一種樹杈結構的多級管道自動排沙裝置的制造方法

一種樹杈結構的多級管道自動排沙裝置的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種樹杈結構的多級管道自動排沙裝置，屬于水利工程運行管理領域，該排沙裝置包括多個進沙首部，由主輸沙管道和若干組多級分支管道組成的樹杈結構多級管道，以及出口閥；其中，主輸沙管道沿水流方向布設在水庫壩前區域的河床上，各組多級分支管道的匯流口端與主輸沙管道相連、末端與若干進沙首部相連，主輸沙管道下游端通過出口閥穿過大壩底部；所述樹杈結構多級管道滿足各個進沙首部經過樹杈結構多級管道匯流至出口閥的總水頭損失相等原則，以實現利用水庫的上下游落差進行自動排沙；該裝置不需要額外的動力，節省能源，經濟效益顯著，同時安全可靠、操作簡單，應用前景廣闊。
【專利說明】
一種樹杈結構的多級管道自動排沙裝置
技術領域
[0001] 本發明屬于水利工程的運行管理技術領域，特別涉及一種樹杈結構的多級管道自 動排沙裝置。
【背景技術】
[0002] 我國西北部地區嚴重缺水，水資源的短缺是制約國民經濟發展的重要因素。而水 資源短缺的大多數河流的含沙量高、泥沙粒徑粗，對各種水利工程設施均有不利影響，如黃 河三門峽水庫因泥沙淤積而未能實現設計功能，西北河流的一些中小水庫可能在數年之內 淤損失效；引水渠常因泥沙淤積而使耕地沙化，如歷史上著名的引水工程"鄭國渠"已被淤 積泥沙完全掩埋。
[0003] 長期以來，工程設計、管理和研究單位都致力于水庫減淤、清淤措施的研究和探 索，最典型的解決裝置或方法有以下幾種類型：
[0004] 吸泥排沙裝置:在水庫水面用浮筒架設管道，頭部安裝帶有攪沙裝置的吸泥頭吸 入渾水，通過管道翻過大壩排出庫外。此裝置一是需要較大的動力維持吸泥頭的運行和克 服管道的阻力，二是水面架設管道成本較高，再是壩前水位較低時，翻壩管道真空吸程過大 會降低流量，甚至失效。總體來看，因其運行成本較高而大多數設施均難以維持運行。
[0005] 排沙孔:一些水庫在壩體下部設置排沙孔排沙，如三峽水庫在主河道的壩身設置 了 7個排沙孔，在右岸地下電廠設置了 3個排沙孔。排沙孔進口一般與大壩迎水面齊平，當泥 沙淤積至排沙孔前時開閘排沙，其特點為以排沙孔進口底高程為起點、以大壩迎水面為立 面、以水下休止角為邊坡的半圓錐形沖刷漏斗。其沖刷范圍有限，沖沙初始階段含沙量很 高、其后逐漸降低。排沙孔對保護電站進水口和渠道引水口等有較好的防沙效果，但對大量 沖刷排沙、保持有效庫容等方面則作用不大。
[0006] 排沙廊道:將排沙孔的進口用廊道向庫內延伸，其延伸方向可垂直于壩面或有一 定的偏斜角度，高程可水平延伸或根據地形稍微向上傾斜。在廊道前端設置單一進沙孔或 在沿程按一定間距分別設置進沙孔，進沙孔開口向上或在廊道的兩個側面開孔。其應用模 式和效果與排沙孔相似。當沿廊道布置多個進沙孔時，其排沙范圍增大，但運行過程中遠處 的進沙孔很容易堵塞失效。
[0007] 挖泥:近年來，隨著挖泥船功率的加大和挖泥機具的改進，挖泥效率超過10萬噸/ 天，在一些航道、港口、堤防等水利清淤工程中得到應用，但其運行維護成本較高，在中小型 蓄水水庫中還難以采用，而在大型深水水庫中的應用也受到挖泥能力、輸送成本、堆放場地 等方面的限制。
[0008] 淤沙資源化利用:在黃河的中下游河道中，抽取淤積泥沙加高河堤，向低洼灘地泄 放高含沙水流淤地等，實現了河道淤沙簡單的資源化利用。而水庫中的淤積泥沙資源化利 用還缺少綜合性、系統性的措施。

【發明內容】

