CN112681218A - 一种水电站引水渠正反向冲刷清淤方法及引水渠结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水电站引水渠正反向冲刷清淤方法及引水渠结构，该方法包括：步骤S10、确定引水渠中的淤积泥沙的级配；步骤S20、根据所述淤积泥沙的级配曲线确定所述淤积泥沙的代表粒径及对应的起动流速；步骤S30、根据曼宁公式，确定通过水流冲刷来清除所述淤积泥沙所需的起动流量；步骤S40、根据所述起动流量与所述引水渠的泄流能力曲线，确定所述引水渠闸门的目标开度；步骤S50、按照所述目标开度，先打开所述引水渠渠首的引水闸门进行正向冲刷，然后打开所述引水渠渠尾的发电引水洞闸门进行反向冲刷。基于本发明的技术方案，采用水力正反向冲刷清淤，用较小的代价清除大量的淤积泥沙，降低了水电站因泥沙淤积造成的发电损失与清淤成本。

Description

一种水电站引水渠正反向冲刷清淤方法及引水渠结构

技术领域

本发明涉及水电站清淤技术领域，特别地涉及一种水电站引水渠正反向冲刷清淤方法及引水渠结构。

背景技术

在水电站领域中，库容较小的水电站一般采用侧向引水的方式进行发电，河道中的水流通过引水渠进入水电站引水洞，然后过机发电。因此，引水渠是水电站的一个重要结构，其过流能力是影响水电站发电效率的关键环节之一。库容较小的水电站难以通过水库沉淀泥沙来减少进入发电系统的含沙量，大量泥沙容易随水流进入引水渠，造成引水渠淤积，从而降低引水渠的过流能力，进而导致发电引水流量不足；引水渠淤积对发电效益影响较大，是中小型水电站运行中关注的问题之一。

目前，淤积在引水渠中的泥沙一般采用机械清淤等方式清除，但这种清淤方式费时费力，且成本高昂。当汛期河流来沙较大时，库容较小的水电站一般要采取停机等方式应对沙峰，避免短期内大量泥沙过机造成发电机叶片快速磨蚀；但此时也为采用水力冲刷前期淤积在引水渠中的泥沙提供了可能，因此，需要一种基于水力冲刷的清淤方法。

发明内容

针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种水电站引水渠正反向冲刷清淤方法及引水渠结构，提出了采用水力正反向冲刷来清除发电站引水渠淤积泥沙的技术手段，用较小的代价清除大量的淤积泥沙，降低了水电站因为泥沙淤积造成发电损失以及清淤维护成本。

