿日期．２００６—１２－－２２ ２．１现行冲沙闸计算方法 （１）根据流量频率计算。按照河流的水文、泥沙资料，分析 确定冲沙闸的设计流量，使选择的流量在每年汛期出现次数较 多。有的采用频率为５０％一７０％的洪水流量，还有的采用相当 作者简介：袁俊森（１９５６一），男，河南杞县人，副教授，主要研 究方向为水电站及水利工程经济。 于频率为２，５％～３％的多年日平均流量。闸前设计水位和闸 维普资讯 http://www.cqvip.com 第５期 袁俊森等：山区河道低坝进水口冲沙闸计算探讨 ・５５・ ：Ａ （１） Ｊｏ 式中： 为通过平槽流量Ｑ时的水面宽度，即河道的主槽宽度， ｍ；Ａ为系数，对于山区河道取０．７～１．Ｏ；Ｑ为河道平槽流量， Ｉｌｌ ／ｓ；Ｊｏ为河道纵坡，可由实测得到。 ②河道稳定平衡条件。指在河道满槽过水时，流速达到床 沙的临界起动流速，采用沙莫夫起动流速公式： Ｖ＝Ｋｄ ｈ （２） 式中： 为水流流速，ｍ／ｓ；Ｋ为系数，取４．６；ｄ为床沙代表粒径， ｍｍ；＾为河道主槽平均水深，ｍ。 ③水流运动方程。稳定天然河道通过恒定流时，接近均匀 流状态，水面宽度远大于水深，近似以水深作为水力半径，采用 曼宁公式： Ｖ＝Ｉｈ∽ （３） 式中：Ｉ１为河道糙率。 ④水流连续方程。表达式如下： Ｑ＝ＢｈＶ （４） 联解式（１）～式（４）可得河道稳定主槽的几何尺寸和水流 状态。联解结果如下： ｈ：—Ｋ２２ｎｄｏ．６６７ —－（５） Ｖ：—Ｋｋ３３３ ｏ．３３３ｎｄ０．４４４ —一面（６） ： （７） Ｊ０ Ｑ：Ａ—２ｉ￣． ６６７ｎ４．６６７ｄ２．２２２ —一丽ｉ－＿（８） 据前所述，沉沙槽宽度可按式（７）求得；沉沙槽的设计水深 应大于按式（５）计算所得的水深，可根据工程的地形、地质条 件、引水流量、防沙要求及投资等因素综合确定。 （２）按冲沙要求确定沉沙槽的冲沙流量（即冲沙闸设计冲 沙流量）和底坡。冲沙时水流条件较为复杂，不宜用公式准确 计算，仍以极限平衡状态作为依据。假设沉沙槽满槽过水时达 到了极限平衡状态，仍用式（２）表示。为研究方便，冲沙水流达 到极限平衡状态时仍近似看作均匀流，用式（３）、式（４）计算。 在式（２）和式（４）中．ｈ以已确定的沉沙槽设计水深代入，式 （３）中的ｈ以水力半径尺代入，Ｒ＝Ｂｈ／（Ｅ＋２＾），则联解式 （２）～式（４）得 Ｑ ＝Ｋｄ￣”川ｈ Ｂ （９） ．，＝ （１０） ＝Ｋｄ ｈⅢ （１１） 式中： 为沉沙槽设计冲沙流量，ｍ ／ｓ；．，为沉沙槽设计底坡； ｈ为沉沙槽没计水深，ｍ；Ｂ为沉沙槽设计宽度，ｍ；Ｖｊ中为沉沙槽 内稳定冲沙流速，ｍ／ｓ。 （３）按沉沙要求计算冲沙流量。冲沙闸关闸壅水及进水闸 引取设计流量时，要求沉沙槽内流速足够小，使大于某一粒径 ｄ。的泥沙停止运动，即要求Ｖｏ≤ ，Ｖ止为粒径为ｄ。的泥沙的 止动流速。 考虑最不利情况，当泥沙淤积至与进水闸底板（或拦沙坎 顶）平齐时，则沉沙槽内淤沙高度为ｏ（ｏ为两闸底板高差或拦 沙导沙坎高度），槽内水深为（ｈ—ｎ），由沙莫夫公式得 ｖｏ＝ Ｉ ＝Ｋ （ｈ一０） 。 （１２） 设计引水流量Ｑ。为 Ｑ。＝ （ｈ一０）Ｂ＝Ｋ’ｄ。ｌ／ （ｈ一０） Ｂ （１３） 式中：Ｑ。