低坝闸式枢纽泥沙冲淤分析计算Word下载.docx
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1.2工程概况
提示:
简介工程的地理位置、主要功能和主要特性参数。
2设计依据文件和规范
2.1有关工程和本专业的文件
(1)规划与可行性研究阶段的设计报告、泥沙专题报告和审查意见;
(2)总工程师或设计总工程师下达的任务书、设计大纲,以及有关专业对泥沙设计提出的书面要求。
2.2设计依据的主要行业标准
(1)SD303—88水电站进水口设计规范;
(2)SD130—84水利水电工程水库淹没处理设计规范。
2.3主要参考资料
(1)《水利水电工程泥沙设计规范》(报批稿);
(2)《水利水电工程沉沙池设计规范》(送审稿)。
3基本资料
3.1基本资料的收集
3.1.1库区地形图比例尺不宜小于1/10000,纵横断面图必须包括水下地形。
纵断面图上库底高程为深泓高程。
横断面布设应控制水库地形的变化,断面条数应满足库容和淤积量的计算精度。
引水式枢纽进水口附近应布设横断面,水库长度较短的工程,横断面不宜少于6条。
横断面间距,在地形图上按正常蓄水位高程,量取相邻两横断面间的几何中心长度。
由断面法计算的库容与地形法量算的库容误差不超过5%。
3.1.2库区实测天然水面线资料
(1)天然水面线主要用于推求天然河道综合糙率,若无资料应布置水面线测量任务。
(2)收集的实测天然水面线,不宜少于丰水、中水、枯水三条。
亦可在库区设立数组水尺,利用水位—流量关系获得天然水面线。
3.1.3若设计依据水文站或工程所在河流,未开展推移质测验,则应收集床沙颗级配。
一般通过试坑法获得床沙(又称河床质)颗粒级配。
试坑所在河段应满足推移质输沙平衡,即推移质与床沙交换充分的条件。
床沙颗粒级配是确定河段推移质输沙量的主要资料,试坑位置断面附近要有水力因素资料。
如水位~流量关系、水位~面积关系等。
当水库分支时,干、支流要分别进行取样。
支流试坑位置不能位于河口段,避免受干流洪水顶托。
受垮山、泥石流、人类活动影响显著的河床,严禁取样。
取样时间一般选择在枯水期,试坑要尽量接近洪水期主泓线。
卵石河床的试坑位置,要根据水流和泥沙运动条件选择,一般在滩头(上游)、滩中、滩尾(下游))选择三个或更多位置,进行对比分析。
试坑面积一般在1m2左右,深度不宜小于2倍最大粒径。
沙质河床可用环刀等工具取样,沙样在晒(烘)干后,用标准筛筛选称重。
3.1.4设计依据水文站历年逐月、逐月平均流量、悬移质含沙量、输沙率,年输沙量,历年逐月平均悬移质颗粒级配和水温资料。
若无悬移质颗粒级配整编资料,应收集实测悬移质断面平均与相应单位水样颗粒级配资料,若未进行颗粒级配测验,应采集洪水期悬移质沙样进行颗粒级配分析。
若设计依据水文站,或工程所在河流上已开展推移质测验,也要收集其历年逐月输沙率、输沙量和推移质级配资料。
必要时,应收集工程所在流域内有关水文站的水文、泥沙测验资料。
3.1.5应了解设计工程上、下游已有和在建水利水电工程的工程特性,水库运行方式,泥沙冲淤实测资料或计算成果,尤其是泥沙出库率、出库含沙量和出库颗粒级配等资料。
3.2基本的资料的整理和评价
3.2.1对收集的库区地形、水面线、床沙颗粒级配等资料,应进行整理、可靠性分析和评价。
若地形图是由比例尺相差很大的地形图拼凑,断面系不同部门或不同年代的测绘成果,则需要对其精度作出分析,必要时应进行补充测量。
3.2.2整编收集到的水文站泥沙资料时,应进行合理性检查。
对可靠性差的整编资料要进行修正。
若无法修正要舍弃。
当水文站的流量资料已进行修正,相应的输沙率资料也应进行修正。
