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1、5.1 引水防沙的意义 5.2 引水工程选址与布置 5.3 防沙排沙理论与设计 5.4 无坝引水 5.5 有坝引水 5.6 入渠泥沙防治,Ch5 引水工程,Ch5 引水工程,5.1 引水防沙的意义 一、引水工程中的泥沙问题 在河流上兴建的各种引水工程数量在不断增加，引水的用水效率和质量受到广泛重视。如灌溉引水、水电站引水,二、引水防沙工程的发展,1、引水防沙工程分类 分为三类：无坝引水防沙工程；有坝引水防沙工程；活坝类引水防沙工程。 无坝引水防沙工程：分布较广，如都江堰 有坝引水防沙工程可分为： 低坝沉沙冲槽式引水防沙工程（印度式）； 闸坝式引水防沙工程，用拦河闸代替印度式的溢流低坝。 弯道式

2、引水防沙工程：人为形成弯道环流，达到凹岸引水凸岸排沙。 底栏栅式引水防沙工程，拦河坝顶布设栏栅，防止砾卵石进入坝内廊道。 分层式引水防沙工程（中亚式）,三、引水防沙问题分析步骤,泥沙问题分析步骤 1、 野外调查与资料收集：确定来沙量；河床演变情况； 2、分析水沙过程对引水工程的影响 3、分析引水工程对当地和上下游河流与环境的影响； 4、估计需要采取的泥沙处理措施； 5、最佳方案的选择。,5.2 引水工程选址与布置,一、引水工程选址中的泥沙问题 在河流上修建引水工程除了考虑工程本身的因素以外，还应考虑到地质地貌、河流动力学、水文及环境、经济等因素。引水工程满足两个要求:（1）能够取到所需要的水量

3、；（2）保持引水口的河床稳定或冲淤平衡，同时尽可能减少泥沙入侵。,考虑的泥沙方面的因素 （1）河流的水文泥沙资料，来水来沙过程，悬移质、推移质和床沙组成； （2）河床稳定性，河型、河道演变历史及趋势。,二、引水工程的选址与泥沙考虑,1、引水工程在河流上的位置 1）选择弯道的考虑：稳定的弯道凹岸一侧是引水工程比较理想的位置。弯道凹岸水深大，流速大，有利于推移质的输移;弯道环流与纵向水流构成螺旋流运动，含沙量小的水流指向凹岸，含沙量大的指向凸岸。避免布置在弯道的凸岸。 注意如下：力求河势稳定；避免河岸和河床冲淤变化较大的位置，容易造成取水口的脱溜.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）、注意调查地质、地形和河床演变情况 地质方面考虑基岩埋深较浅，或者为沙砾石或沙基的河段。 河床演变选在河势稳定，河床冲淤变化不大的河段， 3）、引水建筑物离深泓线不远处。 可缩短引水长度，保证水量防止泥沙的入侵。 4）、有坝与无坝引水的关系:无坝引水的选址要求高于有坝引水。 5）、因势利导、不宜强行整治。 6）、水电枢纽上下游的引水口位置。 7）、水轮机的选择。,2、泥沙问题的考虑 防止推移质泥沙和悬移质粗颗粒泥沙进入引水口。 1） 河型的影响 2）底槛的高度，设置一定的高度。 3）防沙、排沙清淤措施； 4）估计河槽的冲淤变化； 5）泥沙估计 6）引水比与引

5、沙比。,三、侧面引水与正面引水 按照引水头部与河流来流的相对位置将引水形式分为侧面与正面引水。引水头部与来流方向大致平行时为正面引水；引水头部与来流方向大致垂直时为侧面引水。 侧面引水特点：在河岸一侧引水，缺陷：大量泥沙进入引渠，引水冲沙相互影响，采区防沙措施。 正面引水：有正面排沙和侧面排沙。前者的水深和引水比不宜太大。后者的整治工程简单，限制少。,四、引水工程泥沙问题研究方法： （1）类比分析和调查 已经运行成功的引水工程进行调查分析； （2）初步分析估算：对水流泥沙、河床演变进行分析；也可用估算的方法 （3） 河工模型试验：解决引水工程局部河床变化、优化防沙方案、河床演变预测。 （4）