本发明提出的一种水电站引水渠正反向冲刷清淤方法，包括以下步骤：

步骤S10、确定引水渠中的淤积泥沙的级配；

步骤S20、根据所述淤积泥沙的级配曲线确定所述淤积泥沙的代表粒径，确定所述代表粒径对应的通过水流冲刷来清除所述淤积泥沙所需的起动流速；

步骤S30、根据曼宁公式，通过所述起动流速确定水深，并以此确定通过水流冲刷来清除所述淤积泥沙所需的起动流量；

步骤S40、根据所述起动流量与所述引水渠的泄流能力曲线，确定所述引水渠闸门的目标开度；

步骤S50、按照所述目标开度，先打开所述引水渠渠首的引水闸门以引入水流进行正向冲刷，然后打开所述引水渠渠尾的发电引水洞闸门以引入水流进行反向冲刷。

在一个实施方式中，步骤S10中，通过震动筛进行筛分或采用激光粒度仪进行测量来确定所述淤积泥沙的级配。通过本实施方式，

在一个实施方式中，步骤S20中，所述起动流速通过以下公式确定：

其中，U_c为起动流速，ρ_s为泥沙密度，ρ为清水密度，g为重力加速度，d为泥沙粒径，h为水深。

在一个实施方式中，以所述淤积泥沙的级配曲线上的d₉₀对应的泥沙粒径作为代表粒径。通过本实施方式，

在一个实施方式中，步骤S30中，所述起动流量通过以下公式确定：

Q＝(nJ^-0.5)^1.5BU_c ^2.5；

其中，Q为起动流量，n为糙率系数，J为引水渠渠底坡度，B为引水渠宽度。

在一个实施方式中，步骤S50包括：

步骤S51、正向冲刷；完全打开所述引水渠的排沙闸门、按照所述目标开度打开所述引水渠渠首的引水闸门、关闭所述引水渠渠尾的发电引水洞闸门，水流由渠首进入所述引水渠中并将靠近渠首一侧的所述淤积泥沙冲刷至所述排沙闸门后排出；

步骤S53、反向冲刷；完全打开所述引水闸门、按照所述目标开度打开所述发电引水洞闸门，水流由发电引水洞进入所述引水渠中并将远离渠首一侧的所述淤积泥沙冲刷至所述排沙闸门与所述引水闸门后排出。

在一个实施方式中，步骤S53之前，还包括：

步骤S52、当所述引水渠渠首外部的水位下降且由渠首进入所述引水渠中的水流的流量小于所述起动流量时，关闭所述引水闸门，并在所述引水渠渠首外部的水位低于引水口下沿的高程之前保持所述引水闸门的关闭。

通过本实施方式，在水流量不足以冲刷淤积泥沙并还可能带入新的泥沙时，关闭引水渠渠首的引水闸门并暂停从水库中引水，防止新的泥沙进入引水渠。

本发明提出的一种引水渠结构，其利用上述的方法进行清淤，所述引水渠的渠首设置引水闸门、渠尾连接发电引水洞并设置发电引水洞闸门、中部位置设置排沙闸门。

在一个实施方式中，所述引水渠中的中部位置部沿其长度方向设置有导墙，所述导墙将所述引水渠分为工作流道与排沙流道，所述工作流道延伸至连接所述发电引水洞，所述排沙流道连接沉沙池；

其中，所述排沙闸门设置于所述排沙流道靠近所述引水渠渠首的流道口处，所述工作流道靠近所述引水渠渠首的流道口处设置有工作闸门。

在一个实施方式中，所述沉沙池为漏斗形且其底部设置有排沙底孔，所述排沙底孔通过排沙廊道连接坝下游河道。通过本实施方式，沉沙设置为漏斗形便于泥沙向排沙底孔的流动排放。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明提供的一种水电站引水渠正反向冲刷清淤方法及引水渠结构，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：

本发明的一种水电站引水渠正反向冲刷清淤方法及引水渠结构，提出了采用水力正反向冲刷来清除发电站引水渠淤积泥沙的技术手段，用较小的代价清除大量的淤积泥沙，降低了水电站因为泥沙淤积造成发电损失以及清淤维护成本。同时，本发明根据引水渠的各项性能与淤积泥沙的级配，结合依据水力学及河流动力学基本原理，准确的计算出采用水力清除引水渠淤积泥沙所需的流量，进而可以针对性的控制冲刷的水流量，保证了采用水力冲刷的清淤效果。本发明为保障提高水电站发点效率、增加发电效益提供了技术支撑，具有广泛的应用前景，经济效益潜力巨大。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了按照本发明的清淤方法进行引水渠正向冲刷清淤的示意图；

图2显示了按照本发明的清淤方法进行引水渠反向冲刷清淤的示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

附图标记：

10-引水渠，101-引水闸门，102-发电引水洞闸门，103-排沙闸门，104-工作闸门，11-排沙流道，12-工作流道，13-导墙，20-沉沙池，21-排沙底孔，30-排沙廊道，40-坝下游河道，50-水库。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种水电站引水渠正反向冲刷清淤方法，包括以下步骤：