水文站附近因修建公路或其它建设,大规模的土石方开挖,也可能引起实测含沙量突然增加,而相应的流量过程却无显著变化,对这些可疑的数据也应分析,进行修正或舍弃。
检查方法:
一般通过对比分析,如对比本站流量、含沙量过程线,上、下游水文站流量、含沙量、输沙率过程线等。
4设计原理和假定
4.1根据入库输沙量、含沙量、水库功能、制约条件等,分析工程泥沙问题,确定泥沙设计的主要内容。
(1)对有调节性能的水库,设计的主要内容是长期保持调节库容。
(2)工程修建在推移质问题严重的河流上,设计的主要内容是防止推移质进入取水口。
(3)工程修建在已通航河流上,设计的主要内容是:
应满足库区和上引航道的通航条件;
应满足下游河床变形后的下引航道和下游的通航条件。
(4)若水库末端有不允许淹没的控制高程,设计的主要内容是控制淤积部位和水库回水高程。
(5)修建在河流含沙量较大,泥沙颗粒较粗,矿物成份以硬矿物为主的中水头、高水头电站,防止水轮机磨损,论证是否修建沉沙池,或沉沙池替代方案是泥沙设计的主要内容。
(6)若工程有长期保持调节库容,推移质问题严重,已通航河流等多制约条件,则设计内容应全面综合考虑。
4.2根据泥沙设计主要内容,拟定水库泥沙调度方式、枢纽布置形式、引水防沙设施等方案。
4.3根据拟定的方案,在水库冲淤、下游河床变形、回水计算等分析计算成果基础上,分析研究拟定方案解决工程泥沙问题的可行性,提出应开展的专题研究和应进行的模型试验。
4.4进行方案比较,综合分析,合理确定设计成果。
5入库输沙量计算
5.1流域产沙分析
5.1.1根据泥沙测验资料,分析上游产沙的地区分布。
统计干流水文站实测泥沙资料,分析主要产沙地区分布。
再统计主要产沙地区的支流水文站泥沙测验资料,分析确定泥沙主要来源地区。
若上游流域内开展泥沙测验的水文站很少,甚至没有,可通过输沙模数图、已建水库淤积资料等途径分析产沙地区分布。
5.1.2推移质严格的河流,对主要产沙区进行查勘、调查,了解泥石流沟的分布及活动情况,分析推移质主要来源地区和产沙成因。
5.2悬移质
5.2.1根据水文站与坝(闸)址集水面积相差较小,泥沙测验系列较长、项目较全、资料可靠性较高等条件,选择设计依据水文站。
设计依据水文站泥沙资料系列不足20年,应插补延长系列。
一般通过相关插补延长系列。
条件是有较好的相关关系及具有较长的插补资料,通常使用设计依据水文站流量(径流量)与输沙量(输沙率),流量与含沙量相关插补延长,流量(径流量)、输沙量(输沙率)、含沙量可为年、月、日平均值;
亦可用汛期流量与年输沙量相关。
山区卵石河床,若上、下游水文站泥沙测验系列较长,且资料可靠,可通过上、下游相关插补延长设计依据水文站泥沙资料,沙质河床应考虑河道冲淤变化。
5.2.2特殊情况的资料处理
(1)上游发生大型垮山、滑坡堵江,应分析设计依据水文站泥沙资料,确定是否采用或进行修正。
我国山区易发生大型垮山、滑坡堵江。
堵江之后随之溃决,发生特大洪峰、沙峰,并沿程传播、扩散,距离近的水文站水沙过程受其影响很大。
对于这类水文站,其实测最大含沙量过程,并非正常天然来沙,同洪峰流量及其过程一样已无代表性,应进行修正,若不能修正应舍弃。
(2)上游有已建、在建具有拦沙作用的工程,或引水不回归原河道的工程,应对设计依据水文站实测泥沙资料进行处理。
这类工程,将使下游河道输沙量减少。
一般情况下,上游工程位于产沙区的影响大;
多年、年调节水库影响大。
应采用年或更长时段的水文站测验资料进行对比分析,当时段平均流量接近,而年输沙量减少10%~15%以上,可认为发生了显著变化。
此时,要对设计依据水文站实测泥沙资料进行处理。
