CN104250960A - 一种水库防淤布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水库防淤布设方法，其特征在于它包括步骤一，利用水库建设期间的上游围堰和导流洞作为水库运行期间进行泥沙输送的设施；步骤二，在大坝上游选址建设栏沙库围堰，使河流来沙在栏沙库内淤积；步骤三，在输沙主管上设置多根输沙支管，每根输沙支管上设置超声波测深仪和电动阀门，实时测量泥面高程，轮流开启电动阀门进行清淤排沙；步骤四，控制柜通过电缆分别与超声波测深仪和电动阀门连接，该控制柜实时采集超声波测深仪监测的各输沙支管口泥面高程，选择泥面相对较高的输沙支管，自动开启电动阀门排沙；同时接受操作指令实现实时排沙。本发明能够达到预防水库内泥沙淤积的积极效果，并保证水库持续稳定地发挥效益。

Description

一种水库防淤布设方法

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，特别是涉及用于预防水库内的泥沙淤积、保证水库正常运行和充分发挥效益的一种水库防淤布设方法。

背景技术

水库泥沙淤积问题越来越受到重视，这不仅仅是因泥沙淤积减少有效库容，缩短水库使用寿命，而且也是因水量丰沛的优良坝址几乎全部用尽。随着经济社会的不断发展，水资源和清洁的水电资源需求在不断增加，出现了建坝为标志的新修水利工程的局面。以新建水库为例，移民费用很高，如三峡工程移民费占总投资44％；另据电监会的统计，我国水电工程移民投资费用占工程总投资比例范围为5.17％～54.51％。

为了解决水资源的供需矛盾，一方面需要极力采取有效措施，减缓已建水库的泥沙淤积速度，另一方面不得不在半干旱甚至干旱地区寻找新的坝址建库。然而，半干旱和干旱地区的水量一般集中于汛期，非汛期几乎无水可蓄，因此必须在汛期开始蓄水，这样就失去了宝贵的排沙机会，而由于这些地区的来沙更加集中于汛期，水库泥沙淤积将十分严重。因此，在这些地区建设的水库不能像水量丰沛地区水库那样采用蓄清排浑的运用方式，导致干旱和半干旱地区水库存在着蓄水和排沙的矛盾，如何兼顾蓄水和排沙已成为这些地区水库应用的一个新难题。

中国水利部门曾经组织了一次对20个重点水库泥沙淤积情况的调查，这些水库大多运行了20多年，结果表明这20个水库的泥沙总淤积量为78亿m³，水库库容损失18.6％。当前，我国水库的总淤积量在200多亿m³，严重影响了水库效益的正常发挥。

俄罗斯的中亚地区，因淤积影响，坝高低于6m水库的使用寿命只有1～3年，坝高7～30m水库的使用寿命只有3～13年。

采用水库拦蓄泥沙，清水下泄会导致下游河道冲刷，造成河势变化，河道下切，影响堤防安全，已建水利工程无法运行。

现有的水库布设时只考虑用排沙底孔排沙，建坝时的导流洞在水库建成后需要封堵。据对多个水库多年运行情况的调查，排沙底孔只能排除底孔进口附近很小范围内的部分泥沙，大部分泥沙淤积在水库内，严重地减少了水库的库容，影响了水库的使用效益。因此，在水库建设时就考虑防淤是迫在眉睫的现实问题。

目前常见的水库淤积防治方法主要有减少入库、多排出库和机械清淤等三种类型，即在泥沙已进入水库并发生淤积后的治理，却未见在施工布设时考虑在变动回水区将泥沙排到下游的技术方案。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种水库防淤布设方法，本发明是在水库施工时，将大坝施工围堰和导流洞进水口向上游迁移，以便大坝施工期做导流使用；在水库运行期，将大坝施工围堰变为栏沙库坝，导流洞作为排沙底孔，从而达到预防水库内泥沙淤积的积极效果。

根据本发明提出的一种水库防淤布设方法，其特征在于它包括如下具体步骤：

步骤一，利用水库建设期间的上游围堰和导流洞作为水库运行期间进行泥沙输送的设施；

步骤二，在大坝上游选址建设栏沙库围堰，使河流来沙在栏沙库内淤积；

步骤三，在输沙主管上设置多根输沙支管，每根输沙支管上设置超声波测深仪和电动阀门，实时测量泥面高程，轮流开启电动阀门进行清淤排沙；

步骤四，控制柜通过电缆分别与超声波测深仪和电动阀门连接，该控制柜实时采集超声波测深仪监测的各输沙支管口泥面高程，选择泥面相对较高的输沙支管，自动开启电动阀门排沙；同时接受操作指令实现实时排沙。

