DL T 5107-1999（条文说明） 水电水利工程沉沙池设计规范.pdf

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1、p DL 中华人民共和国电力行业标准DL/T 5107 -1999 水电水利工程沉沙池设计规范条文说明主编单位：国家电力公司成都勘测设计研究院批准部门：中华人民共和国国家经济贸易委员会T 咆jJ去t供“DL/T 5107-1999 目次3 总则.,. 41 5 设计资料.42 6 沉沙池的设置条件及泥沙沉降设计标准.44 7 位置及类型选择.46 8 布置.47 9 主要尺寸确定.50 10 结构设计.54 11 运行设计.55 12 泥沙原型观测设计.56 40 3总则3.0. 1 我国已在水电水利工程沉沙池建筑物的设计、运行与科学研究中积累了成功经验，但是由于长期元统一的设计标准，影响了沉

2、沙池的设计与运用效果。为保证设计质量、充分发挥工程效益，必须统一技术要求，特制定本规范。3.0.2 水电水利工程设计和运行表明，沉沙池的功能、效益、效率与工程的其它建筑物和设备有关。水电站设置沉沙池的目的是减轻过机泥沙对水轮机的磨损危害。设置沉沙池虽然在一定程度上可减轻泥沙对水轮机的磨损，但带来投资和发电效益的变化，因此，是否设置沉沙池或设置何种标准的沉沙池，应进行技术经济比较。3.0.3 沉沙池作为枢纽的一个组成部分，其运行应与整个枢纽的运行协调一致，以保证枢纽供水与沉沙池冲、排沙用水。3.0.4 沉沙池为水电水利工程水工建筑物的一部分，除自身特点由本规范规定外，与其它水工建筑物具有共性的部

3、分，应按有关规范的规定执行。41 5设计资料s. 1基本资料s. 1. 1 收集悬移质泥沙颗粒级配资料时，同时了解颗粒级配分析方法，以便选用相应的沉速公式计算泥沙颗粒沉速。水力冲洗式沉沙池冲排沙道出口处河流水位流量关系是冲洗设计中确定冲沙水头的基本资料；沉沙池外边墙天然河道水面线资料主要用于沉沙池外水压力和底板浮托力计算。s. 1.2 收集相关专业资料，目的是研究沉沙池的设置标准，确定沉沙池的规模，评估其效益。沉沙池引渠、输水道设计正常水位是确定沉沙池设计水位的依据。沉沙池设计过池流量是确定沉抄池规模的主要依据。为使引渠和输水道不产生淤积，有必要收集引渠和输水道挟沙力分析成果。水轮机、水泵过流

4、部件耐磨性能、抗磨措施等资料，用于分析降低沉沙池设计沉降粒径标准的可能性；水轮机大修间隔用于比较设置沉沙池后对减轻水轮机磨损的作用。5.2 入池含沙量及颗粒级配5.2. 1 时段平均入池含沙量实际上是按时段输沙量与时段入池水量之比计算。考虑偏安全，计算中忽略了水库沉沙与取水口底坎的挡抄作用。s.2.2 人池设计泥沙特征值包括含沙量和悬移质颗粒级配。巳建沉沙池均使用河流泥沙特征值作为人池设计值，实际上年平均或汛期平均河流含沙量与引水含沙量差别较大，因此规定使用入池泥沙特征值作为设计值较使用河流泥沙特征值作为设计值更合理。42 至于选用何种时段平均或实测值作为入池设计泥沙特征值，已建沉沙池设计中，

5、一般根据河流输沙特性、枢纽布置特点、沉沙池类型、供水重要程度、沉沙池工程量、效益等进行综合分析论证确定。如海子摸一级水电站沉沙池的设置，因仅在汛期使用，故选用多年汛期平均悬移质颗粒级配作为确定沉沙池主要尺寸的设计值。排沙廊道输沙能力的复核，原考虑选用历年最大H平匀含沙量54.7kg/m3，但其出现机会较少，为减少排沙流量最后选用35. Okg/m3作为复核值。沉沙池投入运行二十多年来，粒径大于等于O.25mm实测沉降率与设计值吻合，也未出现过廊道堵塞现象。西藏羊卓雍湖抽水蓄能电站设置定期冲洗式沉沙池，为保证沉沙效果和冲沙可靠，设计中采用粒径组成偏细的多年汛期平均悬移质颗粒级配作为确定沉沙池主要

