CN106087848B - 一种树杈结构的多级管道自动排沙装置 - Google Patents

一种树杈结构的多级管道自动排沙装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种树杈结构的多级管道自动排沙装置，属于水利工程运行管理领域，该排沙装置包括多个进沙首部，由主输沙管道和若干组多级分支管道组成的树杈结构多级管道，以及出口阀；其中，主输沙管道沿水流方向布设在水库坝前区域的河床上，各组多级分支管道的汇流口端与主输沙管道相连、末端与若干进沙首部相连，主输沙管道下游端通过出口阀穿过大坝底部；所述树杈结构多级管道满足各个进沙首部经过树杈结构多级管道汇流至出口阀的总水头损失相等原则，以实现利用水库的上下游落差进行自动排沙；该装置不需要额外的动力，节省能源，经济效益显著，同时安全可靠、操作简单，应用前景广阔。

Description

一种树杈结构的多级管道自动排沙装置
技术领域
本发明属于水利工程的运行管理技术领域，特别涉及一种树杈结构的多级管道自动排沙装置。
背景技术
我国西北部地区严重缺水，水资源的短缺是制约国民经济发展的重要因素。而水资源短缺的大多数河流的含沙量高、泥沙粒径粗，对各种水利工程设施均有不利影响，如黄河三门峡水库因泥沙淤积而未能实现设计功能，西北河流的一些中小水库可能在数年之内淤损失效；引水渠常因泥沙淤积而使耕地沙化，如历史上著名的引水工程“郑国渠”已被淤积泥沙完全掩埋。
长期以来，工程设计、管理和研究单位都致力于水库减淤、清淤措施的研究和探索，最典型的解决装置或方法有以下几种类型：
吸泥排沙装置：在水库水面用浮筒架设管道，头部安装带有搅沙装置的吸泥头吸入浑水，通过管道翻过大坝排出库外。此装置一是需要较大的动力维持吸泥头的运行和克服管道的阻力，二是水面架设管道成本较高，再是坝前水位较低时，翻坝管道真空吸程过大会降低流量，甚至失效。总体来看，因其运行成本较高而大多数设施均难以维持运行。
排沙孔：一些水库在坝体下部设置排沙孔排沙，如三峡水库在主河道的坝身设置了7个排沙孔，在右岸地下电厂设置了3个排沙孔。排沙孔进口一般与大坝迎水面齐平，当泥沙淤积至排沙孔前时开闸排沙，其特点为以排沙孔进口底高程为起点、以大坝迎水面为立面、以水下休止角为边坡的半圆锥形冲刷漏斗。其冲刷范围有限，冲沙初始阶段含沙量很高、其后逐渐降低。排沙孔对保护电站进水口和渠道引水口等有较好的防沙效果，但对大量冲刷排沙、保持有效库容等方面则作用不大。
排沙廊道：将排沙孔的进口用廊道向库内延伸，其延伸方向可垂直于坝面或有一定的偏斜角度，高程可水平延伸或根据地形稍微向上倾斜。在廊道前端设置单一进沙孔或在沿程按一定间距分别设置进沙孔，进沙孔开口向上或在廊道的两个侧面开孔。其应用模式和效果与排沙孔相似。当沿廊道布置多个进沙孔时，其排沙范围增大，但运行过程中远处的进沙孔很容易堵塞失效。
挖泥：近年来，随着挖泥船功率的加大和挖泥机具的改进，挖泥效率超过10万吨/天，在一些航道、港口、堤防等水利清淤工程中得到应用，但其运行维护成本较高，在中小型蓄水水库中还难以采用，而在大型深水水库中的应用也受到挖泥能力、输送成本、堆放场地等方面的限制。
淤沙资源化利用：在黄河的中下游河道中，抽取淤积泥沙加高河堤，向低洼滩地泄放高含沙水流淤地等，实现了河道淤沙简单的资源化利用。而水库中的淤积泥沙资源化利用还缺少综合性、系统性的措施。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提供一种树杈结构的多级管道自动排沙装置，本发明装置利用水库水位与大坝下游水位的水头差实现无动力的自动排沙、节省能源、运行成本低廉，排出的淤积泥沙实现资源化利用，可有效降低水库的排沙成本，保持多沙河流水库的长期应用。
