[科普中国]-防沙设施

开敞式进水口防沙设施

在讨论开敞式进水口的防沙设施时，需要指出，它与河流的水文、泥沙、河型、地貌等条件密切相关。每一条 河流和每 一项工程都有自己的特点和具体情况，也有与之相适应的防沙布置方案，因此要得到一 种普遍适用的防沙布置形式是很困难甚至不可能的。在设计多沙河流大中型引水工程时，一般是光调查研究河流的水文、泥沙、地形和地质等自然条件，并参考已有工程的经验，通过分析计算初步拟定若干防沙布置方案，然后根据大量水工和泥沙模型试验，进行方案比较和论证，最终确定防沙设施的布置和尺寸。1

防沙措施概述1）根据不同的来水来沙情况，合理运用拦河闸排沙防沙。在工程实践中多采用以下的运行方试：

洪水期推移质来量大，宜多开启拦河闸孔，降低水位大排大泄，水流携带的推移质外，还要把中小水期间淤存在库区的泥沙也排往下游，同时刷出库容供重新淤积之用。由于此时引水 “分流比” 小，推移质对进水口的威胁并不 大；特别当枢纽位于弯段时，因闸前纵向流速很大，横向环流作用强烈，推移质将远离凹岸进水口而由凸岸闸孔排走。1

中流量时，拦河闸孔一部分开启，水位有所塑高，推移质有排有淤，但因此时引水分流比大，底沙易进入进水口，需设置防沙设施保护。

小流量时，拦河闸全关，抬高闸前水位运行，推移质淤于库区。为使淤沙洲 失不接近进水口，需使洪水期刷出的库容足以容纳“淤沙期”的来沙量。1

2） 采取多种防沙设施，防止推移质进入进水口 ：

进水口既然引水，就有可能引入泥沙。在同一条件下分流比愈大 分沙比也愈大。

关键问题是要促使水沙分离，引入“清水” 而排除底沙。1

拦河闸 冲沙闸底板高程的确定从理论上说，由于冲沙闸一般布置在原床河深槽位置，因此其底板高程应比拦河闸略低，特别对弯曲河段更是 如此(凹岸河床高程低)。但在实际工程中，为简化计多使二者为同 一高程。1

实践证明，正确地选择闸底板高程是引水枢纽设计的一个重要问题。如果底板偏高。会使下游冲刷加剧，而且 对闸前排沙不利；但如偏低，又会引起下游淤积，最终仍会影响到闸前排沙防沙的效果。根据各地引水枢纽的运行经 验，在确定闸底板高程时需考虑多种因素。1

束水墙束水墙的墙顶应高出闸前冲沙水位 ，以利“束水攻沙”，长度则一 般应达到并超过进水口的上游端。

束水墙除起“束水”作用外，在洪水期由于其前端的“顶流”作用，可促使推移质更快地向凸岸各闸孔输移，提高弯道环流排沙的效果。此外，也可采用大洪水期关闭冲沙闸，使冲沙槽内形成流速较小的“相对静水区”，此时更有利于弯道环流排沙和防止推移质进入进水口。1

冲沙槽的布置原则( 1 ) 为了顺畅排沙，槽内冲沙流速至少应大于最大推移质的起动流速，以免落淤。

( 2 ) 槽内流速应沿程比较均匀，为此宜前宽后窄呈“ 喇叭口”形，以适应进水口沿程取水后槽内流量渐减的情况。1

(3)在平面上可以布置成直线形或曲线型，后者对防沙更有利。

( 4 ) 有的工程对冲沙槽输沙能力进行校核，使其大于进入槽内的来沙量 。

( 5 ) 为了增大排沙防沙效果，可以在槽内布置潜没分水墙、导沙坎，特别对多冲孔沙闸的情况采用更为普遍。

( 6 ) 在一 般情况下，为了增加开启冲沙闸的机会和冲沙的次数，冲沙闸的宽度以小一 点为好，因此当计算冲 沙流量较大时，可以分成两孔或更多。1

天生桥二级水电站的防沙设施防沙工程充分利用天然河弯环流、人工环流及沉沙排沙等措施，采用多级水位调度方式，控制溯源冲刷，减少进闸沙量 。2

充分利用天然河湾将泄流冲沙工程设于河中部及凸岸一侧，引水工程设于弯顶凹岸一侧，并于进水闸前设置了一套防排沙设施。2

防排沙措施的设计及模型验证枢纽建成后，上游河道来沙必然要到闸坝前，在进水闸前需同时处理好防止粗细沙和卵石入洞问题。紧接进水闸后即为引水洞，闸后无处理泥沙的场地，全部沙卵石均需在进水闸前处理完毕。为此，在发电洞进水闸前设置了沉沙池、导沙坎及排沙廊道 ，该区位于弯道末端主流区，它与排沙闸一起构成一个整体，是防止和减少泥沙进闸的主要设施。具体做法是沿右孔冲沙闸的左墩向上游延伸，做一道低隔水墙，将坝前库区隔为两部分。右侧部分在进水闸前形成沉沙池，池内只通过电站引用流量和排沙流量，因此水流平缓，用以沉积中粗沙及少量砾石 ，沉沙池进口设导沙坎，沉沙池尾部设排沙廊道，道出口与排沙闸连接。2