若上游工程拦沙作用的年限较短,可通过还原计算,采用天然河道泥沙系列计算;
若上游工程拦沙年限很长,或引水不回归,可采用受上游工程影响后的泥沙系列计算,亦可分别按上游工程修建前、后的泥沙系列分别计算。
5.2.3悬移质分析计算主要内容
5.2.3.1入库悬移质特征值包括:
多年平均年、汛期输沙量、含沙量、实测最大含沙量。
(1)当坝(闸)址与设计依据水文站集水面积相差小于3%时,入库输沙量、含沙量可采用设计依据水文站测验资料计算。
当坝(闸)址与设计依据水文站集水面积相差大于3%,小于20%,应考虑区间产沙影响;
大于20%时应作专题研究。
(2)区间不是主要产沙区
若无大支流汇入,入库含沙量采用设计依据水文站含沙量,由入库流量与入库含沙量的乘积,求得入库输沙率、输沙量。
若入库流量由面积比法求得,则输沙量亦可由面积比法求得。
若区间有大支流汇入,入库含沙量可按下式计算:
式中:
S入——入库含沙量;
QS干、QS支——干、支流设计依据水文站的输沙率;
Q干、Q支——干、支流设计依据水文站的流量;
“+”、“—”号视设计依据水文站与坝(闸)址相对位置确定。
根据入库含沙量和入库流量求得入库输沙率、输沙量。
实测最大含沙量可以采用干流设计依据水文站成果,亦可由相同时刻干、支流设计依据水文站的实测含沙量,由该时刻流量加权计算。
(3)区间是主要产沙区,入库输沙量可按下式计算:
WS入=WS设A·
MS
WS入、WS设——入库设计依据水文站的输沙量;
A——坝(闸)址与设计依据水文站的区间面积;
MS——区间输沙模数。
根据入库输沙量和流量,计算入库含沙量。
5.2.3.2河流输沙特性包括:
分析输沙量、含沙量年际变化,输沙量年内分配,输沙量中程度,水沙关系,含沙量年内变化等。
(1)输沙量、含沙量年际变化,如统计最大与最小年的输沙量倍数,最大与多年平均年输沙量倍数;
(2)输沙量年内分配,如统计多年平均汛期、非汛期、逐月输沙量占多年平均年输沙量的百分数。
(3)输沙量集中程度,如统计长系列、代表系列的最大一日(或三日、七日)输沙量占该年输沙量百分数,也可统计代表年洪峰过程输沙量占该年输沙量百分数,或用流量与累积输沙量曲线分析;
、
(4)水沙关系,如分析流量与含沙量过程的对应关系,洪峰与沙峰对应过程等。
(5)含沙量年内变化,如统计多年平均汛期、非汛期、逐月含沙量,洪峰过程中的含沙量变化,实测最大含沙量,含沙量历时曲线等。
5.2.3.3悬移质颗粒特性应包括:
(1)悬移质颗粒组成。
计算多年平均、汛期平均颗粒级配,分析泥沙粒径组成的年内变化,提出悬移质颗粒级配和最大、平均、中数粒径。
(2)悬移质矿物成份。
根据悬移质洪水期沙样进行矿物成份分析。
5.3推移质
5.3.1确定推移质输沙量与全断面输沙率
(1)若设计依据水文站提供推移质测验资料,可根据该资料计算、确定推移质输沙量。
但测验资料要通过采样器效率系数修正,并且采样器效率系数应通过试验鉴定。
(2)可通过推移质输沙模拟试验推算推移质输沙量。
若进行水槽正态输沙模型试验时,应注意模拟的床沙组成、单宽水力因素,要符合天然状况,试验的床面要平整并要密实。
根据模型试验成果建立单宽流量—单宽输沙率关系。
(3)采用推移质输沙率公式计算推移质输沙量,是经济、简单和较多采用的方法。
但由于公式建立的条件不同,导致同样水力条件下,不同公式计算的成果差异很大。
因此,使用这类公式特别要注意公式的适用条件和范围,要根据本地区推移质运动规律选择公式,推移质输沙率计算公式见附录A。
(4)水槽推移质输沙试验或推移质输沙率公式计算成果都是单宽输沙率。
根据天然河槽形态,计算全断面输沙率,全断面输沙率计算公式见附录B。