6、尺寸的依据，选用粒径组成偏粗的实测悬移质级配作为沉沙池冲洗设施和排沙建筑物的设计依据。43 6 沉沙池的设置条件及泥沙沉降设计标准6. 1 水电站沉沙池的设置条件及泥沙沉降设计标准6. 1. 1 设置沉沙池的初步判别条件，是根据我国巳投入运行的水轮机磨损及检修资料，综合考虑泥沙特性、我国现有水轮机水力特性及耐磨材料的水平、沉沙池的投资及效益，加以类比分析，并考虑下列条件制订的。1)在能可靠运行的前提下，水轮机大修间隔取值为：水斗式水轮机年（换喷针头及喷嘴口hH，二三150m的？昆流式水轮机大于等于二年；H,150m的混流式水轮机大于等于三年。2）莫氏硬度大于等于5的硬矿物泥沙含量约占50%。3

7、）主要过流部件材料的耐磨性能，不低于ZGOCr13Ni4MO(HB二三280）不锈钢。6. 1.2 泥沙对水轮机磨损危害表现为：水轮机运行效率下降、出力减小和年发电量相应减少；大修间隔缩短，检修费用增加；影响机组运行的灵活性和可靠性。减轻泥沙对水轮机磨损危害的主要措施有：采用耐磨材料或耐磨护面层，提高磨损部位的耐磨水平；采取工程措施，如设置沉沙池、沉砾池或利用水库沉抄等，以减少过机含沙量及过机粗沙；改善水轮机的水力和结构性能，降低关键磨损部位的流速，保持水流平顺流态；提高水轮机设计制造质量；保持良好的运行工况。是否设置沉沙池及设置何种沉降粒径标准的沉沙池，要考虑电站在系统中的作用、泥沙特性、水

8、轮机的耐磨水平、电站运行检修的要求及大修间隔、沉沙池的投资、年运行费及效益等因素，进行技术经济比较后确定。6. 1. 3 各额定水头段沉沙池的设计最小沉降粒径标准，是考虑到44 经济合理性及实际需要推荐的。水电站沉沙池的设计沉降粒径，经过技术经济比较，可以等于或大于表6.1. 3中的粒径，不宜小于该粒径。6.2 水利工程沉沙池的设置条件及泥沙沉降设计标准6. 2. 1 根据调查，自流灌概沉抄池的出池设计含沙量，除与粒径有关外，主要取决于排灌渠系允许挟沙力。不同地区出池设计含沙量差别较大，如黄河中游灌区汛期出池设计含抄量为lZkg/m气黄问下游灌区，由于渠道纵坡缓(1/50001/1000的，出

9、池设计含沙量为Zkg/m34kg/m3（个别为lkg/m斗，出池允许粒径是根据目前黄河中、下游水利工程沉沙池设计出池泥沙粒径不大于0. 04mm O. 05mm而确定的。大于等于允许粒径的沉降率为80%85%。6. 2. 2 提水灌溉的灌区沉沙池沉降设计标准是根据水泵磨蚀要求提出的。黄河以高含沙量闻名于世，其含沙量具有上、下游变化大的特点。根据黄河上、中、下游单级离心水泵扬程lOm108m的主要泵站调查（三角城，景台川，夹马口，东雷二级，南乌牛二级，小樊、二级，龙行二级，尊村，大禹渡一、二级和风陵渡），汛期平均含沙量为O.5kg/m3 6lkg/m3, d5o = O. 032mm O. 04