本发明是为预防水库淤积而设计的防淤排沙方法，在水库设计时或水库清淤完毕后，为防止水库快速淤积即可适时采用本发明进行水库排沙。

特别需要说明的是：在河道中建设水库大坝时或水库清淤完毕后，水库的库容处于最优状态。根据库尾地形确定具体的位置，在水库常年回水段内建设栏沙库，栏沙库建设可结合水库建设期的上游围堰工程，节省投资，导流隧洞可作输沙管用，从水库大坝下游延伸到栏沙库，将淤积在栏沙库中的泥沙排放到大坝下游。

为了提高单位水量的排沙效率，在栏沙库内的输沙主管上焊接支管，支管数量根据栏沙库面大小和泥沙特性确定，确保能够把栏沙库内的泥沙及时排净；每根输沙支管上安装了可控电动阀门，根据泥沙淤积位置的分布，确定开启相应的支管电动阀门；单独开启1-2根输沙支管，可保证输沙管口有较大水流速度，扩大单根输沙支管的清淤面积。

为了提高自动化水平和水库排沙可操作性，可在输沙支管上管口位置安装超声波测深仪，实时监测淤泥面的高程，既可防止输沙支管被堵塞，又可提高排沙效率；控制柜通过电缆分别与电动阀门和超声波测深仪连接，以提供电力和通信指令。一般情况下，控制柜从所有输沙支管中挑选泥面相对较高的几条输沙支管开启电动阀门排沙；如果排沙库内水量充足，需要加大排沙流量，可人工干预管道电动阀门开启数量，控制柜将依次开启合适的输沙支管电动阀门进行泄洪排沙，最大效率地将栏沙库中的泥沙输送到水库下游；当超声波测深仪监测到泥面高程达到管底高程以上时，向控制柜发送报警信息，泥面高程达到管口底高程时，立即控制电动阀门开启进行排沙，泥面降到管口以下时，自动关闭电动阀门；

本发明与现有技术相比其显著优点在于：本发明是为预防水库淤积而设计的防淤排沙方法，当在水库施工时，将大坝施工围堰和导流洞进水口向上游迁移，以便大坝施工期做导流使用；在水库运行期，将大坝施工围堰变为栏沙库坝，导流洞作为排沙底孔，从而达到预防水库内泥沙淤积的积极效果，并保证水库持续稳定地发挥效益。如采用本发明的设计方法，将施工围堰上移到水库库尾变动回水区，只是增加了一段排沙管的费用，仅为水库建设费用的百分之一，但可提高水库的运行效益10～20％，并随着水库运行时间的延长，其防淤所产生的效益将越来越大。

附图说明

图1为输沙支管管口段设备布置示意图。

图2为排沙管道布置平面示意图。

图3为防淤管道布置剖面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提出的一种水库防淤布设方法，它包括如下具体实施步骤：

步骤一，利用水库建设期间的上游围堰和导流洞作为水库运行期间进行泥沙输送的设施。这是基于水库有发电、灌溉、防洪等功能而提出的设计，可使水库的水位在一定范围内变化，如汛期要求水库水位在防汛限制水位以下，非汛期水库水位可以上升到正常蓄水位；把从大坝前缘至防汛限制水位水面线的回水末端，称为常年回水区，当水库蓄水位为正常水位，上游来水为五年一遇时，其回水末端为水库的终点，也即水库的长度；把从常年回水区末端至水库终点，称为变动回水区，变动回水区汛后是水库，汛期是河道；针对水库建设期间，一般都需要建设上游围堰、导流洞、导流明渠等水工建筑物，大坝建成后，需要封堵导流洞的特点，这时利用上游围堰作为水库运行期间的栏沙坝，利用导流洞作为排沙洞，向大坝下游输送水库运行期间的上游泥沙，即可避免水库淤积。

步骤二，在大坝上游选址建设栏沙库围堰，使河流来沙在栏沙库内淤积。在设计常年回水区内选址建设围堰或栏沙库时，要针对水流速度减缓是淤积泥沙的关键障碍的特点，以便在建设围堰时可就地取材，在围堰上游现地挖出栏沙库，具体实施例为：

设河道入库流量为300m³/s，栏沙库平均河宽为300m，平均水深10m，水温为10℃，入库泥沙为均匀沙，悬浮在水中泥沙中值粒径d₅₀＝0.05mm，在河底推移的泥沙中值粒径d₅₀＝0.5mm，则可根据具体步骤选取合适的栏沙坝建设位置：