[0009] 本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提供一種樹杈結構的多級管道自動 排沙裝置，本發明裝置利用水庫水位與大壩下游水位的水頭差實現無動力的自動排沙、節 省能源、運行成本低廉，排出的淤積泥沙實現資源化利用，可有效降低水庫的排沙成本，保 持多沙河流水庫的長期應用。
[0010] -種樹杈結構的多級管道自動排沙裝置，其特征在于，該裝置包括多個進沙首部， 由主輸沙管道和若干組多級分支管道組成的樹杈結構多級管道，以及出口閥；其中，主輸沙 管道沿水流方向布設在水庫壩前區域的河床上，各組多級分支管道的匯流口端與主輸沙管 道相連、末端與若干進沙首部相連，主輸沙管道下游端通過出口閥穿過大壩底部;所述樹杈 結構多級管道滿足各個進沙首部經過樹杈結構多級管道匯流至出口閥的總水頭損失相等 原則，以實現利用水庫的上下游落差進行自動排沙。
[0011] 本發明的特點及有益效果：
[0012] 本發明的一種樹杈結構的多級管道自動排沙裝置，按每個進沙首部BE至出口閥流 路中的總水頭損失相等的原則設計。在排沙過程中，每個進沙首部BE均能進入等量的水沙 流量;利用水庫上下游的落差排沙，不需要額外的動力，節省能源。
[0013] 對于一些大中型水庫，淤積在壩區的泥沙一般很細，含有豐富的營養物質。對大型 水庫，在春季漁汛前將細泥沙排向下水庫下游，促進微生物和藻類的生長，為生物鏈提供初 級營養物質，有利于生物鏈的繁殖和魚類的生長，有效保護水庫下游的生態環境。在汛期， 有計劃地將壩區淤積的泥沙排向下游，可以減緩下游河道沖刷，避免發生崩岸等災害，維護 堤岸穩定;對中小型水庫，可以將淤積泥沙用管道直接輸送到荒灘造地，或放入農地以增加 肥力。
[0014] 本發明的一種安全可靠、操作簡單、成本低廉、排沙效果顯著的樹杈結構的多級管 道自動排沙裝置將具有重要的社會效益和經濟價值。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發明實施例一裝置的總體布置圖；
[0016] 圖2是本發明裝置的進沙首部BE的結構示意圖；
[0017] 圖3本發明裝置實施例一的設計計算簡圖；
[0018] 圖4是本發明實施例二裝置的總體結構示意圖。
【具體實施方式】
[0019] 本發明提出一種樹杈結構的多級管道自動排沙裝置，該裝置包括:多個進沙首部， 由主輸沙管道和若干組多級分支管道組成的樹杈結構多級管道，以及出口閥；其中，主輸沙 管道沿水流方向布設在水庫壩前區域的河床上，各組多級分支管道的匯流口端與主輸沙管 道相連、末端與若干進沙首部相連，主輸沙管道下游端通過出口閥穿過大壩底部;所述樹杈 結構多級管道滿足各個進沙首部經過樹杈結構多級管道匯流至出口閥的總水頭損失相等 原則，以實現利用水庫的上下游落差進行自動排沙。
[0020] 所述是每組多級分支管道可以相同或者不同，每組多級分支管道由至少一級分支 管道構成，各組多級分支管道的第一級分支管道與主輸沙管道相連，為使水流平順，其匯流 口端一般設計為圓弧形;繼續增加分支管道，發展成第二級分支管道、第三級分支管道、… 第η級分支管道(η為正整數）；分支管道越多，與其末端相連的進沙首部越多，經由各組多級 分支管道到與主輸沙管道匯流口端匯合的水流泥沙越多。
[0021] 本發明裝置的核心為只需滿足各個進沙首部BE經過樹杈結構多級管道匯流至出 口閥Valve的總水頭損失相等即可，與進沙首部BE的多少、組合方式、以及在水庫中所處的 位置均無關。