10、mm, d95地O.lmm，基本反映了我国多沙河流的提水工程过泵泥沙特征，根据水泵大修保证期2500h，经分析给出判别图6.2.2olOm 以下扬程的泵站多采用轴流泵，如山西尊村引黄渠首一级泵站将轴流泵的下导轴承改用全封闭，外加清水润滑，磨损就不严重。45 7 位置及类型选择1.0. 1 一般情况下，沉抄池位置距离首部枢纽进水口近一些，可节省前引渠工程量，减少水头损失，方便运行管理。1.0.2 定期冲洗式沉沙池较连续冲洗式沉抄池具有运行可靠、结构简单、便于施工等优点，所以地形开阔的地方应优先考虑使用。连续冲洗式沉沙池占地面积小，适合在地形狭窄的地方采用，若具备足够的冲沙水头和流量，加之合理设计

11、和运用，仍然可以满足运行要求。7.0.3 对于山区和丘陵区水利工程沉沙池，由于单室定期冲洗式沉沙池冲洗时一般要停止供水，而大、中型水利工程不允许停止运行，故不宜选用单室定期冲洗式沉抄池。平原地区地形开阔适合条渠型沉沙池布置。1.0.4本规范未含机械清淤有关规定，可参照其它规程选用清淤机械。46 8布置8. I 水电站沉沙池及水利工程定期冲洗沉沙池布置8. . 1 沉沙池的布置受到地形、地质、冲沙水头等条件的限制，一般布置于沿坷的一、二级阶地有的甚至布置于地下，沉、沙池轴线l:j前引渠轴线往往不重合，水流进入沉沙池出现转折，水流横向分布不均匀影响沉沙池沉？少效果。本节仅就改善人池水流条件作出一般

12、规定。8. 1.2 设置上游连战段的主要目的是使入池水沙在横向分布均匀最大限度减少泥沙在该段沉降拦截污物以免淤堵进抄孔，控制人池水量。t游连接段（亦称行进段）内主要建筑物的设置，已建电站一般通过水力学模型试验确定，以保证水流均匀扩散，不形成涡流区。由于水流自由扩散角甚小（约为10。12。），为缩短沉沙池上游连接段的长度，有必要采取相应的工程措施。在沉沙池i：游连接段内设置谧流堪进行整流，虽然是较经济的办法，但损失了水头。在已建水电站中一般采用整流栅整流故/f推荐溢流堪整流的理式。在上游连接段内设置整流栅整流后，据已建电站统计，单侧扩散角可达1225。，两侧扩散角之和达24。3了。如：渔子模一级

13、，I（！.侧扩散角242904；南中亚问二级单侧扩散角23。5019.46”；渔子溪二级两侧扩散角之和322050. 8”；映秀湾电站，两侧扩散角之和243734飞沉沙池进口闸后设置整流栅（亦称静水栅或分水隔栅），其目的是使进入工作段的水流能均匀地分配于整个过水断面，以保证沉沙池的沉沙放果。沉沙池上游连接段内水流泥沙运动过程十分复杂，因此配水墩、整流栅的设置，目前还难以通过数值计算进行模拟，应通过水力学模理试验确定。如西藏羊卓雍湖抽水蓄能47 电站沉沙池的整流栅，通过四个方案的模型试验后，才得到了比较满意的布置方案。是否在进口闸设置拦污栅应根据入池污物的情况确定。从四川渔子漠、南梗河等水电站沉

14、沙池的运行实践看，污物进入工作段常常堵塞进沙孔或堵塞整流栅，导致池身断面流速分布不均匀，因此对防污问题应给予足够的重视。8. 1.3 排沙道出口受下游水位顶托时，将影响世流排沙能力。考虑到设计及校核洪水位较高，若以此确定冲洗水头，标准过严，而且在特大洪水时即使暂不进行沉沙池的冲洗也不致造成严重后果，故提出排沙道出口设计水位以不受下游常年洪水位顶托为原则。s.1. 4 水利工程沉沙池工作段末端设置排沙孔，以排泄池末形成的高旅度含沙水流。据禹门口整体模型试验，每室末端设直径。.3m的排沙管3个，排沙流量O.5m3 /s，每隔2.5h排放一次，每次排放时间o.恼，排放水流含抄量平均达600kg/m3

