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1、5.1 引水防沙的意義 5.2 引水工程選址與布置 5.3 防沙排沙理論與設(shè)計(jì) 5.4 無(wú)壩引水 5.5 有壩引水 5.6 入渠泥沙防治,Ch5 引水工程,Ch5 引水工程,5.1 引水防沙的意義 一、引水工程中的泥沙問(wèn)題 在河流上興建的各種引水工程數(shù)量在不斷增加，引水的用水效率和質(zhì)量受到廣泛重視。如灌溉引水、水電站引水,二、引水防沙工程的發(fā)展,1、引水防沙工程分類 分為三類：無(wú)壩引水防沙工程；有壩引水防沙工程；活壩類引水防沙工程。 無(wú)壩引水防沙工程：分布較廣，如都江堰 有壩引水防沙工程可分為： 低壩沉沙沖槽式引水防沙工程（印度式）； 閘壩式引水防沙工程，用攔河閘代替印度式的溢流低壩。 彎道式

2、引水防沙工程：人為形成彎道環(huán)流，達(dá)到凹岸引水凸岸排沙。 底欄柵式引水防沙工程，攔河壩頂布設(shè)欄柵，防止礫卵石進(jìn)入壩內(nèi)廊道。 分層式引水防沙工程（中亞式）,三、引水防沙問(wèn)題分析步驟,泥沙問(wèn)題分析步驟 1、 野外調(diào)查與資料收集：確定來(lái)沙量；河床演變情況； 2、分析水沙過(guò)程對(duì)引水工程的影響 3、分析引水工程對(duì)當(dāng)?shù)睾蜕舷掠魏恿髋c環(huán)境的影響； 4、估計(jì)需要采取的泥沙處理措施； 5、最佳方案的選擇。,5.2 引水工程選址與布置,一、引水工程選址中的泥沙問(wèn)題 在河流上修建引水工程除了考慮工程本身的因素以外，還應(yīng)考慮到地質(zhì)地貌、河流動(dòng)力學(xué)、水文及環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等因素。引水工程滿足兩個(gè)要求:（1）能夠取到所需要的水量

3、；（2）保持引水口的河床穩(wěn)定或沖淤平衡，同時(shí)盡可能減少泥沙入侵。,考慮的泥沙方面的因素 （1）河流的水文泥沙資料，來(lái)水來(lái)沙過(guò)程，懸移質(zhì)、推移質(zhì)和床沙組成； （2）河床穩(wěn)定性，河型、河道演變歷史及趨勢(shì)。,二、引水工程的選址與泥沙考慮,1、引水工程在河流上的位置 1）選擇彎道的考慮：穩(wěn)定的彎道凹岸一側(cè)是引水工程比較理想的位置。彎道凹岸水深大，流速大，有利于推移質(zhì)的輸移;彎道環(huán)流與縱向水流構(gòu)成螺旋流運(yùn)動(dòng)，含沙量小的水流指向凹岸，含沙量大的指向凸岸。避免布置在彎道的凸岸。 注意如下：力求河勢(shì)穩(wěn)定；避免河岸和河床沖淤變化較大的位置，容易造成取水口的脫溜.有利于防沙、排沙。有利于泥沙的排泄；便于施工和管理

4、。,1、引水工程在河流上的位置 2）、注意調(diào)查地質(zhì)、地形和河床演變情況 地質(zhì)方面考慮基巖埋深較淺，或者為沙礫石或沙基的河段。 河床演變選在河勢(shì)穩(wěn)定，河床沖淤變化不大的河段， 3）、引水建筑物離深泓線不遠(yuǎn)處。 可縮短引水長(zhǎng)度，保證水量防止泥沙的入侵。 4）、有壩與無(wú)壩引水的關(guān)系:無(wú)壩引水的選址要求高于有壩引水。 5）、因勢(shì)利導(dǎo)、不宜強(qiáng)行整治。 6）、水電樞紐上下游的引水口位置。 7）、水輪機(jī)的選擇。,2、泥沙問(wèn)題的考慮 防止推移質(zhì)泥沙和懸移質(zhì)粗顆粒泥沙進(jìn)入引水口。 1） 河型的影響 2）底檻的高度，設(shè)置一定的高度。 3）防沙、排沙清淤措施； 4）估計(jì)河槽的沖淤變化； 5）泥沙估計(jì) 6）引水比與引