[0022] 以下將結合附圖及實施例對本發明的一種樹杈結構的多級管道自動排沙裝置進 行詳細說明。后文中約定按水流的流動方向分上下游，面向下游分左右岸。
[0023]實施例一:在水庫壩前區域的河床（圖中UB為水庫上游河床、DB為水庫下游河床， WL為水面)上布設本裝置，總體布置如圖1，本實施例裝置整體為對稱設置的樹杈型結構，圖 中只示意畫出了本裝置的右半側結構，左半側結構掩埋在淤積沙面DS以下。
[0024]本實施例裝置主要構件包括多個相同的進沙首部BE，由主輸沙管道L0和多級分支 管道A、B、C、D組成的樹杈結構多級管道，以及出口閥Valve;其中，主輸沙管道L0沿水流方向 布設在水庫壩前區域的河床上，多級分支管道A、B、C、D各有兩個，且分別對稱設置在主輸沙 管道L0兩側，多級分支管道A、B、C、D的匯流口端與主輸沙管道L0相連，多級分支管道A、B、C、 D的末端與若干個進沙首部BE相連，主輸沙管道L0下游端通過出口閥Valve穿過大壩底部； 水流泥沙從各進沙首部BE進入、經過各組多級分支管道匯流至主輸沙管道L0內、利用水庫 的上下游落差最終從出口閥Valve排出。
[0025] 所述主輸沙管道L0為沿水流方向逐漸加粗的圓形管道或是上部矩形、下部梯形的 復合斷面管道，垂直于水庫大壩軸線建造，長度根據工程需要而定，大致為100~l〇〇〇m的數 量級;多級分支管道則采用圓形截面。
[0026] 本實施例的多級分支管道A僅含有第一級分支管道LIa，該多級分支管道的匯流口 端Ao與主輸沙管道L0相交、末端與1個進沙首部BE相連，故匯流口端Ao匯合了從2個進沙首部 BE進入的水流泥沙；多級分支管道B由第一級分支管道LIb和2個相同的第二級分支管道L2b 構成，2個第二級分支管道L2b相交后與第一級分支管道LIb相連，該多級分支管道的匯流口 端^與主輸沙管道L0相連、末端連接2個進沙首部BE(即兩個第二級分支管道L2b的末端分別 連接1個進沙首部BE)，2個多級分支管道B末端共連接4個進沙首部BE，故匯流口端Ai匯合了 6個進沙首部BE的水流泥沙；多級分支管道C由第一級分支管道Llc、2個相同的第二級分支 管道L24P4個相同的第三級分支管道L3 C構成，4個第三級分支管道L3C均分為兩組、每組的2 個第三級分支管道L3e相交后與對應的一個第二級分支管道L2e相連，2個第二級分支管道 L2c相交后與第一級分支管道L1C相連，該多級分支管道的匯流口端知與主輸沙管道L0相連、 末端連接4個進沙首部BE(即4個第三級分支管道L3g的末端分別連接1個進沙首部BE)，2個 多級分支管道C末端共有8個進沙首部BE，故匯流口端知共匯合了 14個進沙首部BE的水流泥 沙;多級分支管道D由第一級分支管道L1d、2個相同的第二級分支管道L2d、4個相同的第三級 分支管道L3d和8個相同的第四級分支管道L4d構成，8個第四級分支管道L4d均分為四組，4個 第三級分支管道L3d均分為兩組，每組的2個第四級分支管道L4d相交后與對應的一個第三級 分支管道L3d相連，每組的2個第三級分支管道L3d相交后與對應的一個第二級分支管道L2d 相連，2個第二級分支管道L2d相交后與第一級分支管道LId相連，該多級分支管道的匯流口 端A3與主輸沙管道L0相連、末端連接8個進沙首部BE(即8個第四級分支管道L4d的末端分別 連接1個進沙首部BE)，2個多級分支管道D末端共有16個進沙首部BE，故匯流口端A 3共匯合 了 30個進沙首部BE的水流泥沙。