15、o s.1. s 连续冲洗式沉沙池的支廊道和主廊道是冲排沙的主要建筑物，为充分利用全部水流落差，常把沉沙池分成多段进行分段沉降和分段冲洗，各段可以利用的水位差均为沉沙池水位与排沙道出口处的水位差。四川南梗河三级电站及渔子模一级、二级电站的沉沙池工作段均分别设置了三段支、主廊道系统进行分段沉降和分段冲洗。由于粗颗粒泥沙前段沉降多，细颗粒泥沙在后段沉降，一般前段支廊道长度短于后段支廊道长度，以达到对各段支廊道进行冲沙总水头校核时，保持大约相同的安全程度。连续冲洗式沉沙池排沙系统要比定期冲洗式复杂得多。本规范推荐的冲沙廊道（包括支廊道、主廊道和进沙孔等）的布置、水力计算方法和结构型式等，是在总结四川

16、渔子模一级、二级和南梗河三级等水电站沉抄池设计经验的基础上提出的，并已经受了多年运行实践的考验。图4,1. 2-1中底廊道系统采用分段布置且前段短于后段，其原因是前段的落淤量大于后段，且以粗沙为主。连续冲洗式沉沙池冲排抄廊道）旦淤塞，可使用设置的事故48 冲沙闸冲沙，因此，事故冲沙闸是连续冲洗式沉沙池的一种备用冲沙设施。s. 1.6 设置旁侧溢流堪，目的在于宣泄因进水口闸门操作不当或机组丢负荷时进入沉沙池的多余水量，在确定泄流量后，按堪流公式确定堪顶高程。堪顶高程一般比运行水位高5cm。s.1. 1 沉沙池下游连接段采用逐渐收缩的型式，以便出池水流能顺畅进入下游输水道。下游为明渠时，收缩角按水

17、流收缩角确定；下游为有压输水道时，有压引水道进口顶部淹没水深由淹没条件确定。8. 1.8 定期冲洗式沉沙池运行过程中，沉沙、冲洗交替进行在工作段进口及其末端设置闸门以控制沉沙及冲洗。8.2 水利工程条渠沉沙池布置8.2. 1 湖泊型沉沙池在占地面积、渗漏损失、浸没影响、沉淤管理等方面存在较多问题，很少采用；条带形沉沙池由于进口突然扩大，沉沙效果较差，也较少采用；梭形沉抄池布置较合腿，行效果较好，采用较多。在条渠容积受到地形条件限制时，可以人工或机械开挖以开挖的士方筑成渠堤而形成条渠；运行若干年达到淤积高程后，邻渠另挖新的条渠，并以开挖的耕植土覆盖淤积面还耕，依此进钉称以挖待沉，如山东潘庄沉沙池

18、。引黄济青渠首沉沙池，初期为自流沉沙，后期为扬水沉沙，既延长了沉沙池的使用年限，又1.iJ少占耕地08.2.2 采取防、截、排渗措施的目的是防止条渠外围地区发生次生盐渍化。49 9 主要尺寸确定9. I一般规定9. I. I 9. 1.2 沉抄池设计中不同水深、宽度、长度的组合，均i1J得到满足设计要求的沉降率，因此，沉沙池主要尺寸的确定应拟定多种方案进行技术经济比较。9.2 进口工作深度计算9.2. 1 水力冲洗式沉沙池水深不宜过大，以免因池底高程过低，致使冲排沙不畅。沉抄池的工作深度应尽可能选得小一些，以降低造价Q前苏联规范建议在通常情况下可选择4m5m；国内般为3mSm,个别15m18m