5、沙比。,三、側(cè)面引水與正面引水 按照引水頭部與河流來(lái)流的相對(duì)位置將引水形式分為側(cè)面與正面引水。引水頭部與來(lái)流方向大致平行時(shí)為正面引水；引水頭部與來(lái)流方向大致垂直時(shí)為側(cè)面引水。 側(cè)面引水特點(diǎn)：在河岸一側(cè)引水，缺陷：大量泥沙進(jìn)入引渠，引水沖沙相互影響，采區(qū)防沙措施。 正面引水：有正面排沙和側(cè)面排沙。前者的水深和引水比不宜太大。后者的整治工程簡(jiǎn)單，限制少。,四、引水工程泥沙問(wèn)題研究方法： （1）類比分析和調(diào)查 已經(jīng)運(yùn)行成功的引水工程進(jìn)行調(diào)查分析； （2）初步分析估算：對(duì)水流泥沙、河床演變進(jìn)行分析；也可用估算的方法 （3） 河工模型試驗(yàn)：解決引水工程局部河床變化、優(yōu)化防沙方案、河床演變預(yù)測(cè)。 （4）

6、數(shù)學(xué)模型計(jì)算,5.3 防沙排沙理論與設(shè)計(jì),一、引水口水沙運(yùn)動(dòng)特性 合理規(guī)劃引水口，合理布置引水口的防沙設(shè)施，合理設(shè)計(jì)與布置灌溉引水口。 1、引水口前的流速場(chǎng) 1） 理論分析,2）實(shí)測(cè)成果,引水比?。阂谒髑市?，支槽有回流。 引水比大：引水口水流表層曲率小，底層曲率大；支槽有回流，范圍小。,2、引水寬度,3、推移質(zhì)分沙比與分流比的關(guān)系 推移質(zhì)分沙比與分流比的關(guān)系實(shí)驗(yàn)室研究較多。德國(guó)，分沙比隨分流比的增大而增大，分流比達(dá)到50%，幾乎全部推移質(zhì)泥沙進(jìn)入引水口。 4、懸移質(zhì)分沙比與分流比的關(guān)系 關(guān)系復(fù)雜。,1、人工引水彎道 目的：創(chuàng)造良好的彎道環(huán)流，有效引水防沙。 設(shè)計(jì)原則： （1）彎道寬度；

7、 （2）彎道外形； （3）泄洪閘：中心線與彎道中心線呈40-45度 （4）沖沙閘與進(jìn)水閘,二、彎道引水防沙工程設(shè)計(jì),三、導(dǎo)流裝置 奧加德(A.J.Odgaard)方法：利用導(dǎo)流屏在引水口前導(dǎo)流，改善河床水流流態(tài)，使引水口泥沙淤積減緩。 導(dǎo)流屏：制造人工環(huán)流，增加表層引水寬度，減小底層引水寬度。 1、導(dǎo)流屏防沙理論,導(dǎo)流屏防沙理論： 導(dǎo)流屏的設(shè)計(jì)參數(shù)：導(dǎo)流屏高度、長(zhǎng)度、迎水角、淹沒(méi)深度等 導(dǎo)流屏缺點(diǎn)： （1）構(gòu)造復(fù)雜，費(fèi)用高，運(yùn)行管理不便； (2)細(xì)沙運(yùn)用效果不顯著 （3）河床不穩(wěn)定的河道效果不好， （4）在通航河流上不宜采用。,三、導(dǎo)流裝置 2、導(dǎo)沙坎：設(shè)置在引水口前設(shè)置一定高度和長(zhǎng)度的坎，底

8、部水流形成螺旋流將泥沙導(dǎo)離引水口。 （1）水流現(xiàn)象 水流束窄；螺旋流， （2）泥沙運(yùn)動(dòng),（3）導(dǎo)沙坎的影響效果 包括水流流速、坎高、導(dǎo)沙坎與主流的夾角、多道導(dǎo)沙坎的水流形態(tài)、導(dǎo)沙坎幾何尺度。,四 環(huán)流沖沙槽 在壅水淤積情況下，采用束水攻沙原理，在引水口前設(shè)置沖沙槽，用縱向束水墻與溢洪壩分開(kāi)，在引水閘前形成較高流速，沖走槽內(nèi)泥沙。 環(huán)流沖沙槽由沖沙閘、引水口岸邊墻、束水墻和導(dǎo)沙坎等部分組成。,環(huán)流沖沙槽各部分功能 束水墻：滿足在進(jìn)水口前形成穩(wěn)定平順的水流；滿足與上游來(lái)水的漸變銜接；考慮定期沖沙和沉沙時(shí)的容積要求。L=2-3B, 沖沙槽的泄流能力滿足引水流量和最小沖沙流量要求。 沖沙閘的泄流能力與