[0027]本實施例中每個進沙首部BE至任一匯流口端的水頭損失相等，則各個進沙首部BE 經過樹杈結構多級管道匯流至出口閥Valve的總水頭損失相等，從每個進沙首部BE進入的 水流泥沙流量相同，滿足整體排沙的要求。
[0028]圖2為本實施例中進沙首部BE的結構示意圖，包括進沙孔、防沙板4以及將防沙板4 固定于進沙孔上方的豎桿5;其中，進沙孔為兩端開敞的薄壁殼型結構，由喇叭口 1、喉道2和 90度彎頭3依次拼接構成，喇叭口 1的大口端垂直向上，豎桿5支撐于大口端的側壁上，90度 彎頭3轉向水平后與第一級分支管道L1a(本排沙裝置的各個進沙首部均相同，圖中僅示意 了與多級分支管道A末端相連的進沙首部BE)連接;防沙板4為一圓形薄板，與喇叭口 1同心 設置，防沙板4用于防止在本排沙裝置關閉時因泥沙淤積而堵塞喇叭口 1和喉道2。設豎桿的 高度（即喇叭口 1的上平面與防沙板4的下平面之間的高度)為h，防沙板4的半徑與喇叭口 1 的大口端半徑之差為L，防沙角度為a(tana = h/L)，同時防沙角度α應小于淤積泥沙的水下 休止角（一般大于30° )。
[0029] 所述出口閥Valve位于大壩底部，高程為下游平均水位。出口閥平時關閉，當進沙 孔上部淤積一定厚度的泥沙后開啟出口閥排沙，調節出口流量，滿足樹杈結構多級管道內 設計流速的要求;選擇適宜的排沙時機，最好利用大流量的棄水排沙。
[0030]本實施例中的A、B、C、D四組多級分支管道可以任意組合，還可以設計各種類型，使 每個進沙首部BE至各個匯流口端的水頭損失相等即可。當只需要清除壩前的淤積泥沙(如 電站進水口等）時，采用由多級分支管道D和主輸沙管道組成的樹杈結構多級管道、相應個 數的進沙首部BE以及出口閥即可清除臨近大壩的淤積泥沙;如需要重點清除離大壩較遠處 的淤積泥沙(如北京市白河堡水庫的引水口離大壩3公里，需要清除引水口前的淤積泥沙）， 可將A3到出口閥的主輸沙管道延長至該引水口區域，再布設本裝置即可。
[0031 ]本實施例的參數設計：
[0032]按照各個進沙首部BE到出口閥Valve的總水頭損失相等的原則進行樹杈結構多級 管道的水力學設計，本實施例裝置的計算簡圖見附圖3。
[0033]本實施例裝置主要用于排出壩區淤積的懸移質泥沙，假定淤積泥沙的最大粒徑小 于2.0mm，根據沙莫夫公式，天然沙起動流速Vd為：
[0035] 式中：D為泥沙粒徑;Η為總水頭，等于水庫上游水位與出口閥中心高程之差;g為重 力加速度。取H= 10m，則Vd = 0.85m/s;取H= 100m，則Vd= 1.25m/s。齡積泥沙不會在管道內形 成齡積板結層，可不考慮細顆粒泥沙(D〈0.1mm)的粘接力對起動流速的影響。
[0036] 綜合考慮，設計樹杈結構多級管道內的最低流速2. Om/s，最大流速則應考慮適當 控制水頭損失和保持管道穩定及減少磨損，選擇在4.Om/s之內比較適中（也有高水頭的大 型水庫采用lOm/s以上流速的），故本算例的樹杈結構多級管道內的流速在U = 2.0~4. Om/s 之間適當選擇。
[0037]假設各個進沙首部BE的喉道2的直徑d和形狀均相同，進入喉道2內的流量Q也相 等，則某級管道承接了 N個進沙首部BE的流量，該管道內的流速為：
[0039] 取合適的流速，即可估算該級管道的直徑dj。
[0040] 從進沙首部BE到某級管道匯流口端的節點以〇、心^2^3)的水頭損失1?為：
[0041] hf = hc+hL (3)
[0042] 局部阻力水頭損失he:
[0044] 沿程阻力水頭損失hL:
