一种利用生态流量的排沙装置设计者牟鹏霖、徐明建、舒红明、许攀.doc

一种利用生态流量的排沙装置 设计者：牟鹏霖、徐明建、舒红明、许攀 指导老师：曾永忠 （西华大学 能源与环境学院，四川 成都 610039） 作品内容简介 大坝是水利枢纽的最重要的建筑物之一，随着我国水利工程的大力发展，各大江河上兴建了大量的水库。泥沙在大坝内淤积，致使河槽萎缩，水库蓄水能力下降，不仅对堤坝功用的发挥产生了巨大的影响，而且对水力发电有严重的危害。然而常用到的挖沙船、抽沙泵等排沙方法耗费了大量的人力和财力，泄洪冲沙又通常在汛期才进行，导致泥沙在坝内堆积，再结合许多水库坝外河道干涸，生态环境受到严重影响的现象，我们小组设计了一种结合河道生态流量的排放来排出坝内积沙的装置，此装置运行时无需提供额外动力，装置主要由耐磨损的水轮机、搅沙部件等部件构成，当开启排沙管道闸门时，水流通过管道,冲击轴伸贯流式水轮机，水轮机转动后将动力传送给搅沙部件通过搅沙部件和水压力的共同作用将淤沙扰动，从而使淤沙和水混合后一起排到坝外，排放到坝外的泥沙可采用沉沙池等措施进行收集，最终将淤沙转移出河道，达到排沙的目的。 关键字： 生态流量，泥沙淤积，排沙，水轮机，搅沙部件 1.研究背景 1.1泥沙淤积问题 河道上修建水库以后，改变了原来河道的水流特性，在库区回水范围内，河道过水断面加大，水面坡度变缓，流速减小，水流挟沙能力逐渐降低，因而大量泥沙落淤，造成水库淤积。水库的严重淤积，造成了一系列严峻的问题：(1)降低了泄水建筑物的泄流能力；(2)减少水库有效库容，直接影响工、农业的正常用水，同时由于泥沙淤积侵占了防洪库容，使水库防洪标准降低，直接威胁水利枢纽工程及下游人民生命财产的安全；(3)增加了大粒径泥沙过机机会，并造成水轮机和泄流建筑物的磨损，影响水库的效益和电站的安全运行，造成经济上的损失；(4)更为严重的是坝前的严重淤积，影响了泄洪闸门和深孔闸门的开启，构成大坝防洪安全隐患。 水库泥沙问题已成了水利界的一大难题。我们的设计采用水力与机械清淤相结合的防治型排沙清淤措施，主要针对坝前淤积的问题。 1.2 生态流量的排放 河流系统功能通常包括生态功能、环境功能和资源功能［1］。然而，在开发水资源的时候主要考虑到满足工业、农业和城镇生活用水等需求，忽视了河流功能得以正常发挥的需水量，从而导致河段内的天然流量逐渐减少、甚至出现断流的情况。河流生态基础流量是维持河道功能不退化、特征水生生物能正常繁衍所必需的河道最小流量，对于多沙河道还必须留有一部分环境需水量用于输沙，以达到河道冲淤平衡的目的，即防止河道泥沙淤积的最小生态环境需水量。河流生态基础流量和输沙需水量是多沙河流冲淤保河、维护生态平衡不可缺少的组成部分。 2 设计原理 2.1 设计思路 对于泥沙堆积比较迅速的中型水库，冲沙漏斗容易很快被填满，本装置的主要作用对象是坝前的推移质，利用水力和机械扰动的方法迫使沉积的泥沙运动起来，随水流一起排出到库外，具体思路如下： （1）通过水流对水轮机的作用，将动力传递给搅沙部件转动，使泥沙运动。 （2）利用搅沙部件和水力作用破坏冲沙漏斗的休止角，致使漏斗斜坡面泥沙垮塌。 （3）漏斗壁面由搅动产生的沙垄可诱发水流猝发喷射和泡漩的产生[2]，紊流可以扩大对泥沙的作用效果和范围。 （4）一定时间内，当坝前壅水、上游推移质补给时，淤积在漏斗上游的泥沙被水流冲刷下移，堆积到装置的作用范围内时，即可再次排沙，或根据水库坝前泥沙堆积规律，合理安排排放时间、排放次数和排放强度。某水库坝前淤积形态断面厚度[3]如图1 图1 某坝前逐月平均淤积厚度分布 （5）充分利用河流的自然挟沙能力和非牛顿体管道输送布置管道。 2.2 工作原理 2.2.1 工作流程 图2工作流程图 2.2.2 装置主要部件 （1）搅沙部件 机械扰动是当前最常见的一种扰沙方法，其优点是可靠，施行方便，且副作用较少，研究表明，要形成较大的坝区冲刷漏斗，以保证枢纽的正常运行，提高排沙效率，离不开人工扰动的辅助[4]，本装置中的搅沙叶片略有扭曲，按一定角度和距离安放传动轴上。 （2）轴伸贯流式水轮机 轴伸贯流式水轮机具有比转速高、过流能力大、结构简单、维修周期长等优点，其性能主要取决于过流部件，因此，翼型的设计，导叶开度和转轮叶片安放角的配合关系就非常重要[5]，利用CFD 进行数值分析进行翼型与叶片的修形、改进，通过对水轮机的流场进行模拟，可以确定出满足效率和出力情况下的叶片安放角以及导叶开度和转轮叶片安放角的匹配关系。 本小组设计了装配固定式导流叶片的反击式透平，如图3所示。该透平主要由两部分构成：上游导流叶片区和动叶片区。其中动叶片安装在轮轴上，属透平的转子部分；考虑安装和成本因素，模型中固定式导流叶片采用平板型。在老师的指导帮助下，利用计算流体力学分析软件在水头1m，转速30