步骤S10、通过震动筛筛分或激光粒度仪测量，确定引水渠10中的淤积泥沙的级配；

具体地，通过水流来冲刷淤积泥沙，首先就必须确定淤积泥沙的级配，即淤积泥沙中不同粒径的泥沙颗粒的分配情况。级配的确定，可以通过选用一定目数的震动筛对淤积泥沙进行筛分，也可以通过采用激光粒度仪直接测量。

步骤S20、根据淤积泥沙的级配曲线，以级配曲线上的d90对应的泥沙粒径作为代表粒径，确定代表粒径对应的通过水流冲刷来清除淤积泥沙所需的起动流速，起动流速通过以下公式确定：

其中，U_c为起动流速，ρ_s为泥沙密度，ρ为清水密度，g为重力加速度，d为泥沙粒径，h为水深。

具体地，以淤积泥沙的级配曲线上d₉₀对应的泥沙粒径作为代表粒径，计算该代表粒径对应的起动流速，确保90％以上泥沙颗粒能够被水流冲刷进行清除。上述公式中的变量d在计算时，即带入代表粒径对应的泥沙粒径进行计算，式中各变量均采用国际标准单位。

步骤S30、根据曼宁公式，通过起动流速确定水深，并以此确定通过水流冲刷来清除淤积泥沙所需的起动流量，起动流量通过以下公式确定：

Q＝(nJ^-0.5)^1.5BU_c ^2.5；

其中，Q为起动流量，n为糙率系数，J为引水渠渠底坡度，B为引水渠宽度。

具体地，流量计算公式为：Q＝ωV，式中，ω为过水断面面积，V为液体流速。根据曼宁公式，

式中，R为水力半径；以水流的平均水深代替水力半径R并带入至曼宁公式，得到

反解出ω，并带入至流量计算公式，得到计算式：

将上面计算式中的液体流速V替换为本发明的起动流速U_c，即得到前述的起动流量的计算公式。

步骤S40、根据起动流量与引水渠10的泄流能力曲线，确定引水渠10闸门的目标开度；

具体地，根据计算得到的起动流量，查询设计引水渠10的闸门的泄流能力曲线，确定引水渠10闸门的目标开度。引水渠10闸门按照目标开度打开时，引入的水流的流量即匹配起动流量。

步骤S50：

步骤S51、正向冲刷；完全打开引水渠10的排沙闸门103、按照目标开度打开引水渠10渠首的引水闸门101、关闭引水渠10渠尾的发电引水洞闸门102，水流由渠首进入引水渠10中并将靠近渠首一侧的淤积泥沙冲刷至排沙闸门103后排出；

具体地，步骤S51对应附图图1所示的引水渠10的正向冲刷过程。正向冲刷过程中，水流由引水渠10渠首外侧的水库50经引水闸门101进入引水渠10中，此时引水渠10渠首的引水闸门101打开的程度对应目标开度，渠尾的发电引水洞闸门102关闭。水流进入引水渠10后，对引水渠10中的靠近渠首一侧的淤积泥沙进行冲刷，淤积泥沙被水流冲刷并携带至排沙闸门103，最后排沙闸门103排出。

步骤S52、当引水渠10渠首外部的水位下降且由渠首进入引水渠10中的水流的流量小于起动流量时，关闭引水闸门101，并在引水渠10渠首外部的水位低于引水口下沿的高程之前保持引水闸门101的关闭；

具体地，在从水库50中引水进行正向冲淤过程中，由于冲刷用水以及水库50正常排放，水库50中的水位会下降，当水库50的水位下降至进入引水渠10中的水流的流量小于起动流量时，此时的水流量不仅不足以冲刷淤积泥沙，并且还可能带入新的泥沙，所以此时需要关闭引水渠10渠首的引水闸门101并暂停从水库50中引水，直至水库50中的水位低于引水渠10引水口下沿的高程。