一种树杈结构的多级管道自动排沙装置,其特征在于,该装置包括多个进沙首部，由主输沙管道和若干组多级分支管道组成的树杈结构多级管道，以及出口阀；其中，主输沙管道沿水流方向布设在水库坝前区域的河床上，各组多级分支管道的汇流口端与主输沙管道相连、末端与若干进沙首部相连，主输沙管道下游端通过出口阀穿过大坝底部；所述树杈结构多级管道满足各个进沙首部经过树杈结构多级管道汇流至出口阀的总水头损失相等原则，以实现利用水库的上下游落差进行自动排沙。
本发明的特点及有益效果：
本发明的一种树杈结构的多级管道自动排沙装置，按每个进沙首部BE至出口阀流路中的总水头损失相等的原则设计。在排沙过程中，每个进沙首部BE均能进入等量的水沙流量；利用水库上下游的落差排沙，不需要额外的动力，节省能源。
对于一些大中型水库，淤积在坝区的泥沙一般很细，含有丰富的营养物质。对大型水库，在春季渔汛前将细泥沙排向下水库下游，促进微生物和藻类的生长，为生物链提供初级营养物质，有利于生物链的繁殖和鱼类的生长，有效保护水库下游的生态环境。在汛期，有计划地将坝区淤积的泥沙排向下游，可以减缓下游河道冲刷，避免发生崩岸等灾害，维护堤岸稳定；对中小型水库，可以将淤积泥沙用管道直接输送到荒滩造地，或放入农地以增加肥力。
本发明的一种安全可靠、操作简单、成本低廉、排沙效果显著的树杈结构的多级管道自动排沙装置将具有重要的社会效益和经济价值。
附图说明
图1是本发明实施例一装置的总体布置图；
图2是本发明装置的进沙首部BE的结构示意图；
图3本发明装置实施例一的设计计算简图；
图4是本发明实施例二装置的总体结构示意图。
具体实施方式
本发明提出一种树杈结构的多级管道自动排沙装置，该装置包括：多个进沙首部，由主输沙管道和若干组多级分支管道组成的树杈结构多级管道，以及出口阀；其中，主输沙管道沿水流方向布设在水库坝前区域的河床上，各组多级分支管道的汇流口端与主输沙管道相连、末端与若干进沙首部相连，主输沙管道下游端通过出口阀穿过大坝底部；所述树杈结构多级管道满足各个进沙首部经过树杈结构多级管道汇流至出口阀的总水头损失相等原则，以实现利用水库的上下游落差进行自动排沙。
所述是每组多级分支管道可以相同或者不同，每组多级分支管道由至少一级分支管道构成，各组多级分支管道的第一级分支管道与主输沙管道相连，为使水流平顺，其汇流口端一般设计为圆弧形；继续增加分支管道，发展成第二级分支管道、第三级分支管道、…第n级分支管道(n为正整数)；分支管道越多，与其末端相连的进沙首部越多，经由各组多级分支管道到与主输沙管道汇流口端汇合的水流泥沙越多。
本发明装置的核心为只需满足各个进沙首部BE经过树杈结构多级管道汇流至出口阀Valve的总水头损失相等即可，与进沙首部BE的多少、组合方式、以及在水库中所处的位置均无关。
以下将结合附图及实施例对本发明的一种树杈结构的多级管道自动排沙装置进行详细说明。后文中约定按水流的流动方向分上下游，面向下游分左右岸。
实施例一：在水库坝前区域的河床(图中UB为水库上游河床、DB为水库下游河床，WL为水面)上布设本装置，总体布置如图1，本实施例装置整体为对称设置的树杈型结构，图中只示意画出了本装置的右半侧结构，左半侧结构掩埋在淤积沙面DS以下。
本实施例装置主要构件包括多个相同的进沙首部BE，由主输沙管道L0和多级分支管道A、B、C、D组成的树杈结构多级管道，以及出口阀Valve；其中，主输沙管道L0沿水流方向布设在水库坝前区域的河床上，多级分支管道A、B、C、D各有两个，且分别对称设置在主输沙管道L0两侧，多级分支管道A、B、C、D的汇流口端与主输沙管道L0相连，多级分支管道A、B、C、D的末端与若干个进沙首部BE相连，主输沙管道L0下游端通过出口阀Valve穿过大坝底部；水流泥沙从各进沙首部BE进入、经过各组多级分支管道汇流至主输沙管道L0内、利用水库的上下游落差最终从出口阀Valve排出。
所述主输沙管道L0为沿水流方向逐渐加粗的圆形管道或是上部矩形、下部梯形的复合断面管道，垂直于水库大坝轴线建造，长度根据工程需要而定，大致为100～1000m的数量级；多级分支管道则采用圆形截面。
