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水利工程论文-漏斗式全沙排沙工程试验研究及其应用.doc

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水利工程论文-漏斗式全沙排沙工程试验研究及其应用.doc

水利工程论文漏斗式全沙排沙工程试验研究及其应用摘要漏斗式全沙排沙设施是一种排沙耗水量小,截沙率高的泥沙处理技术,并已在工程实际应用中取得了良好的效果。本文通过其清、浑水流场特性分析表明,漏斗室内部水流特性有利于水沙分离和泥沙的排除。关键词漏斗式螺旋流模型试验原型观测1漏斗式全沙排沙技术漏斗式全沙排沙设施作为一种高效、节水、经济的泥沙处理技术,已成功用于灌溉、发电、工业及人畜引水等诸多领域的泥沙处理,取得了良好的经济效益和社会效益,已建或待建部分工程见表1。表1部分已建和正建工程列表LISTOFSOMESANDFUNNELPROJECTS序号工程名称引水渠流量M3/S漏斗室直径M备注1新疆迪那河引水干渠排沙漏斗工程25201988年建成2新疆托克逊县青年渠排沙漏斗工程6121992年建成3新疆八一钢铁公司引水暗渠排沙漏斗工程1791996年建成4新疆昌吉县蔬菜基地引水渠排沙漏斗工程0551996年建成5新疆和静县解放二渠排沙漏斗工程135141996年建成6新疆霍城县胜利渠排沙漏斗工程003241996年建成7新疆玛纳斯县塔西河二级电站排沙漏斗工程4091996年建成8新疆阿克陶县吾依他克电站排沙漏斗工程146261997年建成9新疆奇台县达板河引水干渠排沙漏斗工程12121997年建成11新疆头屯河干渠改造排沙漏斗工程10121988年建成12新疆玛纳斯县红山嘴电厂引水渠排沙漏斗工程60301998年建成13湖南洞庭湖挖泥船排出口泥浆脱水排沙漏斗工程0283691998年建成14新疆巴音沟河引水干渠排沙漏斗工程4514正在修建15新疆金沟河引水干渠排沙漏斗工程3014正在修建16新疆玛纳斯河团结电站排沙漏斗工程49正在修建17四川省伊乌湖电站排沙漏斗工程715正在修建注除表列工程项目外,已签约拟建工程项目8项含沙水流沿切线方向进入漏斗室,由于漏斗室边壁的约束以及悬板等调流装置的影响,为三维立轴型螺旋流,在实际运行中水、沙、气掺混流动,其流场非常复杂,目前通过模型试验、原型观测以及数值计算相结合等方法基本探明了其水流特性1~2。2试验研究21试验模型试验模型结构尺寸为漏斗室直径150CM;排沙底孔直径55CM;漏斗底坡1/10;进水涵洞断面为矩形;悬板长度包含中心角180,顶部溢流,下部设置调流墩。试验布置了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ等八个测试断面。模型结构及测试断面布置如图1所示。22漏斗室水流特性清水流场测试结果表明,漏斗室水流为三维螺旋流,由切向、径向和轴向三个方向的流速耦合而成,三方向流速在漏斗水流运动中分别起着不同作用切向流速维持漏斗螺旋流的环流强度;方向向下的轴向流速有利于泥沙的沉降,促使水沙分离;径向流速促使泥沙向排沙底孔输移。23泥沙对漏斗室流场的影响分析清、浑水流场资料得知,无论是清水流场还是浑水流场,切向流速沿径向的分布规律和径向流速沿轴向的分布规律基本上是一致的3。泥沙对漏斗室流场的影响主要体现在切向流速沿轴向分布规律和径向流速沿径向的分布规律上。图1漏斗式全沙排沙设施示意图SKETCHOFTHESANDFUNNELSTRUCTURE1进水涵洞2漏斗室3引水渠4悬板5漏斗底孔6调流墩7排沙道图2~5绘出了清、浑水情况下,切向流速沿轴向和径向流速沿径向的分布规律。如图2和图3所示,泥沙对于切向流速在轴向的分布影响是明显的,特别在内区,浑水情况下切向流速在轴向分布更为均匀。随半径的增大,在漏斗室外区,清、浑水的流速分布规律则趋于一致。图2Ⅱ断面切向流速沿轴向分布TANGENTIALVELOCITYDISTRIBUTIONINVERTICALINSECTIONⅡ图3Ⅳ断面切向流速沿轴向分布TANGENTIALVELOCITYDISTRIBUTIONINVERTICALINSECTIONⅣ图4Ⅱ断面水深2CM径向流速沿径向分布RADIALVELOCITYDISTRIBUTIONALONGRADIALDIRECTIONINSECTIONⅡWATERDEPTH2CM图5Ⅱ断面水深14CM径向流速沿径向分布RADIALVELOCITYDISTRIBUTIONALONGRADIALDIRECTIONINSECTIONⅡWATERDEPTH14CM如图4及图5所示,泥沙对于径向流速沿径向分布的影响较大,并且主要表现在漏斗室的底部,即泥沙对于径向流速在径向的影响只限于漏斗室底部某一水深范围内,该范围的大小与断面位置以及泥沙粒径有关,有待进一步深入研究。由上述清、浑水流场对比分析可见,泥沙对漏斗室流场的影响集中体现在漏斗室内区和漏斗室底部,也就是说,漏斗室内区水流和底部水流受泥沙影响显著,或者说漏斗室内区和底部水流泥沙含量大,说明漏斗螺旋流确实具有使泥沙沉积并且向漏斗底孔输移的水流特性,因此排沙漏斗在处理水流泥沙上取得了很好的效果,也进一步证实前面关于清水流场特性的分析是正确的。