9、沖沙流量以及穩(wěn)定河槽流量相適應(yīng)。 導(dǎo)沙坎與潛沒(méi)分水墻：導(dǎo)沙坎是設(shè)置在沖沙槽底板上的潛沒(méi)導(dǎo)流矮墻。導(dǎo)沙坎螺旋流的強(qiáng)度與方向隨導(dǎo)沙坎與水流方向的交角而變化，最常用的交角為20-40；導(dǎo)沙坎的高度是當(dāng)?shù)厮畹?/31/10。,五 渦管與截沙槽排沙 渦管與截沙槽排沙是在河床上或臨近河床的某一高度上利用螺旋流排除水流底部推移質(zhì)泥沙的管道或排沙通道。渦管指截面是圓形或弧形，截沙槽截面為方形或梯形。 1933年，R.L. Parshall提出渦管排沙的方法，他們渦管斷面的水流佛氏數(shù)為0.8，渦管與水流的方向夾角為45。 我國(guó)20世紀(jì)60年代在映秀灣水電站等采用截沙槽，當(dāng)截沙槽與主槽的角度為30，排沙效果好。

10、 日本學(xué)者對(duì)急流渠道(Fr=3.46-9.42)的排沙渦管實(shí)驗(yàn)，其排沙率為30%-90%。 螺旋流排沙機(jī)理：水沙的慣性作用與邊界條件相結(jié)合的產(chǎn)物。渦管內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)與河床縱向水流運(yùn)動(dòng)，形成螺旋流。FR=0.8，截沙槽與主流呈45度。,渦管內(nèi)的流速分布 渦管流量與分流比： 渦管排沙； 渦管設(shè)計(jì)：,六 沉沙池 沉沙池按清洗的方法可分為：定期清洗、連續(xù)沖洗、機(jī)械清洗和不沖洗等四類。 1、定期沖洗沉沙池的種類 有單室（單室?guī)?cè)室）和多室兩類，在沉沙池的末端設(shè)有沖沙底孔或沖沙閘。當(dāng)流量大于15m3/s，可采用雙室沉沙池，,定期沖沙沉沙池的結(jié)構(gòu) 沉沙池由進(jìn)口、沉淀室、出口、沖沙設(shè)備及防冰防污設(shè)備等組成。 沉

11、沙池?cái)嗝嬉话銥榫匦?。沉淀室的?shù)目為2-4個(gè)，工作深度為4-5m. 沉沙池的底坡可以是正坡或倒坡，其數(shù)值為0.020.005，沖洗速度不小于2m/s。 粗砂沉在首部，這時(shí)采用倒坡。,連續(xù)沖洗沉沙池的工作方式 水電站的沉沙池。連續(xù)沖洗沉沙池分上下兩部分，上部為沉沙室，沉沙的主體，為明流；下部為沖沙廊道，為壓力流，整個(gè)沉沙池有多條支廊道和總廊道。 連續(xù)沖洗沉沙池可做成單室單廊道或單室多廊道，根據(jù)工程規(guī)模和操作要求而定。,沉沙池底部沿縱向設(shè)縫隙形式的沖沙口，圖5-39。,水電站斜板沉沙池 一般沉沙池水深大，沉降距離長(zhǎng)，沉降時(shí)間長(zhǎng)。淺水的沉降距離和時(shí)間短，提出多層淺水新型沉沙池，即在一個(gè)大沉沙池中，沿深

12、度方向設(shè)多層板，板距很小，各層水流的水深小，紊動(dòng)低，泥沙沉降效率高，為便于淤泥下滑，將板斜置，構(gòu)成斜板沉沙池。,斜板沉沙池的形式水流與斜板的關(guān)系 上向流：水流自斜板下方向上流經(jīng)斜板。也稱逆向流。 下向流：水流自斜板上方向下流經(jīng)斜板，也稱同向流。 側(cè)向流：水流從水平流經(jīng)斜板。 水電站的斜板沉沙池宜采用側(cè)向流斜板沉淀。,斜板沉沙池的尺寸通過(guò)模型試驗(yàn)得到。如圖5-42和圖5-43。 沉沙效率與沉速、斜板相對(duì)長(zhǎng)度有關(guān)。隨沉速的增大而增大。,5.4 無(wú)壩取水,不攔河筑壩壅高水位，在河岸適當(dāng)位置開(kāi)挖取水，一般在取水口設(shè)有水閘控制入渠流量。其過(guò)程簡(jiǎn)單、投資省、收效快而運(yùn)用較廣。 無(wú)壩取水受河道中水流要素變化