1、泥沙沉降速度：

当水温为10℃时，水的密度ρ＝1000kg/m³，容重γ＝9800N/m³，运动粘性系数υ＝1.306×10^-6m²/s，泥沙的容重γs＝25980N/m³；泥沙的沉降速度由下式计算：

${\mathrm{\ω}}_0=\sqrt{{\left(13.95\frac{\mathrm{\ν}}{d}\right)}^2+1.09\frac{{\mathrm{\γ}}_s-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}}\mathrm{gd}}-13.95\frac{\mathrm{\ν}}{d}$

得出泥沙沉降速度为0.0012m/s，沉到10米深库底需要8333秒，在该时间内流进栏沙库的水量为8333×300＝2499900m³，栏沙库的长度为2499900÷300÷10＝833m。

2、泥沙推移速度：

栏沙库过水断面面积：A＝Bh＝300×10＝3000m²，

实际平均流速： $U=\frac{Q}{A}=\frac{300}{3000}=0.10m/s,$

沙莫夫公式计算粒径0.5mm泥沙起动流速U_c：

$U_c=1.14\sqrt{\frac{{\mathrm{\γ}}_s-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}}\mathrm{gd}}{\left(\frac{h}{d}\right)}^{\frac{1}{6}}=1.14\×\sqrt{1.65\×9.8\×0.5\×{10}^{-3}}\×{\left(\frac{5}{0.5\×{10}^{-3}}\right)}^{\frac{1}{6}}=0.48m/s;$

一般情况下，止动流速为起动流速的1/1.2，因此，粒径0.5mm泥沙的止动流速为0.4m/s，而实际流速U只有0.1m/s，小于止动流速0.4m/s，所以推移泥沙到了栏沙库后会立即停止向下游运动。

步骤三，在输沙主管上设置多根输沙支管，每根输沙支管上设置超声波测深仪和电动阀门，实时测量泥面高程，轮流开启电动阀门进行清淤排沙。具体实施要求是：输沙主管由大坝下游经导流隧洞或排沙底孔向上游布设直达栏沙库，栏沙库内输沙主管上设置多根输沙支管，每根输沙支管管口处安装超声波测深仪，监测泥沙在输沙支管口处的淤积高度，离输沙支管口上安装电动阀门，根据输沙管口处泥面高程，轮流开启电动阀门进行清淤排沙。

1、输沙主管的规格及要求

管道排沙时需要考虑浑水在输沙管道中输送不致淤积的浓度，泥沙在运动过程中是否淤积与泥沙粒径、泥沙容重、含沙量、水流速度、输沙管径等因素有关，设计正确才能保证整个系统的正常运行。若设计管径偏大，造成经济上的浪费；若管道中的流速偏小，就会导致泥沙沉积，如果所选管径过小，不能保证正常的输水流量和排沙量。设计上下游水位差为20m，管材为无缝钢管，浑水体积比为35％，泥沙中值粒径0.05mm为限制条件，分析管道长度与管径的关系。

在管道输沙系统中，为了防止输沙过程中因管道出现泥沙沉积而造成淤堵，采用了临界不淤流速的概念，经验公式为：

$V_c=0.2799{S_V}^{0.1847}{\mathrm{\ω}}^{0.5}4\sqrt{\mathrm{gD}\frac{{\mathrm{\ρ}}_S-\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ρ}}}---\left(1\right)$

(1)式中：V_c为临界不淤流速，m/s；g为重力加速度；S_v为含沙量(体积比)，％；D为管径，mm；ω为泥沙自由沉降速度，m/s；ρ_s为泥沙密度，取2.65g/cm³；ρ为水的密度，取1.0g/cm³；

浑水在管道中输送主要表现为沿程水头损失I_m，常用的计算公式为：

$I_m=\frac{{\mathrm{\λ}}_m{V}^2}{2\mathrm{gD}}\frac{r_m}{r}---\left(2\right)$

(2)式中：I_m单位长度沿程水头损失，m/m；λ_m为浑水阻力系数，与管径、粗糙度和浑水粘性有关；V为管道平均流速，m/s；D为圆管直径，m；r_m为浑水容重，g/cm³，取1.25；r为清水容重，g/cm³，取1.0。