本实施例的多级分支管道A仅含有第一级分支管道L1A，该多级分支管道的汇流口端A0与主输沙管道L0相交、末端与1个进沙首部BE相连，故汇流口端A0汇合了从2个进沙首部BE进入的水流泥沙；多级分支管道B由第一级分支管道L1B和2个相同的第二级分支管道L2B构成，2个第二级分支管道L2B相交后与第一级分支管道L1B相连，该多级分支管道的汇流口端A1与主输沙管道L0相连、末端连接2个进沙首部BE(即两个第二级分支管道L2B的末端分别连接1个进沙首部BE)，2个多级分支管道B末端共连接4个进沙首部BE，故汇流口端A1汇合了6个进沙首部BE的水流泥沙；多级分支管道C由第一级分支管道L1C、2个相同的第二级分支管道L2C和4个相同的第三级分支管道L3C构成，4个第三级分支管道L3C均分为两组、每组的2个第三级分支管道L3C相交后与对应的一个第二级分支管道L2C相连，2个第二级分支管道L2C相交后与第一级分支管道L1C相连，该多级分支管道的汇流口端A2与主输沙管道L0相连、末端连接4个进沙首部BE(即4个第三级分支管道L3C的末端分别连接1个进沙首部BE)，2个多级分支管道C末端共有8个进沙首部BE，故汇流口端A2共汇合了14个进沙首部BE的水流泥沙；多级分支管道D由第一级分支管道L1D、2个相同的第二级分支管道L2D、4个相同的第三级分支管道L3D和8个相同的第四级分支管道L4D构成，8个第四级分支管道L4D均分为四组，4个第三级分支管道L3D均分为两组，每组的2个第四级分支管道L4D相交后与对应的一个第三级分支管道L3D相连，每组的2个第三级分支管道L3D相交后与对应的一个第二级分支管道L2D相连，2个第二级分支管道L2D相交后与第一级分支管道L1D相连，该多级分支管道的汇流口端A3与主输沙管道L0相连、末端连接8个进沙首部BE(即8个第四级分支管道L4D的末端分别连接1个进沙首部BE)，2个多级分支管道D末端共有16个进沙首部BE，故汇流口端A3共汇合了30个进沙首部BE的水流泥沙。
本实施例中每个进沙首部BE至任一汇流口端的水头损失相等，则各个进沙首部BE经过树杈结构多级管道汇流至出口阀Valve的总水头损失相等，从每个进沙首部BE进入的水流泥沙流量相同，满足整体排沙的要求。
图2为本实施例中进沙首部BE的结构示意图，包括进沙孔、防沙板4以及将防沙板4固定于进沙孔上方的竖杆5；其中，进沙孔为两端开敞的薄壁壳型结构，由喇叭口1、喉道2和90度弯头3依次拼接构成，喇叭口1的大口端垂直向上，竖杆5支撑于大口端的侧壁上，90度弯头3转向水平后与第一级分支管道L1A(本排沙装置的各个进沙首部均相同，图中仅示意了与多级分支管道A末端相连的进沙首部BE)连接；防沙板4为一圆形薄板，与喇叭口1同心设置，防沙板4用于防止在本排沙装置关闭时因泥沙淤积而堵塞喇叭口1和喉道2。设竖杆的高度(即喇叭口1的上平面与防沙板4的下平面之间的高度)为h，防沙板4的半径与喇叭口1的大口端半径之差为L，防沙角度为α(tanα＝h/L)，同时防沙角度α应小于淤积泥沙的水下休止角(一般大于30°)。
所述出口阀Valve位于大坝底部，高程为下游平均水位。出口阀平时关闭，当进沙孔上部淤积一定厚度的泥沙后开启出口阀排沙，调节出口流量，满足树杈结构多级管道内设计流速的要求；选择适宜的排沙时机，最好利用大流量的弃水排沙。
本实施例中的A、B、C、D四组多级分支管道可以任意组合，还可以设计各种类型，使每个进沙首部BE至各个汇流口端的水头损失相等即可。当只需要清除坝前的淤积泥沙(如电站进水口等)时，采用由多级分支管道D和主输沙管道组成的树杈结构多级管道、相应个数的进沙首部BE以及出口阀即可清除临近大坝的淤积泥沙；如需要重点清除离大坝较远处的淤积泥沙(如北京市白河堡水库的引水口离大坝3公里，需要清除引水口前的淤积泥沙)，可将A3到出口阀的主输沙管道延长至该引水口区域，再布设本装置即可。
本实施例的参数设计：