19、（天生桥二级）。9.2.2 实践证明，条渠沉沙池水深控制在2.Om 3. 5m的淤地效果较好。9.3 工作宽度计算9.3. 1 9.3.2 实测资料表明，水力冲洗式沉沙池宽探比过大，池内水流三度性明显，池底泥沙淤积易形成滩槽，沉抄效果明显降低，因此沉沙池工作段宽深比不宜大于4.5o 国内已建沉沙池工作段平均流速见表1。在前苏联规范中，工作段平均流速建议如下：1)设计最小沉降泥沙粒径在O.25mm O. 40mm之间的沉沙地，其平均流速可以在O.25m/s O. 50m/s范围内选择；2）设计最小沉降泥沙粒径为O.70mm时，平均流速的上限呵提高到O.70m/s O. 80m/s; 3）平均流速

20、的选取与入池悬移质颗粒级配有关，当水流中较粗颗粒的泥沙占优势时，可以选取较大的平均流速。50 表1已建沉沙池工作段平均流速、工作深度表工程名称设计最小沉降粒径沉沙池平均流速工作深度m口1mis 口1浪子溪一级电站0.25 0.387 8.0 炮子溪二级电站0.25 0.387 s. l 南撞河三级电站0.25 0.34 6. 2 映秀湾电站0.25 。.35 JO. 0 F市湖电站。JOo. 05 7 8 天生桥二级电站o. 40 o. 675 0.810 1.5 18 清水河电站0.25 o. 2 o. 3 5. 2 槟掷江电站0.25 0.25 苏帕？可电站0.20 o. 287 o. 1

21、62 安顺关脚水电站o.zs 0.52 9.4 工作长度计算9. 4.1 9.4.2 附录B推荐的计算公式和方法，通过大量水槽试验资料和原型观测资料验证，符合较好，但还存在以下问题。水电站、泵站沉沙池的池长短、水深大、流速小，水流挟沙力可以忽略不计。但条渠沉沙池淤积后形成新的河床，主流沟的水流挟沙力不能忽略。目前对水流挟沙力的研究还不够成熟，特别是分组水流挟沙力，因此采用了简化计算方法。这一问题有待今后继续研究、完善。为留有余地，采用池长较计算池长增加20%。9.5纵向底坡9.5. 1 式（9.5. 1)为均匀流流速公式，由于池底泥沙淤积，床面糙率较大，各工程糙率系数取值不同，一般为o.022

22、5 Q.02750 沉沙池工作段底坡一般取0.010.05，排沙道底坡应大于沉沙池工作段底坡，以确保冲排沙效果，其底坡也应同时满足式51 (9. 5. 1）的要求。9.6 水力冲洗式沉沙池的冲洗计算9.6. 1 9.6.3 定期冲洗式沉沙池淤积容积与冲洗周期成正比。淤积容积选得小一些，可减少沉沙池工程量，但冲洗周期短，对发电或供水可能造成不利影响；冲洗周期长一些，有利于发电和供水，但沉沙池淤积容积相应增大，增加了工程量。因此应根据工程的具体情况，进行技术经济比较，确定合适的冲洗周期和淤积容积尺寸。9.6.4 水利工程定期冲洗沉沙池冲洗计算的目的是为确定冲洗流量和池室冲洗总历时，以求合理地确定引

23、渠设计流量和沉沙池布置。在多室定期冲洗式沉沙池中，当某室刚刚停止沉沙运行，池内部分泥抄尚未充分密实，及时关闭进口闸门并开启冲沙闸门，池内水位从静水位降落泄空，池末淤沙和高浓度水体随着排出，此过程称泄空冲洗。泄空冲洗的特点是时间短，排出含沙量大。当水位降落接近淤沙面时，出池含沙量最大。根据原型观测和模型试验，泄空冲洗出池含沙量为200kg/m3500kg/m3，见表2o表2沉沙池泄空冲洗排沙含沙量表沉沙池观测泄空平均单宽流量出池平均含沙量出池最大含沙量淤沙粒径名称方式m3/ (s m) kg/m3 kg/m3 m盯l大禹渡原型o. 33 500 900 0.09 o. 18 大禹渡原型0.33