24截沙率作者对于不同粒径的泥沙在单级流量下进行了截沙率的模型试验,结果表明,泥沙粒径越大其截沙率越高,即粗颗粒泥沙便于处理,对于粒径D>1MM的泥沙,漏斗式全沙排沙设施能100的排除。而对于较细的泥沙,在实验室内,对不同粒径的泥沙采用一定的加沙量在漏斗式全沙排沙设施上游渠道进行人工投沙,将漏斗底孔的水流导入一厢形沉沙池进行人工收沙,将其与上游投沙的总重量相比即得漏斗式全沙排沙设施的截沙率。试验结果如表2,表中资料表明,对于粒径大于0125MM的泥沙的截沙率大于80,完全能够满足实际工程应用。表2不同粒径泥沙情况下的截沙率TESTDATAOFSANDINTERCEPTIONRATEFORDIFFERENTGRAINSIZE泥沙直径MM0300~02000200~01500150~01250125~01050105~00930093~00740074截沙率874788978075731560044859266825排沙耗水率模型试验测试得出的漏斗排沙耗水率平均为3。3工程应用31工程概况红山嘴水力发电厂位于新疆玛纳斯河中游出山口红山嘴区域河段的东岸,是典型的无调节、径流式梯级引水式电站,目前由四座电站组成,二级电站总装机容量43200KW,设计年发电量4800万KWH,引水渠长113KM,设计引水流量56M3/S。由于玛纳斯河是一条多泥沙河流,红山嘴电厂又座落于沙量最大,泥沙运动最活跃的出山口中游多少河段上,泥沙危害是几十年来长期困扰水电厂引水与发电生产的最大顽症,由于渠道泥沙淤积,渠道输水能力降低,达不到设计引水能力,同时,大量泥沙进入压力前池,给机组造成磨损,致使机组发电效率降低,且每年投入大量的经费进行机组维修。为了解决泥沙淤积、磨损问题,在二级引水渠0900处修建了漏斗式全沙排沙工程。排沙工程主要设计数据为漏斗室直径为30M;进水涵洞高18M,宽56M;漏斗室底坡为1/10;底孔直径为15M等不同五种;悬板长度包含中心角为180,下设调流墩;漏斗室最大进流量约为引水渠总流量的60。表3红山嘴水力发电厂二级电站引水渠泥沙颗粒组成SANDGRANULOMETRICCOMPOSITIONOFAPPROACHCHANNEL颗粒组成粒径MM占泥沙比例累计占泥沙比例极细泥沙0002~001012101210细沙0010~025023903600中沙0100~025039407540粗沙0250~1000246010032原型观测1998年6月至9月,新疆石河子红山嘴水力发电厂委托石河子水文水资源勘测大队对红山嘴水力发电厂漏斗式全沙排沙工程进行原型观测,并要求对排沙工程进行水文评价。321原型观测水文评价内容1测定漏斗式全沙排沙工程在不同流量下的耗水量及耗水率;2分别测定漏斗式全沙排沙工程在不同时段不同来沙来水情况下的截沙率,尤其是对010~025MM和025~100MM粒径泥沙的截沙率。332原型观测结果关于排沙耗水量以及截沙率的原型观测数据分别见表4和表5。表4漏斗式全沙排沙工程排沙耗水率WATERCONSUMPTIONOFTHESANDFUNNELPROJECT观测时间漏斗下游引水渠流量排沙明渠流量漏斗上游引水渠流量排沙耗水率漏斗底孔直径1998年M3/SM3/SM3/SM7月6日55916457528515010日52816054429415017日61016162625715020日54715056226715024日58616360227115027日60115861725615031日5751515902561508月3日5531615692831507日63717565526715010日62716664425815014日6451826632761509月3日5951656122701503日6201686372641504日5731745902951505日5631825813131506日56717158429315023日313055319172060平均571159587271表5漏斗式全沙排沙工程不同粒径泥沙截沙率SANDINTERCEPTIONRATEOFTHESANDFUNNELPROJECT观测时间1998年观测位置断面输沙率KG/S不同粒径泥少截沙率010~025MM025~050MM050~100MM第一组引水渠上游断面9345069309540100008月7日引水渠下游断面47830第二组引水渠上游断面6933072209580100008月10日引水渠下游断面32140第三组引水渠上游断面7111078109670100008月14日引水渠下游断面25920第四组引水渠上游断面1136079509690100009月3日引水渠下游断面3870第五组引水渠上游断面822872009580100009月3日引水渠下游断面3830

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