按照各个进沙首部BE到出口阀Valve的总水头损失相等的原则进行树杈结构多级管道的水力学设计，本实施例装置的计算简图见附图3。
本实施例装置主要用于排出坝区淤积的悬移质泥沙，假定淤积泥沙的最大粒径小于2.0mm，根据沙莫夫公式，天然沙起动流速VD为：
式中：D为泥沙粒径；H为总水头，等于水库上游水位与出口阀中心高程之差；g为重力加速度。取H＝10m，则VD＝0.85m/s；取H＝100m，则VD＝1.25m/s。淤积泥沙不会在管道内形成淤积板结层，可不考虑细颗粒泥沙(D<0.1mm)的粘接力对起动流速的影响。
综合考虑，设计树杈结构多级管道内的最低流速2.0m/s，最大流速则应考虑适当控制水头损失和保持管道稳定及减少磨损，选择在4.0m/s之内比较适中(也有高水头的大型水库采用10m/s以上流速的)，故本算例的树杈结构多级管道内的流速在U＝2.0～4.0m/s之间适当选择。
假设各个进沙首部BE的喉道2的直径d和形状均相同，进入喉道2内的流量Q也相等，则某级管道承接了N个进沙首部BE的流量，该管道内的流速为：
取合适的流速，即可估算该级管道的直径dj。
从进沙首部BE到某级管道汇流口端的节点(A0、A1、A2、A3)的水头损失hf为：
hf＝hC+hL (3)
局部阻力水头损失hC：
沿程阻力水头损失hL：
式中：i为包括从进沙首部BE到某节点的流路中产生局部阻力(如喇叭口1、弯头3、汇流口A0、A1等)的个数，Ui为第i个产生局部阻力处的流速；j为流经管段的编号，Lj为第j段管道的长度，Uj为第j段管道的流速。Km(m＝1、2、3)为局部水头损失的阻力系数，主要有三种类型，进沙首部BE加防沙板4的K1＝1.2，弯头K2＝0.4，汇流口K3＝1.0。λ为沿程水头损失的阻力系数，由于采用的管道直径较大、流速很高，λ值变化不大，可取λ＝0.02。
本实施例计算实例：
进沙首部BE的喉道2内径为100mm；喇叭口1高度为50mm，扩散角为25°，喇叭口上端直径为147mm；竖杆5的高度h＝80mm；圆形防沙板4直径为400mm；防沙角度α＝21.5°，小于淤积泥沙的水下休止角(大于30°)。设计每个进沙首部BE的流量为0.02m3/s，则进沙首部BE喉道2管内的流速为2.55m/s。
根据阻力叠加原理，计算各个汇流口端之间的水头损失，叠加得到从进沙首部BE至该汇流口端的水头损失。列表计算：
表中：U为代表流速，当计算局部水头损失时为Ui、计算沿程水头损失时为Uj。在主输沙管道L0与分支管道(A、B、C、D)的汇流口处(图中的A0～A3)，从主输沙管道L0的上游至该处的总水头损失与汇入的分支管道的总水头损失相等；当本装置的布置形式选定以后，首先选择管道直径，根据流量就可计算局部水头损失，采用式(5)试算得出各段管道的长度，如C分支管道的L1C、L2C和L3C的长度，满足总水头损失相等的要求。
在实际工程的设计中，需要考虑市场能选择的管道直径做适当调整。
按照设计原则，每个进沙首部BE至出口阀Valve的总水头损失相等，图3中画出了多级分支管道A、B、C、D末端任意一个进沙首部共计4个进沙首部BE至出口阀的流路N1～N4，4条流路的总水头损失都是相等的。本算例的总水头损失约为4m。
在本实施例中，设计的主输沙管道L0长85m，即大致向水库内总体延伸85m、坝前最大宽度100m，可在此三角形区域内实现自动排沙。30个进沙首部BE的流量共0.60m3/s，较普通的排沙孔或排沙廊道可以节省大量的水量(如三峡右岸地下电厂的三个排沙廊道的设计排沙流量为360m3/s)。即使本装置的进沙首部BE的喉道2的直径扩大5倍(过水面积扩大25倍)，排沙流量也可控制在15m3/s以内。
在本排沙装置的实际运行中，需要实时检测排沙装置上部的淤沙厚度，择机开启出口阀Valve排沙；监测出口的含沙量，当含沙量较低时，及时关闭出口阀Valve，等待下一次排沙。
本实施例提出了一般的设计原则和运行方式，可以采用不同的组合设计不同规模、不同布置形式的排沙装置。