步骤S53、反向冲刷；完全打开引水闸门101、按照目标开度打开发电引水洞闸门102，水流由发电引水洞进入引水渠10中并将远离渠首一侧的淤积泥沙冲刷至排沙闸门103与引水闸门101后排出；

具体地，步骤S53对应附图图2所示的引水渠10的反向冲刷过程。在水库50中的水位低于引水渠10引水口下沿的高程后，再次打开引水闸门101，此时引水闸门101完全打开，同时按照目标开度打开引水渠10渠尾的发电引水洞闸门102。从发电引水洞中引入水流进入引水渠10，水流将远离渠首一侧的淤积泥沙冲刷至排沙闸门103与引水闸门101后排出。反向冲刷过程中，淤积泥沙有两条排出路径，一是经排沙闸门103排出，二是经引水闸门101由引水渠10的渠首排至水库50中。

经过步骤S51至步骤S53的正反向冲刷后，引水渠10全程的淤积泥沙基本可以冲刷干净。

进一步地，在经反向冲刷后，发电引水洞中的水流完全释放，水库50开始蓄水，水库50中的水位逐渐上升。如果引水渠10中仍有部分泥沙未冲刷干净，可以打开并控制引水渠10渠首的引水闸门101的开度，时其开度大于目标开度，这样进入引水渠10的流量会大于冲沙需要的起动流量，加大冲刷力度并继续冲刷剩余的淤积泥沙，直到达到既定的冲刷效果。

在引水渠10中的淤积泥沙冲刷完毕后，关闭排沙闸门103，调整引水渠10渠首与渠尾闸门至正常开度，进入正常引水发电过程。

本发明还提供了一种引水渠结构，其利用上述的方法进行清淤，该引水渠10的渠首设置引水闸门101、渠尾连接发电引水洞并设置发电引水洞闸门102、中部位置设置排沙闸门103。

具体地，如附图图1所示，引水渠10的渠首连通水库50、渠尾连接发电引水洞，水流由水库50进入引水渠10并最终进入发电引水洞进行发电。

在一个实施例中，引水渠10中的中部位置部沿其长度方向设置有导墙13，导墙13将引水渠10分为工作流道12与排沙流道11，工作流道12延伸至连接发电引水洞，排沙流道11连接沉沙池20；

其中，排沙闸门103设置于排沙流道11靠近引水渠10渠首的流道口处，工作流道12靠近引水渠10渠首的流道口处设置有工作闸门104。

具体地，如附图图1所示，引水渠10中位于导墙13处具有两个并列的流道，分别为为工作流道12与排沙流道11，工作流道12用于水流进入渠尾的发电引水洞进行发电，排沙流道11用于冲刷清淤时的排沙。排沙流道11连通沉沙池20，沉沙池20对引水渠10中冲刷出来的泥沙进行集中收集排放。

其中，在正常发电过程中，排沙闸门103保持关闭状态，工作闸门104保持打开状态；在冲刷清淤过程中，排沙闸门103保持打开闭状态，工作闸门104在正向冲刷过程中保持关闭状态、在反向冲刷过程中保持打开状态。

在一个实施例中，沉沙池20为漏斗形且其底部设置有排沙底孔21，排沙底孔21通过排沙廊道30连接坝下游河道40。

具体地，如附图图1所示，沉沙池20底部具有用于集中排沙的排沙底孔21，泥沙通过排沙底孔21进入排沙廊道30，并最终排放至坝下游河道40。沉沙池20设置为漏斗形便于泥沙向排沙底孔21的流动排放。

本发明基于发电引水洞与引水渠之间存在的高差，充分利用水流的能量，在电站停机期间采用河道书库中的水流和发电引水洞中的水流从双方向冲刷引水渠中淤积的泥沙，达到降低清淤成本，定期清除引水渠淤积，增加引水渠过流能力，减少进入发电系统含沙量、延缓水轮机叶片磨蚀等目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种水电站引水渠正反向冲刷清淤方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S10、确定引水渠中的淤积泥沙的级配；