6、数学模型计算,5.3 防沙排沙理论与设计,一、引水口水沙运动特性 合理规划引水口，合理布置引水口的防沙设施，合理设计与布置灌溉引水口。 1、引水口前的流速场 1） 理论分析,2）实测成果,引水比小：引水口水流曲率小，支槽有回流。 引水比大：引水口水流表层曲率小，底层曲率大；支槽有回流，范围小。,2、引水宽度,3、推移质分沙比与分流比的关系 推移质分沙比与分流比的关系实验室研究较多。德国，分沙比随分流比的增大而增大，分流比达到50%，几乎全部推移质泥沙进入引水口。 4、悬移质分沙比与分流比的关系 关系复杂。,1、人工引水弯道 目的：创造良好的弯道环流，有效引水防沙。 设计原则： （1）弯道宽度；

7、 （2）弯道外形； （3）泄洪闸：中心线与弯道中心线呈40-45度 （4）冲沙闸与进水闸,二、弯道引水防沙工程设计,三、导流装置 奥加德(A.J.Odgaard)方法：利用导流屏在引水口前导流，改善河床水流流态，使引水口泥沙淤积减缓。 导流屏：制造人工环流，增加表层引水宽度，减小底层引水宽度。 1、导流屏防沙理论,导流屏防沙理论： 导流屏的设计参数：导流屏高度、长度、迎水角、淹没深度等 导流屏缺点： （1）构造复杂，费用高，运行管理不便； (2)细沙运用效果不显著 （3）河床不稳定的河道效果不好， （4）在通航河流上不宜采用。,三、导流装置 2、导沙坎：设置在引水口前设置一定高度和长度的坎，底

8、部水流形成螺旋流将泥沙导离引水口。 （1）水流现象 水流束窄；螺旋流， （2）泥沙运动,（3）导沙坎的影响效果 包括水流流速、坎高、导沙坎与主流的夹角、多道导沙坎的水流形态、导沙坎几何尺度。,四 环流冲沙槽 在壅水淤积情况下，采用束水攻沙原理，在引水口前设置冲沙槽，用纵向束水墙与溢洪坝分开，在引水闸前形成较高流速，冲走槽内泥沙。 环流冲沙槽由冲沙闸、引水口岸边墙、束水墙和导沙坎等部分组成。,环流冲沙槽各部分功能 束水墙：满足在进水口前形成稳定平顺的水流；满足与上游来水的渐变衔接；考虑定期冲沙和沉沙时的容积要求。L=2-3B, 冲沙槽的泄流能力满足引水流量和最小冲沙流量要求。 冲沙闸的泄流能力与

9、冲沙流量以及稳定河槽流量相适应。 导沙坎与潜没分水墙：导沙坎是设置在冲沙槽底板上的潜没导流矮墙。导沙坎螺旋流的强度与方向随导沙坎与水流方向的交角而变化，最常用的交角为20-40；导沙坎的高度是当地水深的1/31/10。,五 涡管与截沙槽排沙 涡管与截沙槽排沙是在河床上或临近河床的某一高度上利用螺旋流排除水流底部推移质泥沙的管道或排沙通道。涡管指截面是圆形或弧形，截沙槽截面为方形或梯形。 1933年，R.L. Parshall提出涡管排沙的方法，他们涡管断面的水流佛氏数为0.8，涡管与水流的方向夹角为45。 我国20世纪60年代在映秀湾水电站等采用截沙槽，当截沙槽与主槽的角度为30，排沙效果好。

10、 日本学者对急流渠道(Fr=3.46-9.42)的排沙涡管实验，其排沙率为30%-90%。 螺旋流排沙机理：水沙的惯性作用与边界条件相结合的产物。涡管内的水流运动与河床纵向水流运动，形成螺旋流。FR=0.8，截沙槽与主流呈45度。,涡管内的流速分布 涡管流量与分流比： 涡管排沙； 涡管设计：,六 沉沙池 沉沙池按清洗的方法可分为：定期清洗、连续冲洗、机械清洗和不冲洗等四类。 1、定期冲洗沉沙池的种类 有单室（单室带侧室）和多室两类，在沉沙池的末端设有冲沙底孔或冲沙闸。当流量大于15m3/s，可采用双室沉沙池，,定期冲沙沉沙池的结构 沉沙池由进口、沉淀室、出口、冲沙设备及防冰防污设备等组成。 沉

11、沙池断面一般为矩形。沉淀室的数目为2-4个，工作深度为4-5m. 沉沙池的底坡可以是正坡或倒坡，其数值为0.020.005，冲洗速度不小于2m/s。 粗砂沉在首部，这时采用倒坡。,连续冲洗沉沙池的工作方式 水电站的沉沙池。连续冲洗沉沙池分上下两部分，上部为沉沙室，沉沙的主体，为明流；下部为冲沙廊道，为压力流，整个沉沙池有多条支廊道和总廊道。 连续冲洗沉沙池可做成单室单廊道或单室多廊道，根据工程规模和操作要求而定。,沉沙池底部沿纵向设缝隙形式的冲沙口，图5-39。,水电站斜板沉沙池 一般沉沙池水深大，沉降距离长，沉降时间长。浅水的沉降距离和时间短，提出多层浅水新型沉沙池，即在一个大沉沙池中，沿深