进水口位置及导沙坎的作用根据实际运行情况可以看出，进水口位置较好。河段为一天然河湾，首部枢纽位于开阔河湾凹 岸末端，主流均靠凹岸，沉沙池及池前导沙坎均设于此区，导沙坎前流速较高，主流顶冲。只要打开冲沙闸，行近坎前的推移质泥沙绝大部分仍沿导沙坎隔水墙从冲沙闸排走 。2

沉沙池及排沙廊道的作用沉沙池是由河岸边、进水闸、隔水墙及导沙坎合围形成的，池内水流与池外水流用隔水墙隔开，水流只从前面进口进入要求的流量，池内水流平衡，流速较低，平均流速一般小于 0.6m/s，可以沉下粒径大于 0.5mm 的推移质泥沙，悬移质泥沙中极粗部分亦可沉下。2

几点认识(1)充分利用天然河湾，将泄流排沙布设于河道中部和凸岸，将引水工程布设于凹岸主流区是合理的。

(2)在引水区前沿弯道主流区设置了一道与主流交角为35°的导沙坎，利用导沙坎前产生的环流，进一步拦截导走推移至坎前的卵石粗沙，使拦排沙效果处于有利的状态。2

(3)在进水闸前利用一部分库区作为沉沙池，来控制越过导沙坎的中沙和粗沙，是十分必要的。电站进水闸后无泥沙处理场地，利用闸前部分库容作为沉沙池是一种充分利用空间的好办法。同时沉沙池的隔水墙与导沙坎连为一体在施工期间可以作为施工导流墙，将库区内的沙卵石沿墙外导向坝下游。2

(4)在沉沙池尾部设置排沙廊道，可以进一步排除池内淤沙。排沙廊道连续或定期排沙，清洗沉沙池，从而保持沉沙池处于较好的工作状态。排沙廊道与排沙闸之间采用曲线型过渡连接，可避免急弯产生负压。

(5)随着流量过程变化采取灵活的调度方式。根据实际运行经验，汛期坝前控制水位可适当提高到中等水位而不限定在最低水位。这种运行方式可能会使库区床面淤积高程有所抬高，沉沙池进沙增加，但只要淤积泥沙能顺利地从廊道排走，这种运行方式也是可取的。2

拦河闸式引水的枢纽防沙设施“ 取水防沙” 是低闸（坝）引水枢纽设计中需要解决的重要问题之一。电站的引水松纽布置具有一定的共同性 ，即在河床布置拦河闸作为雍水建筑物；电站取水口布置在岸边，在靠近取水口处设置冲沙闸、冲沙槽、束水墙、拦沙坎和导沙坎等防沙设施。在实际运行中，根据天然来水来沙情况，合理启闭拦河闸闸孔进行“固体径流调节”，同时利用各类防沙设施防止推移质进入取水口。3

正确选择枢纽位置 以利防沙排沙引水枢纽必须选在“ 稳定河段” 上，即该处河床断面基本不变，主位置比较固定 ，此时可将取水口布置在靠近主槽的位置，以利引水。3

将引水枢纽布置在河流弯段上，充分利用弯道环流排沙，是一项常用的、行之有效的防沙措施。

但另 一方面，如果弯道环流强度过大，将引起泄洪闸过水能力不均匀和凹岸严重冲刷，故在一般情况下弯道半径不宜小于4倍河宽。3

冲沙槽的泄流规模冲沙槽流量包括取水口引用流量和冲沙闸冲沙流量两部分。对于“低坝冲沙槽式” 引水枢纽来说，冲沙槽的泄 流规模需满足取水口前形成主槽的要求，故泄 能力较大。而拦河闸式枢纽因闸孔均可泄水排沙，故冲沙槽的宽度和泄流能力不宜太大，这样更有利于“束水攻沙”。3

冲沙闸冲沙流量，一般取为引用流量的l 一 2倍。此时取水口在槽内引水的“ 分流比” 约30 ~ 50%，如果防沙设施得当，是可以收到良好防沙效果的。3

但对于比降陡、推移质粒径大的山区河流，当闸前雍水较深、冲沙槽内流速很大(3 ~ 5米 / 秒) 时，冲沙流量的确定还要考虑冲沙闸孔顺畅排石的要求，即孔宽不应小于通过卵石最大粒径的 2.5 ~ 3.0倍。3

导沙坎布置导沙顺坎用于两孔或多孔冲沙闸 ，与冲沙槽内纵向水流方向平行，把冲沙槽分隔成和冲沙闸孔等宽的间隔。 而导沙丁坎则指顺坎前端的斜向导坎，它与水流夹角30度一 40度。但也有一些导沙坎布置成不规则的坎群。3

导沙坎的高度，一 般取冲沙槽内水深的1/3 一 2/3 (丁坎取低一 些)，断面可为矩形或梯形，其前端 一般要到达 取水口上游端并适当上延。导沙坎的作用是：提高各冲沙闸孔的排沙效果；对引入取水口的水流，将底沙拦阻于坎 外并促使排入下游；对越过坎的底沙，藉助于纵、横向水流所形成的“ 螺旋流”，使其集中沿坎的内侧排向冲沙闸。3

拦沙坎高度选择为防止底沙进入取水口，拦沙坎应有一定的高度。但过高亦不利，因为在闸前水深一定的情况下，坎愈高则进水水深愈小，而为了保持取水口较小的流速( 否则易吸进底沙)，就必然使进水前缘和冲沙槽拉得很长，这对取水口前 的排沙防沙都是不利的。大中型工程的坎高应大于2~ 3米，或相当于冲沙槽内水深的50% 左右。3