为设计引水流量，ｍ ／ｓ；Ｖｏ为沉沙槽内通过流量Ｑ。时 的流速，ｍ／ｓ；ｄｏ为要求止动的最小泥沙粒径，ｍｍ； ‘为系数，取 Ｋ ＝３．８； 为沉沙槽宽度，ｍｍ；＾为沉沙槽设计水深，ｍ。 当沉沙槽内泥沙沉积到一定高度（不超过两闸底板高差或 拦沙坎高度）时就需要冲沙，得到按沉沙要求计算的冲沙流量 Ｑｊ中为 Ｑ冲＝ Ｋ ｄ）。 （ ） Ｑ。 （１４） 该式表明设计冲沙流量应与设计引水流量成正比。 （４）综合分析。在进行冲沙闸尺寸计算时应特别注意床沙 的代表粒径和河床糙率等参数的选取问题。代表粒径的确定 应根据天然河道实测资料选取，有条件时应做模型试验；无实 测资料时，可根据有关资料，取床沙的平均粒径。 据稳定主槽的要求确定出沉沙槽宽度后，应综合分析确定 设计冲沙流量Ｑ冲。Ｑｊ中应满足稳定主槽、冲沙和沉沙的要求。满 足稳定主槽要求，Ｑ 应不小于按式（８）计算所得数值；满足冲 沙要求，按式（９）计算；满足沉沙要求，用式（１４）计算。特别应 注意的是：按式（９）和式（１４）计算的结果应相近，否则，说明沉 沙槽设计水深的确定不合理，应进行调整，重新计算。此外，还 要考虑天然来水情况，使平水水文年内有３～５次冲沙机会。反 之，当冲沙流量确定后，也可用式（１４）推算能够止动的最小泥 沙粒径 ，校核防沙效果，估计渠道进沙粒径，作为引水渠道的 设计依据。 由式（１Ｏ）计算的沉沙槽的底坡．，是一种特定情况下（达到 极限平衡状态）的数值，在实际冲沙过程中，当底坡达到按式 （１Ｏ）计算的稳定底坡时，沉沙槽达到冲淤平衡，此时应停止 冲沙。 （５）冲沙闸闸孔尺寸计算。冲沙闸底板高程可根据河道特 性确定，据经验，在冲淤平衡的河道上，可取枯水期河道主槽的 平均高程 。 确定冲沙闸的设计水位应考虑冲沙闸通过设计流量时，进 水闸引取设计流量或挡水溢流坝不过水，设计水位与溢流坝坝 顶齐平。 冲沙闸的设计流量考虑进水闸不引水时冲沙的情况，选取 沉沙槽设计冲沙流量。确定了冲沙闸的设计水位，就可计算出 冲沙闸的设计水深，根据设计水深和设计流量就可计算闸孔尺 寸。冲沙闸一般设计为自由出流，宽度按宽顶堰计算： ｆ） Ｂｏ＝——兰ｌ＿ （Ｊ５） ｍ，／２ｇＨｏ ‘ 冲沙闸总净宽 确定后，可根据闸门标准尺寸确定闸孑Ｌ 数目及每孔净宽。为便于集中冲沙，闸孑Ｌ宽度应小一点，孔数多 一些。 冲沙闸的布置应紧靠进水闸，翼墙和沉沙槽的连接应尽量 平顺，防止产生回流将泥沙卷入进水闸。 （下转第７８页） 维普资讯 http://www.cqvip.com ・７８・ 人民黄河 ２００７芷 和８％）。 如果用统计标准差Ｓ＝６％作“３ｓ准则”筛选数据对（点） 拟合方程（曲线）的外包线，则最终保留下来的数据可占到所收 ５结论 （１）在激光法和传统法对比试验取得可靠成果的基础上， 用回归分析的方法建立两者的相关换算关系是可行的。 集资料总数的９５％，并且两次所拟合的公式相似，关系线几乎 重合。 