13、影響較大，在引水的同時(shí)引進(jìn)了大量的泥沙。在規(guī)劃設(shè)計(jì)無(wú)壩引水口時(shí)，一般要求： （1）河道主流經(jīng)常流經(jīng)取水口， （2）取水口前必須維持必要的水位，以保證引進(jìn)設(shè)計(jì)的流量， （3）防止推移質(zhì)泥沙在取水口淤積，避免大量推移質(zhì)泥沙進(jìn)入渠道，降低進(jìn)入渠道的懸移質(zhì)含沙量， （4）防止取水口遭受水流的嚴(yán)重沖刷，確保渠首建筑物的安全。,一、取水口位置的選擇,除了考慮自流灌溉要求及地質(zhì)條件外，更應(yīng)認(rèn)真研究河床演變及泥沙運(yùn)動(dòng)對(duì)取水口的影響。在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段對(duì)取水口所在河段的河床演變、泥沙運(yùn)動(dòng)及其對(duì)取水口的影響進(jìn)行分析， 例如在順直彎曲河段，著重分析邊灘移動(dòng)的規(guī)律，蜿蜒性河段分析凹、凸岸沖淤?gòu)?qiáng)度，分汊河段分析各股汊道的發(fā)

14、展衰亡的規(guī)律，防止汊道衰亡而使取水口堙廢。,無(wú)壩取水的位置最好在彎道凹岸頂點(diǎn)以下，離彎道起點(diǎn)距離45倍處，實(shí)現(xiàn)正面取水。彎道凹岸受主流頂沖，彎頂易于崩退下移，采取護(hù)岸措施，取水口是能夠穩(wěn)定的。取水口距彎道起點(diǎn)距離： L=2 K l，K=0.8-1.0 減小引水角度； 盡可能使進(jìn)水閘緊靠河岸，減少閘前引水渠長(zhǎng)度。避免形成盲腸河段,較穩(wěn)定的引水口,二、調(diào)整和穩(wěn)定取水口附近河道對(duì)天然河道采取一系列整治措施；,黃河下游某渠首工程，1958年在對(duì)岸修建了丁壩，當(dāng)時(shí)使主流靠近閘前，引水條件較好，由于上游河勢(shì)A處發(fā)生變化，主流從丁壩壩前直泄而下，進(jìn)水閘遠(yuǎn)離主流，引水困難。,三、渠首建筑物布置： 內(nèi)蒙古河套地

15、區(qū)采用多首制取水方式。每個(gè)取水口相距1-2km，洪水時(shí)僅從一個(gè)取水口，其它口門臨時(shí)封堵。圖17-12 在非通航的中小河流上，采用下圖17-13布置形式：包括進(jìn)水閘，泄水閘和引水壩。引水壩收縮水道，抬高水位，導(dǎo)水入渠。泄水閘排泄進(jìn)入引水槽的多余水量；,渠首主體工程主要包括（1）魚(yú)咀；（2）飛沙堰；（3）寶瓶口。其他輔助工程如榪槎及外江閘；人字堤等。,5.5 有壩取水工程,河流中的水位不能滿足無(wú)壩自流引水時(shí)，考慮修建攔河壅水壩等控制建筑物壅高水位。 一、側(cè)面取水： 引水樞紐由溢流壩、沉沙塘、沖沙閘及進(jìn)水閘組成。迎流正面布置壅水和沖沙設(shè)施，進(jìn)水閘在河道側(cè)面。最早修建于印度，印度式引水。,側(cè)面引水缺點(diǎn)： 1、引水閘布置在側(cè)面，開(kāi)閘引水時(shí)水流急轉(zhuǎn)，形成橫向環(huán)流及復(fù)雜的環(huán)流； 2、進(jìn)水閘與沖沙閘正交，它是開(kāi)啟時(shí)水流紊亂，導(dǎo)致泥沙入渠。 3、上、下游河道寬度大，水流分散，泥沙沉積。,改建的渭惠渠引水口工程 進(jìn)水閘6孔改為12孔，沖沙閘由2孔改為5孔，加寬沉沙塘，設(shè)置了分水墻，導(dǎo)沙坎。,二、正面取水：利用彎道環(huán)流，表層中較清的水流流向引水口，側(cè)面排沙，費(fèi)爾干式。,三、底欄柵取水：用于坡陡流急、床沙