由此建立全断面的流量—推移质输沙率关系。
5.3.2根据工程设计需要,确定推移质输沙量计算系列
(1)长系列,20年以上的连续系列;
(2)代表系列,选择包括丰水、中水、枯水年份有代表性的连续系列,代表系列的平均年径流量应接近长系列平均值;
(3)代表年,选择丰水、中水、枯水等3~5个代表年份,代表年份的平均年迳流量应接近长系列平均值;
(4)典型年,该年的年径流量应接近长系列平均值。
5.3.3根据已建立的全断面流量—推移质输沙率关系和确定的计算系列,由逐日平均流量计算逐日平均输沙率,由日平均输沙率计算逐月、年平均输沙率、输沙量。
最后计算系列平均年输沙量,汛期输沙量。
6水库泥沙设计
6.1水库泥沙调度方式
6.1水库泥沙调度应以保持调节库容和枢纽引水防沙为主要目标研究拟定,采用水库蓄水拦沙与降低水位排沙的方式。
低水头或低坝(闸式)引水枢纽,水库调节性能主要是日调节、季调节;
水库库容一般较小,淤积速率较快,泥沙侵占调节库容问题和引水防沙问题突出。
枢纽都设置防沙、排沙设施。
但当引水分流比(引用流量与入库流量之比)过大(约超过50%时)防沙排沙设施难于充分发挥作用,因此还得依赖于水库泥沙调度。
当入库流量较小,引水分流比过大时,抬高坝(闸)前运行水位,让泥沙暂时在库内淤积;
待到下一时段入库流量较大,分流比较小时,降低坝(闸)前水位,排除前期淤积物和本时段入库泥沙。
这样的泥沙调度即达到保持必须的调节库容,满足兴利要求,又有利于解决枢纽引水防沙问题,保持枢纽正常运行。
6.1.2水库泥沙调度方式,主要有按分级流量控制库水位调沙、敞泄排沙和汛期控制库水位排沙等。
(1)按分级流量控制库水位调沙(简称分级流量调沙),其原理是:
当入库输沙量较小时,水库按综合利用要求在高水位运行,让泥沙在水库中甚至在调节库容中淤积;
当入库输沙量较大时,水库降低水位运行,将入库泥沙和前期淤积物排出水库。
这里,控制库水位的是入库输沙量。
但工程投产后在实际运行操作中,要求上游入库水文站能及时作出输沙量预报是困难的,甚至是不可行的。
但是,由于河流输沙量随流量增大而增大,流量与输沙量有一定的关系,故库水位的变化可采用入库流量控制。
当用入库流量调度方式时,要求河流输沙量集中程度较高,沙峰与洪峰对应。
设计中依据流量与含沙量或输沙量关系,结合综合利用要求,将流量划分成1~3级。
汛期,当入库流量小于某级流量时,库水位可抬高到排沙水位以上,甚至正常蓄水位运行,让泥沙在水库设置的库容(称调沙库容)内淤积;
当入库流量大于某级流量时,水库水位控制在排沙水位运行(水库可能暂时无调节作用)进行排沙。
例如四川某电站,汛期入库流量小于693m3/s时,入库输沙量很少,库水位控制在1640.5m(死水位)~1645.5m(正常蓄水位)之间运行水库进行日调节,当入库流量大于693m3/s,而小于1300m3/s时,库水位控制在1640.5m运行,让泥沙淤积在死库容内;
当入库流量大于1300m3/s时,库水位控制在1638.5m运行(当入库流量超过泄洪排沙闸在1638.5m的过流能力时,全部闸孔敞泄),以排出本时段入库泥沙和库内的前期淤积物,供下一时段淤积。
(2)敞泄排沙方式,又称泄空冲沙,分为定期和不定期两种。
敞泄排沙方式的特点:
非排沙期水库蓄水拦沙运行,让泥沙在水库的调沙库容内淤积;
排沙期进水口暂时停止取水,闸孔全部敞开泄流,把前期淤积物排出库外。
敞泄排沙一年中可定期敞泄数次;
也可根据来水来沙条件,汛期不定期敞泄一次或数次,如四川省映秀湾水电站。
每次敞泄时间按来水来沙和排沙量的需要确定,可数小时至数日。