习惯上，水文资料整理中相关分析的坐标定线，对单一曲 线水位流量关系有７５％（９５％）以上的点据与平均关系曲线的 偏离介于±５％（１０％）；对单一曲线含沙量的单断沙关系有 ７５％以上的点据与平均关系曲线的偏离介于１０％～１５％；对单 （沙颗粒级配）断（沙颗粒级配）相关曲线，粗粒径有７５％以上 的点据与平均关系曲线的偏离介于３％～５％（级配绝对值）， 细粒径有７５％以上的点据与平均关系曲线的偏离介于５％～ （２）不同实验室、不同区域激光法与传统法的相关关系回 归方程（曲线），各沙型分别拟合的方程（曲线）都很接近由全 部试验沙样建立的方程（曲线），统一起来是可行的。 （３）推荐传统法粒度分析级配（ ）成果换算为激光法粒 度分析级配成果（ｙ）时用公式Ｙ＝０．００１ ８ｘ２＋０．７７２ ９Ｘ＋ ２．６６０ ５，激光法粒度分析级配成果换算为传统法粒度分析级 配成果时用公式Ｘ＝一２１４．６９４＋（４４ ６１４．１９８＋５５５．５５６Ｙ） 。 １０％（级配绝对值）。与此比较来看，笔者确定的黄河泥沙传统 法与激光法粒度分析级配成果衔接关系（全部试验沙样）的相 【责任编辑翟戌亮】 关方程（曲线）精度与可信度也是相当高的。 （上接第５５页） 出版社，１９９９． ［２］ 李锡龄．引水渠首［Ｍ］．乌鲁木齐：人民出版社， ３结语 １９９３． 河流泥沙运动的复杂性，决定了低坝进水口防沙措施的多 样性和综合性。山区河道有其自身的特点，进水口位置选择、 设计计算、运用管理水平等，对进水口引水防沙效果都有极大 的影响，必须全面考虑。 ［３］ 严晓达，刘旭东，李贵启，等．低水头引水防沙枢纽［Ｍ］． 北京：水利电力出版社，１９９０． ［４］ 刘旭东．冲积河流上渠首冲沙闸的计算［Ｊ］．泥沙研究， １９８１（３）． ［５］ 宋祖诏．渠首工程［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９８３． 参考文献： ［１］梁志勇．引水防沙与河床演变［Ｍ］．北京：建筑材料工业 【责任编辑张华岩】 （上接第７３页）所有情况，可以作为最终的误差结果，不需要进 行前两环节的试验及后期的误差合成。其实，第一环节误差试 验是的，样品确定后，重复测试反映的是仪器本身作业和 颗粒群被测试性质的特性。后两环节的试验，一次加样一次测 试，有加样成果混杂抵偿的影响。笔者认为，从最终的误差结 表１误差限定指标 果看，３个环节误差合成的数值大于第三环节的误差数值，对用 户来说，采用前一数值衡量测试成果的误差要稳妥一些。 可结合精度试验的资料、泥沙粒度目标函数的要求和误差 评估路线，设计数据和误差记录计算的表式结构，以方便计算 和存查。 参考文献： 王乃宁．颗粒粒径的光学测量技术及应用［Ｍ］．北京：原 子能出版社，２０００． ２—９２河流泥沙颗粒分析规 ［２］ 黄河水利委员会水文局．ｓＬ４５精度试验成果 按照规定的误差评估路线和设计的精度试验方案，针对各 误差环节，安排兰州、榆次、－－Ｉ＇］峡、郑州、济南５个实验室和黄 河水文设计院粒度测试中心分头开展了激光粒度分析仪测试 程［Ｓ］．北京：水利电力出版社，１９９３． 和瑞勇，李静，等．激光粒度分析仪应用于黄河泥沙 ［３］ 牛占，颗粒分析的实验研究［Ｊ］．泥沙研究，２０００（５）． 黄河泥沙粒度的精度试验。整理分析后得出了激光粒度分析 仪测试黄河泥沙粒度各误差环节的误差限定指标，见表１。 【责任编辑翟戌亮Ｊ