12、度方向设多层板，板距很小，各层水流的水深小，紊动低，泥沙沉降效率高，为便于淤泥下滑，将板斜置，构成斜板沉沙池。,斜板沉沙池的形式水流与斜板的关系 上向流：水流自斜板下方向上流经斜板。也称逆向流。 下向流：水流自斜板上方向下流经斜板，也称同向流。 侧向流：水流从水平流经斜板。 水电站的斜板沉沙池宜采用侧向流斜板沉淀。,斜板沉沙池的尺寸通过模型试验得到。如图5-42和图5-43。 沉沙效率与沉速、斜板相对长度有关。随沉速的增大而增大。,5.4 无坝取水,不拦河筑坝壅高水位，在河岸适当位置开挖取水，一般在取水口设有水闸控制入渠流量。其过程简单、投资省、收效快而运用较广。 无坝取水受河道中水流要素变化

13、影响较大，在引水的同时引进了大量的泥沙。在规划设计无坝引水口时，一般要求： （1）河道主流经常流经取水口， （2）取水口前必须维持必要的水位，以保证引进设计的流量， （3）防止推移质泥沙在取水口淤积，避免大量推移质泥沙进入渠道，降低进入渠道的悬移质含沙量， （4）防止取水口遭受水流的严重冲刷，确保渠首建筑物的安全。,一、取水口位置的选择,除了考虑自流灌溉要求及地质条件外，更应认真研究河床演变及泥沙运动对取水口的影响。在规划设计阶段对取水口所在河段的河床演变、泥沙运动及其对取水口的影响进行分析， 例如在顺直弯曲河段，着重分析边滩移动的规律，蜿蜒性河段分析凹、凸岸冲淤强度，分汊河段分析各股汊道的发

14、展衰亡的规律，防止汊道衰亡而使取水口堙废。,无坝取水的位置最好在弯道凹岸顶点以下，离弯道起点距离45倍处，实现正面取水。弯道凹岸受主流顶冲，弯顶易于崩退下移，采取护岸措施，取水口是能够稳定的。取水口距弯道起点距离： L=2 K l，K=0.8-1.0 减小引水角度； 尽可能使进水闸紧靠河岸，减少闸前引水渠长度。避免形成盲肠河段,较稳定的引水口,二、调整和稳定取水口附近河道对天然河道采取一系列整治措施；,黄河下游某渠首工程，1958年在对岸修建了丁坝，当时使主流靠近闸前，引水条件较好，由于上游河势A处发生变化，主流从丁坝坝前直泄而下，进水闸远离主流，引水困难。,三、渠首建筑物布置： 内蒙古河套地

15、区采用多首制取水方式。每个取水口相距1-2km，洪水时仅从一个取水口，其它口门临时封堵。图17-12 在非通航的中小河流上，采用下图17-13布置形式：包括进水闸，泄水闸和引水坝。引水坝收缩水道，抬高水位，导水入渠。泄水闸排泄进入引水槽的多余水量；,渠首主体工程主要包括（1）鱼咀；（2）飞沙堰；（3）宝瓶口。其他辅助工程如杩槎及外江闸；人字堤等。,5.5 有坝取水工程,河流中的水位不能满足无坝自流引水时，考虑修建拦河壅水坝等控制建筑物壅高水位。 一、侧面取水： 引水枢纽由溢流坝、沉沙塘、冲沙闸及进水闸组成。迎流正面布置壅水和冲沙设施，进水闸在河道侧面。最早修建于印度，印度式引水。,侧面引水缺点： 1、引水闸布置在侧面，开闸引水时水流急转，形成横向环流及复杂的环流； 2、进水闸与冲沙闸正交，它是开启时水流紊乱，导致泥沙入渠。 3、上、下游河道宽度大，水流分散，泥沙沉积。,改建的渭惠渠引水口工程 进水闸6孔改为12孔，冲沙闸由2孔改为5孔，加宽沉沙塘，设置了分水墙，导沙坎。,二、正面取水：利用弯道环流，表层中较清的水流流向引水口，侧面排沙，费尔干式。,三、底栏栅取水：用于坡陡流急、床沙