[0046] 式中：i為包括從進沙首部BE到某節點的流路中產生局部阻力（如喇叭口 1、彎頭3、 匯流口 A0、A1等)的個數幾為第i個產生局部阻力處的流速;j為流經管段的編號，k為第j段 管道的長度，山為第j段管道的流速。1〇11=1、2、3)為局部水頭損失的阻力系數，主要有三種 類型，進沙首部BE加防沙板4的心=1.2，彎頭K 2 = 0.4，匯流口K3 = 1.0 A為沿程水頭損失的 阻力系數，由于采用的管道直徑較大、流速很高，λ值變化不大，可取λ = 〇.02。
[0047] 本實施例計算實例：
[0048] 進沙首部BE的喉道2內徑為100mm;喇叭口 1高度為50mm，擴散角為25°，喇叭口上端 直徑為147mm;豎桿5的高度h = 80mm;圓形防沙板4直徑為400mm;防沙角度a = 21.5°，小于齡 積泥沙的水下休止角（大于30°)。設計每個進沙首部BE的流量為0.02m3/s，則進沙首部BE喉 道2管內的流速為2.55m/s。
[0049] 根據阻力疊加原理，計算各個匯流口端之間的水頭損失，疊加得到從進沙首部BE 至該匯流口端的水頭損失。列表計算：
[0050]

[0052] 表中：U為代表流速，當計算局部水頭損失時為Ui、計算沿程水頭損失時為Uj。在主 輸沙管道L0與分支管道(A、B、C、D)的匯流口處（圖中的A0~A3)，從主輸沙管道L0的上游至 該處的總水頭損失與匯入的分支管道的總水頭損失相等；當本裝置的布置形式選定以后， 首先選擇管道直徑，根據流量就可計算局部水頭損失，采用式(5)試算得出各段管道的長 度，如C分支管道的L1 C、L2#PL3C的長度，滿足總水頭損失相等的要求。
[0053] 在實際工程的設計中，需要考慮市場能選擇的管道直徑做適當調整。
[0054] 按照設計原則，每個進沙首部BE至出口閥Valve的總水頭損失相等，圖3中畫出了 多級分支管道A、B、C、D末端任意一個進沙首部共計4個進沙首部BE至出口閥的流路見~仏，4 條流路的總水頭損失都是相等的。本算例的總水頭損失約為4m。
[0055] 在本實施例中，設計的主輸沙管道L0長85m，即大致向水庫內總體延伸85m、壩前最 大寬度l〇〇m，可在此三角形區域內實現自動排沙。30個進沙首部BE的流量共0.60m 3/s，較普 通的排沙孔或排沙廊道可以節省大量的水量(如三峽右岸地下電廠的三個排沙廊道的設計 排沙流量為360m 3/s)。即使本裝置的進沙首部BE的喉道2的直徑擴大5倍(過水面積擴大25 倍），排沙流量也可控制在15m3/s以內。
[0056] 在本排沙裝置的實際運行中，需要實時檢測排沙裝置上部的淤沙厚度，擇機開啟 出口閥Valve排沙;監測出口的含沙量，當含沙量較低時，及時關閉出口閥Valve，等待下一 次排沙。
[0057] 本實施例提出了一般的設計原則和運行方式，可以采用不同的組合設計不同規 模、不同布置形式的排沙裝置。
[0058]實施例二:本實施例排沙裝置的整體結構如圖4所示，與實施例一所述排沙裝置的 不同點在于本實施例的樹杈結構多級管道由等截面的主輸沙管道L0和3組相同的多級分支 管道E組成，3組多級分支管道E呈品字形排布;每組多級分支管道E由第一級分支管道L1e、7 個相同的第二級分支管道L2 e、14個相同的第三級分支管道L3e構成，7個第二級分支管道L2e 在共同的分支匯流口端A4呈圓形發散布置、且在該分支匯流口端與第一級分支管道LIe相 連，14個第三級分支管道L3 E均分為7組、每組的2個第三級分支管道L3E相交后與對應的1個 第二級分支管道L2e相連，該多級分支管道的匯流口端心與主輸沙管道L0相連、末端連接14 個進沙首部BE( 即14個第三級分支管道L3e的末端分別連接1個進沙首部BE)，3個多級分支 管道E末端共連接42個進沙首部BE，故匯流口端A 5匯合了 42個進沙首部BE的水流泥沙;本實 施例的其他部件與實施例一相同，此處不再贅述。