(3)汛期控制库水位排沙,指在非汛期蓄水拦沙运行,在汛期水库水位控制在汛期限制水位运行。
6.1.3排沙水位的泄流能力,应不小于两年一遇洪峰流量。
排沙水位是水库在排沙期间蓄水允许的上限水位。
其高程可以高于、等于、低于死水位。
对低水头或低坝(闸式)引水枢纽,需要“大排大泄”的泄流排沙能力。
若排沙水位的泄流能力太小,大流量时库水位往往不能控制在排沙水位,导致库水位高于排沙水位泥沙将在库内淤积,因此泄流能力以大为宜。
考虑到枢纽总体布置和工程造价等因素,根据国内已建水电站资料分析,排沙水位的泄量不宜小于两年一遇洪峰流量。
6.2水库泥沙冲淤计算
6.2.1水库泥沙冲淤计算采用的泥沙系列、计算年限应符合《水利水电工程泥沙设计规范》的规定。
6.2.2水库泥沙冲淤计算成果主要有:
水库持续淤积时段内最大淤积量及其淤积高程,发生最大冲刷后的库内剩余淤积量,及其淤积高程,调沙库容容积,淤积物粒径,出库悬移质含沙量、粒径,淤积后库容曲线,进水口含沙量等。
(1)调沙库容,在纵断面图上是水库待续淤积时段内最高的淤积高程,与发生最大冲刷后的淤积高程之间容积。
调沙库容是供泥沙冲、淤交替使用的库容。
在计算淤积后剩余的库容时,为偏于安全,调沙库容不应计入,尤其是位于调节库容内的调沙库容。
(2)引水式枢纽的进水口含沙量按下式计算:
S进——进水口含沙量,kg/m3;
Q引——进水口引用流量,m3/s;
S——含沙量,kg/m3,当水库未达到冲淤平衡,为进水口断面含沙量,由水库冲淤计算确定;
当水库达到冲淤平衡后,可为天然入库含沙量。
6.3枢纽引水防沙
6.3.1枢纽的泄流排沙建筑物,应尽量保持天然河势,设置在天然河道稳定河段主流区。
6.3.2引水式枢纽位置应尽量利用天然弯道或修建人工弯道。
进水口位置宜布置在弯道顶点略下游的凹岸。
枢纽布置宜采用正向引水、侧向排沙的布置形式。
将弯道始端至末端沿水流长度十等分,环流作用最强处约位于0.6附近,即弯道顶点下游处。
在设计工作中可根据实测水下地形河槽在凹岸水深最大处,判别为环流作用最强区。
若修建挡水建筑物后环流作用未受影响,该处布置进水口有利于引水防沙。
进水口水流方向基本位于弯道的切线,称正向引水;
泄流排沙建筑物的坝(闸)轴线垂直水流方向,称侧向排沙,这是充分利用弯道环流的排沙布置形式。
6.3.3推移质严重的引水式枢纽,进水口前必须设置束水墙、导沙坎、廊道、截沙槽。
排沙闸应靠近进水口,并满足经常开启,灵活运用的要求。
制定防沙、排沙设施的运用规则。
导沙坎高程视阻止推移质进入进水口和水工布置具体条件确定,一般高于进水口底板1~3m。
排沙闸过流能力不宜太大,因太大不能经常开启,有的设置两个,以保证经常开启,运用灵活。
已建工程的运行实践表明,进水口前的束水墙、拦沙坎、导沙坎、排沙闸等第一道防线,防、排推移质作用明显,但仍有少部分推移质进入进水口。
因此,进水口内需要设置第二道防线,一般使用排沙廊道、截沙槽,有时第二道防线由几个截沙槽,形成“层层设防”。
已建运行多年的四川省渔子溪一、二级和南桠河三级等水头高达300m左右的引水式电站,第二道防线运用正常,均发挥良好的防沙排沙效果。
在运行管理中,防沙、排沙设施要结合泥沙调度方式的需要,制定相应的运用规则,和必要的泥沙观测。
运用规则主要确定排沙闸、排沙廊道、截沙槽的闸门开启时间。
6.3.4泄洪排沙闸底板高程,应考虑上游淤积、下游冲淤和推移质过闸对建筑物磨损的影响。
泄洪排沙闸底板高程改变了天然河道的侵蚀基准面,是闸式枢纽设计的一个重要问题。
闸底板高程的合理选择,涉及泄洪排沙闸功能的发挥及枢纽安全正常运行,一般应考虑下列因素,拟定比较方案,经模型试验确定。