实施例二：本实施例排沙装置的整体结构如图4所示，与实施例一所述排沙装置的不同点在于本实施例的树杈结构多级管道由等截面的主输沙管道L0和3组相同的多级分支管道E组成，3组多级分支管道E呈品字形排布；每组多级分支管道E由第一级分支管道L1E、7个相同的第二级分支管道L2E、14个相同的第三级分支管道L3E构成，7个第二级分支管道L2E在共同的分支汇流口端A4呈圆形发散布置、且在该分支汇流口端与第一级分支管道L1E相连，14个第三级分支管道L3E均分为7组、每组的2个第三级分支管道L3E相交后与对应的1个第二级分支管道L2E相连，该多级分支管道的汇流口端A5与主输沙管道L0相连、末端连接14个进沙首部BE(即14个第三级分支管道L3E的末端分别连接1个进沙首部BE)，3个多级分支管道E末端共连接42个进沙首部BE，故汇流口端A5汇合了42个进沙首部BE的水流泥沙；本实施例的其他部件与实施例一相同，此处不再赘述。本实施例中每个进沙首部BE从各组多级分支管道E至主输沙管道L0的流路长度相等、各组多级分支管道E对应的各级分支管道直径相同，所以到出口阀Valve的总水头损失相等，从每个进沙首部BE进入的水流泥沙流量相同，实现在总水头作用下大范围自动排沙。
本发明的排沙装置需要在新建水库时同步建造，对中小型水库也可以放空后改建。对大型工程需要进行模型试验论证各种尺寸和几何关系，确定多种类型的阻力系数，保证实现每个进沙首部BE至出口阀Valve的总水头损失相等。

Claims (6)

1.一种树杈结构的多级管道自动排沙装置,其特征在于,该装置包括多个进沙首部，由主输沙管道和若干组多级分支管道组成的树杈结构多级管道，以及出口阀；其中，主输沙管道沿水流方向布设在水库坝前区域的河床上，各组多级分支管道的汇流口端与主输沙管道相连、末端与若干进沙首部相连，主输沙管道下游端通过出口阀穿过大坝底部；所述树杈结构多级管道满足各个进沙首部经过树杈结构多级管道汇流至出口阀的总水头损失相等原则，以实现利用水库的上下游落差进行自动排沙。
2.如权利要求1所述树杈结构的多级管道自动排沙装置,其特征在于,所述的每组多级分支管由至少一级分支管道构成，每组多级分支管道相同或者不同。
3.如权利要求1所述树杈结构的多级管道自动排沙装置,其特征在于,所述的进沙首部包括进沙孔、防沙板以及将防沙板固定于进沙孔上方的竖杆；其中，所述的进沙孔为两端开敞的薄壁壳型结构，由喇叭口、喉道和90度弯头依次拼接构成，喇叭口的大口端垂直向上，竖杆支撑于大口端的侧壁上，90度弯头转向水平后与树杈结构多级管道的末端连接；防沙板为一圆形薄板，与喇叭口同心设置。
4.如权利要求3所述树杈结构的多级管道自动排沙装置,其特征在于,所述进沙首部竖杆的高度为h，防沙板的半径与喇叭口的大口端半径之差为L，防沙角度α满足：tanα＝h/L，同时防沙角度α小于淤积泥沙的水下休止角。
5.如权利要求1所述树杈结构的多级管道自动排沙装置，其特征在于,所述树杈结构多级管道，根据淤积泥沙的颗粒级配计算每级管道内的设计流速；其中，最小流速大于泥沙的起动流速；最大流速由以下条件决定：一是保证各级管道自身的安全，二是减少阻力和节省排沙水量；按通过的流量和设计流速计算每级管道的内径，根据总水头损失相等的原则计算每级管道分配的水头损失，由此决定每级管道的长度。
6.如权利要求5所述树杈结构的多级管道自动排沙装置，其特征在于,所述的出口阀用于控制本排沙装置的开启与关闭，调节排沙流量，当进沙孔上部淤积一定厚度的泥沙以后开启出口阀排沙，调节出口流量，满足树杈结构多级管道内设计流速的要求。
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大库盘水库管道排沙系统试验研究;第22卷第3期;《水资源与水工程学报》;20110630;第22卷(第3期);第1-2节，图1 *
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