步骤S20、根据所述淤积泥沙的级配曲线确定所述淤积泥沙的代表粒径，确定所述代表粒径对应的通过水流冲刷来清除所述淤积泥沙所需的起动流速；

步骤S30、根据曼宁公式，通过所述起动流速确定水深，并以此确定通过水流冲刷来清除所述淤积泥沙所需的起动流量；

步骤S40、根据所述起动流量与所述引水渠的泄流能力曲线，确定所述引水渠闸门的目标开度；

步骤S50、按照所述目标开度，先打开所述引水渠渠首的引水闸门以引入水流进行正向冲刷，然后打开所述引水渠渠尾的发电引水洞闸门以引入水流进行反向冲刷。

2.根据权利要求1所述的水电站引水渠正反向冲刷清淤方法，其特征在于，步骤S10中，通过震动筛进行筛分或采用激光粒度仪进行测量来确定所述淤积泥沙的级配。

3.根据权利要求1所述的水电站引水渠正反向冲刷清淤方法，其特征在于，步骤S20中，所述起动流速通过以下公式确定：

其中，U_c为起动流速，ρ_s为泥沙密度，ρ为清水密度，g为重力加速度，d为泥沙粒径，h为水深。

4.根据权利要求1或3所述的水电站引水渠正反向冲刷清淤方法，其特征在于，以所述淤积泥沙的级配曲线上的d₉₀对应的泥沙粒径作为代表粒径。

5.根据权利要求1所述的水电站引水渠正反向冲刷清淤方法，其特征在于，步骤S30中，所述起动流量通过以下公式确定：

Q＝(nJ^-0.5)^1.5BU_c ^2.5；

其中，Q为起动流量，n为糙率系数，J为引水渠渠底坡度，B为引水渠宽度。

6.根据权利要求1所述的水电站引水渠正反向冲刷清淤方法，其特征在于，步骤S50包括：

步骤S51、正向冲刷；完全打开所述引水渠的排沙闸门、按照所述目标开度打开所述引水渠渠首的引水闸门、关闭所述引水渠渠尾的发电引水洞闸门，水流由渠首进入所述引水渠中并将靠近渠首一侧的所述淤积泥沙冲刷至所述排沙闸门后排出；

步骤S53、反向冲刷；完全打开所述引水闸门、按照所述目标开度打开所述发电引水洞闸门，水流由发电引水洞进入所述引水渠中并将远离渠首一侧的所述淤积泥沙冲刷至所述排沙闸门与所述引水闸门后排出。

7.根据权利要求6所述的水电站引水渠正反向冲刷清淤方法，其特征在于，步骤S53之前，还包括：

步骤S52、当所述引水渠渠首外部的水位下降且由渠首进入所述引水渠中的水流的流量小于所述起动流量时，关闭所述引水闸门，并在所述引水渠渠首外部的水位低于引水口下沿的高程之前保持所述引水闸门的关闭。

8.一种利用权利要求1至7任一项所述的方法进行清淤的引水渠结构，其特征在于，所述引水渠的渠首设置引水闸门、渠尾连接发电引水洞并设置发电引水洞闸门、中部位置设置排沙闸门。

9.根据权利要求8所述的引水渠结构，其特征在于，所述引水渠中的中部位置部沿其长度方向设置有导墙，所述导墙将所述引水渠分为工作流道与排沙流道，所述工作流道延伸至连接所述发电引水洞，所述排沙流道连接沉沙池；

其中，所述排沙闸门设置于所述排沙流道靠近所述引水渠渠首的流道口处，所述工作流道靠近所述引水渠渠首的流道口处设置有工作闸门。

10.根据权利要求9所述的引水渠结构，其特征在于，所述沉沙池为漏斗形且其底部设置有排沙底孔，所述排沙底孔通过排沙廊道连接坝下游河道。

Images