假设不同的管径，计算浑水输送距离、管道流量和输沙率参见表1：

表1：管道参数与输沙效率关系表

从上表可知，在上下游水头确定的情况下，管径越小，阻力越大，输移距离越短。根据上下游水头差、输送距离和排沙流量确定管道参数。

2、输沙支管的规格及要求

输沙支管管口需要一定的流速才能将泥沙吸起，由于输沙支管较多，输沙支管上安装电动阀门，受控启闭。令主管流速为V，主管面积为A，支管流速为Vi，支管面积为Ai，根据水量平衡原理，Vi∑Ai＝VA，假设支管的流速是主管流速的5倍，同时开启的输沙支管面积之和为输沙主管面积的五分之一。

步骤四，控制柜通过电缆与超声波测深仪和电动阀门连接，该控制柜实时采集超声波测深仪监测的各输沙支管口泥面高程，选择泥面相对较高的输沙支管，自动开启电动阀门排沙；同时接受操作指令实现实时排沙。根据运行需要，具体可设置三种排沙方式：

1、自动排沙，如果排沙库内水量较多，在设定的临界水位以上时，选择泥面相对较高的几根输沙支管，自动打开阀门进行排沙，提高排沙效率。

2、指令排沙，如果排沙库内水量较少，不能开启多根输沙支管，管理人员可操作控制柜指令开启电动阀门，接受管理指令实现随时排沙。

3、应急排沙，不管是自动排沙还是指令排沙方式，当管口泥面达到管底高度以上，为防止泥沙堵塞管道，立即控制该输沙支管上电动阀门开启排沙。

现以图1、图2和图3来表达本发明的具体施工工程装置，更进一步清楚地说明本发明提出的一种水库防淤布设方法的实施例。

图1为输沙支管管口段设备布置示意图，即在输沙支管管口段安装了电动阀门(6)和超声波测深仪(7)，由控制柜(8)采集超声波测深仪(7)的数据，获得输沙支管管口泥面高程，通过比较所有输沙支管管口的泥面高程，控制打开泥面高程最高的输沙支管段上的电动阀门(6)进行排沙。

图2为排沙管道布置平面图，将水库施工时需要建设的上游围堰上移到水库变动回水段，水库运行时作为拦沙库，使上游来水中的泥沙在拦沙库内沉积，并通过排沙管输送到水库下游。

图3为防淤管道布置剖面示意图。具体是：在河道中建设水库大坝(3)时，需要建设下游围堰(1)、上游围堰(2)和导流隧洞(4)，将上游围堰(2)的建设位置上移，在库尾形成栏沙库(9)；导流隧洞(4)延伸到栏沙库(9)内，在其上焊接多根输沙支管(5)，输沙支管(5)上安装电动阀门(6)和超声波测深仪(7)，控制柜(8)通过电缆(10)与电动阀门(6)连接，提供开启阀门的电力，控制柜(8)通过电缆(10)与超声波测深仪(7)连接，以采集超声波测深仪的泥面高程测量数据；控制柜(8)通过电缆(10)与水位计(11)相连，实时测量水库的水位，根据设定的控制方式，进行自动运行或人工干预指令运行方式及时清除栏沙库(9)内的泥沙，防止泥沙推移到水库。

本发明的具体实施方式中凡未涉到的说明属于本技术领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。

本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。

Claims (5)

1.一种水库防淤布设方法，其特征在于它包括如下具体步骤：

步骤一，利用水库建设期间的上游围堰和导流洞作为水库运行期间进行泥沙输送的设施；

步骤二，在大坝上游选址建设栏沙库围堰，使河流来沙在栏沙库内淤积；

步骤三，在输沙主管上设置多根输沙支管，每根输沙支管上设置超声波测深仪和电动阀门，实时测量泥面高程，轮流开启电动阀门进行清淤排沙；

步骤四，控制柜通过电缆分别与超声波测深仪和电动阀门连接，该控制柜实时采集超声波测深仪监测的各输沙支管口泥面高程，选择泥面相对较高的输沙支管，自动开启电动阀门排沙；同时接受操作指令实现实时排沙。

2.根据权利要求1所述的一种水库防淤布设方法，其特征在于步骤二所述栏沙库围堰的规格是根据现场泥沙沉降速度和泥沙推移速度的特性来确定。

3.根据权利要求1所述的一种水库防淤布设方法，其特征在于步骤三所述输沙主管的尺寸是根据上下游水头差、输送距离和排沙流量来确定，每根输沙支管的直径为上级输沙管直径的三分之一。

4.根据权利要求1所述的一种水库防淤布设方法，其特征在于步骤三所述超声波测深仪带预警控制输出信号，可控制启闭本管段上的电动阀门。

5.根据权利要求1所述的一种水库防淤布设方法，其特征在于步骤四所述控制柜为PLC智能控制柜，用于监测超声波测深仪，最优化调度控制启闭所有电动阀门。