24、400 800 0.09 o. 18 阳武河原型0.27 200 400 0.05 0.40 禹门口模型o. 16 280 670 d坦o.06 禹门口模型o. 16 275 600 d句0.06禹门门模型o. 16 250 700 d0.06 一禹门口模型o. 16 284 873 d句o.06 溯源冲洗紧随泄空冲洗进行。冲洗开始时，水面有很大跌落，52 沿洲面从下游至上游的水面线存在明显的坡折点，坡折点下游坡陡流急，发生强烈冲刷，使坡折点位置不断向上游发展。以冲沙前池底为基点，从下游向上游冲刷发展为特征，使洲面不断降低，直到前后坡度趋于一致时，则标志着由下而上的溯源冲洗阶段进入由上而下的沿

25、程冲洗阶段。S3 10结构设计10. O. I 不同类型的沉沙池，其水工建筑物的型式亦有所不同。对于各类建筑物的一般设计规定（包括水力设计、结构设计、渠堤设计、防渗排水设计和地基设计等） JIL按现行有关规范执行，本规也不再重复写入。沉沙池的布置受地质、地形、冲沙水头等条件的限制，一般布置于沿河的）、二级阶地，因此应特别重视沉沙池底板抗浮稳定的验算。10.0.3 当沉沙池布置在山脚时，应重视边墙外侧的排水设计，防止山洪或泥石流出现时危及边墙的安全。54 11运行设计11. o. 1 沉沙池作为引水枢纽的一个组成部分，其运行原则必须与枢纽运行协调一致。在进行沉沙池各方案技术经济比较时，设计应根据

26、河流泥沙情况及枢纽布置，选定不同的泥沙设计值及拟定不同方案沉沙池进行比较，其运用条件是不能忽略的因素，故选定方案时必须明确运用条件。11. o. 2 11. o. 4 不同河流泥沙特性、输沙量年际和年内分配不同，设计在充分掌握各方面资料的前提下，根据泥沙设计值及沉沙池冲洗方式，提出冲洗的控制条件，以指导沉沙池的实际运行。定期冲洗式沉沙池包括冲洗时机、冲洗方式及底孔排沙运行方式。连续冲洗式沉沙池若不连续开启排沙，落淤的泥沙将堵塞排沙廊道及进沙孔。11. o. 5 条渠沉抄池采用分期淤高，轮换沉淤的方式，可保证条渠的安全运用，并可提高条渠的利用率。高水高淤，就是在汛期高水位时将河水引到枯（低）水位

27、时不能沉沙的条渠，使之淤得更高；低水低淤，就是在枯水季节，将河水引到新（低）条渠沉沙。55 12 泥沙原型观测设计12. 0.1 为指导水电水利工程沉沙池的合理运行，并为研究泥沙运动规律、水轮机或水泵磨损与泥沙的关系积累资料，本条规定应将沉沙池原型观测列入设计内容。12.0.2 沉沙池泥沙原型观测工作量大，精度要求高，为减少观测工作量，不同类型的泥沙池应根据运行需要确定是否开展原型观测。12.0.3 定期冲洗式沉沙池设计冲洗周期是按特定入池含沙量，颗粒级配和人池流量，根据淤积容积尺寸确定的。沉沙池投入运行后，实际入池含沙量和颗粒级配随时间变化，为掌握冲沙时机和冲沙历时，应在运行中进行监测。12

28、.0.7 水电站（泵站）各台水轮机（水泵）磨损程度往往存在差别，一方面可能是由于水轮机（水泵）型号、加工工艺或材质缺陷不同造成，另一方面可能是进入各机组（水泵含沙量和颗粒级配不同所致，为研究分析磨损与泥沙的关系，有必要取得各机组过机（泵）含沙量和颗粒级配的资料。12.0.s 排抄廊道出口取单样含沙量计算输沙率并作颗粒级配分析，目的在于检验人池、出池沙量是否平衡及排沙廊道输沙能力。12.0.9 词流悬移质泥抄测验规范属国家标准，为保证测验精度，沉沙池工作段及引渠悬移质测验必须执行该规范规定的方法和技术要求，对过机泥沙取样方法有待进一步研究。56 。AEa时i。同mH、同。书号：155083.160 定价：Y巳10.00