(1)有利于枢纽泄洪排沙,减少水库淤积。
按拟定的运行方式,满足设计要求的兴利库容,水库回水范围及高程。
(2)分析枢纽河段床沙组成及泥沙补给特性,考虑引水分流后下游河道输沙能力改变及引起的冲淤变化。
(3)减少推移质过闸对排沙建筑物的磨损。
1)对于位于山区卵石河床且推移质补给充分河段上的枢纽,引水分流后下游容易产生淤积,闸底板应不低于或略高于中水河槽的平均河底高程。
四川某枢纽河段的平均比降0.8%,引水率45%,泄洪排沙闸底板,约较汛期平均流量时的原河床平均河底高程低1m。
工程投入运用后,闸下淤普遍淤高2~3m。
由于泄洪排沙时下游水位抬高,影响了泄洪排沙效果。
六十年代新疆地区修建的一些引水工程,曾因闸底板过低,发生下游淤积。
目前新建和改建的引水工程,都根据实际情况,不同程度地将闸底板高程抬高。
如奎屯河、古尔图河旧渠道,引水率分别为62%和71.2%,闸底板高程低于原河床平均河底高程1m和高于0.5m,下游淤积严重;
新渠道引水率加大为80.6%和84.4%,闸底板高程高于原河床平均河底高程4.5m和1m,运行效果良好。
2)对于输沙能力较强,推移质补给不充分的山区卵石河床,闸底板高程可以按枯水河槽平均河底高程设计。
南桠河三级、渔子溪一级枢纽河段比降达3.0%,闸底板高程均按枯水河床平均河底高程设计。
实际运行表明,泄洪排沙闸的运用效果良好。
3)河道比降平缓的沙质河床,抗冲能力小,建闸后造成的局部冲刷比较严重;
水库淤积造成的水位抬高使上游淹没损失较大,如黄河原位山枢纽,天然河宽360m,枢纽过水净宽160m,闸底板抬高4m,导致上游淤积严重,洪水水面线抬高,被迫毁坝。
因此,泄洪排沙闸底板高程应放低一些,宜采用“宽闸低坎”的原则,如黄河三盛公枢纽。
6.3.5枢纽引水防沙建筑物布置形式、尺寸、高程等应通过枢纽泥沙模型试验确定。
6.4泥沙观测规划
6.4.1低水头、低坝(闸式)枢纽工程泥沙问题一般都严重。
为掌握枢纽上下游河段的泥沙冲淤变化及其影响,为枢纽运行管理提供依据,应开展泥沙观测。
6.4.2泥沙观测规划内容应根据需要确定。
主要有水库冲淤变化和各极流量的水面线。
若水库较小,河宽较窄,可架设钢丝缆道断面进行泥沙淤积高程观测。
断面布置不宜小于6条,在进水口前缘应布设断面一条。
6.4.3编制泥沙观测规划经费,列入工程概算。
经费编制包括建筑工程费、设备及安装工程费,其它费用等。
为减少人员编制,除安排1~3名定岗人员外,采用自计水位观测水位,断面淤积高程观测可由电厂其他人员兼顾,或聘请经过培训的临时人员进行观测,对梯级水库可组织巡回观测。
7应提供的设计成果——泥沙报告
7.1河流泥沙
7.1.1流域产沙概况
阐明流域产沙地区分布、产沙成因;
库区泥沙来源、水土流失情况及水土保持措施、效果。
7.1.2悬移质
(1)概述设计依据水文站泥沙测验、整编概况及检查意见。
若对设计依据水文站整编资料进行修正,应说明修正原因及方法。
若对泥沙系列进行插补延长,应说明方法及评价。
(2)阐明河流输沙特性,如输沙量年际、年内变化,输沙量集中程度,水沙关系,含沙量年内变化等。
由设计依据水文站统计的河流输沙特性列入统计成果表,表格可参考表1~表3。
表1河水文站悬移质输沙量年内分配表
项目
月份
汛期
~
月
年
最大一日
年月
日
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
输沙量104t
占年输沙量百分数,%
注:
1)月、汛期及年输沙量均为多年平均值;
2)最大一日,系指历年最大一日输沙量,及占多年平均输沙量的百分数;
3)若1~4月输沙量不大,可合并为一栏。