本實施例中每個進沙首部BE從各組多級 分支管道E至主輸沙管道L0的流路長度相等、各組多級分支管道E對應的各級分支管道直徑 相同，所以到出口閥Valve的總水頭損失相等，從每個進沙首部BE進入的水流泥沙流量相 同，實現在總水頭作用下大范圍自動排沙。
[0059]本發明的排沙裝置需要在新建水庫時同步建造，對中小型水庫也可以放空后改 建。對大型工程需要進行模型試驗論證各種尺寸和幾何關系，確定多種類型的阻力系數，保 證實現每個進沙首部BE至出口閥Valve的總水頭損失相等。
【主權項】
1. 一種樹杈結構的多級管道自動排沙裝置，其特征在于，該裝置包括多個進沙首部，由 主輸沙管道和若干組多級分支管道組成的樹杈結構多級管道，以及出口閥；其中，主輸沙管 道沿水流方向布設在水庫壩前區域的河床上，各組多級分支管道的匯流口端與主輸沙管道 相連、末端與若干進沙首部相連，主輸沙管道下游端通過出口閥穿過大壩底部;所述樹杈結 構多級管道滿足各個進沙首部經過樹杈結構多級管道匯流至出口閥的總水頭損失相等原 貝1J，以實現利用水庫的上下游落差進行自動排沙。2. 如權利要求1所述樹杈結構的多級管道自動排沙裝置，其特征在于，所述的每組多級 分支管由至少一級分支管道構成，每組多級分支管道相同或者不同。3. 如權利要求1所述樹杈結構的多級管道自動排沙裝置，其特征在于，所述的進沙首部 包括進沙孔、防沙板以及將防沙板固定于進沙孔上方的豎桿;其中，所述的進沙孔為兩端開 敞的薄壁殼型結構，由喇叭口、喉道和90度彎頭依次拼接構成，喇叭口的大口端垂直向上， 豎桿支撐于大口端的側壁上，90度彎頭轉向水平后與樹杈結構多級管道的末端連接;防沙 板為一圓形薄板，與喇叭口同心設置。4. 如權利要求3所述樹杈結構的多級管道自動排沙裝置，其特征在于，所述進沙首部豎 桿的高度為h，防沙板的半徑與喇叭口的大口端半徑之差為L，防沙角度α滿足:tana = h/L， 同時防沙角度a小于淤積泥沙的水下休止角。5. 如權利要求1所述樹杈結構的多級管道自動排沙裝置，其特征在于，所述樹杈結構多 級管道，根據淤積泥沙的顆粒級配計算每級管道內的設計流速;其中，最小流速大于泥沙的 起動流速;最大流速由以下條件決定:一是保證各級管道自身的安全，二是減少阻力和節省 排沙水量;按通過的流量和設計流速計算每級管道的內徑，根據總水頭損失相等的原則計 算每級管道分配的水頭損失，由此決定每級管道的長度。6. 如權利要求5所述樹杈結構的多級管道自動排沙裝置，其特征在于，所述的出口閥用 于控制本排沙裝置的開啟與關閉，調節排沙流量，當進沙孔上部淤積一定厚度的泥沙以后 開啟出口閥排沙，調節出口流量，滿足樹杈結構多級管道內設計流速的要求。
【文檔編號】E02B8/00GK106087848SQ201610585918
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月22日 公開號201610585918.6, CN 106087848 A, CN 106087848A, CN 201610585918, CN-A-106087848, CN106087848 A, CN106087848A, CN201610585918, CN201610585918.6
【發明人】王興奎
【申請人】王興奎