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摘要：針對(duì)臺(tái)州電廠循環(huán)水泵前池各種可能的改造方案進(jìn)行了模型試驗(yàn)，根據(jù)模型試驗(yàn)的結(jié)果確定了工程量小、可明顯改善循環(huán)水泵工作條件的改造方案．試驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)椒江泥沙特點(diǎn)所確定的泥沙運(yùn)動(dòng)相似條件及所選擇的模型沙是合理的，所取得的試驗(yàn)成果對(duì)工程設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義．

關(guān)鍵詞：電廠，循環(huán)水泵前池；泥沙淤積，模型試驗(yàn)

臺(tái)州電廠位于浙江省椒江市前所鎮(zhèn)東側(cè)，南鄰椒江，自1980年籌建以來，已分別完成了四期工程，是浙江東部沿海的一個(gè)重要電力中心．但臺(tái)州電廠取水口受到自然條件限制采用明渠引水，由于進(jìn)水量不足、水質(zhì)差致使一、二期工程循環(huán)水泵前池淤積嚴(yán)重，低潮位時(shí)，水泵運(yùn)行不正常，效率低．鑒于此，有必要對(duì)一、二期工程循環(huán)水泵前池進(jìn)行改造，以改善水流條件，減少淤積，增加進(jìn)水量，保證循環(huán)水泵在各種條件下都能正常工作．

為了尋求合理的前池改造方案，使其泥沙淤積不影響循環(huán)水泵的正常工作，同時(shí)又盡可能地減少改造工程量，試驗(yàn)中選擇了四種可能的改造方案：①將一、二期工程前池與三期工程前池隔墻部分拆除；②將一、二期工程前池與三期工程前池隔墻全部拆除；③在一、二期工程前池增開新的進(jìn)水口；④既拆除一、二期工程前池與三期工程前池隔墻，同時(shí)又在一、二期工程前池增開新的進(jìn)水口．

試驗(yàn)分清水和渾水（泥沙淤積）試驗(yàn)兩個(gè)階段．通過清水試驗(yàn)觀測(cè)以上各種可能的改造方案的水流流態(tài)，量測(cè)前池內(nèi)各主要部位的流速分布，籍此分析進(jìn)水流道及前池中可能的泥沙淤積情況，選擇出較為合理的前池改造方案；對(duì)清水試驗(yàn)初步選定的改造方案進(jìn)行渾水（泥沙淤積）試驗(yàn)，以確定各進(jìn)水流道及前池中各部位的淤積情況，確定達(dá)到淤積平衡的時(shí)間和淤積量，以檢驗(yàn)改造方案的合理性．

1模型設(shè)計(jì)

1．1模型律及模型比尺

根據(jù)循環(huán)水泵前池的布置及尺寸，試驗(yàn)采用長(zhǎng)度比尺為15的幾何正態(tài)模型，即：，模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)．由長(zhǎng)度比尺可推求其他參數(shù)比尺：流量比尺；流速比尺λv＝；壓力比尺λp＝λl＝15；水流時(shí)間比尺λt1＝

1．2泥沙運(yùn)動(dòng)相似條件及模型沙選擇

椒江河段泥沙以海域來沙為主，流域來沙較少，懸沙濃度高，平均含沙量在4～8kg／m3，在取水口處的淤積主要由懸沙沉積所致．

在用模型研究懸沙運(yùn)動(dòng)問題時(shí)，為了使流道中泥沙的淤積相似，模型沙的選擇應(yīng)使其符合沉降相似條件，其沉降速度比尺：

式中為模型沙浮容重比尺．

為了使模型與原型懸沙運(yùn)動(dòng)相似，還必須滿足揚(yáng)動(dòng)相似，根據(jù)沙玉清［1］的研究，當(dāng)泥沙粒徑d≤0．08mm時(shí)，其揚(yáng)動(dòng)流速小于起動(dòng)流速，即床面泥沙一旦被起動(dòng)，就浮于水中，成為懸移質(zhì)泥沙．為了滿足淤積量和淤積部位相似，模型主要應(yīng)滿足沉降相似和水流挾沙能力相似．

挾沙能力比尺要求與含沙量比尺相等，即

式中：為挾沙量比尺；λs為含沙量比尺；λγs為泥沙容重比尺．

根據(jù)上述懸沙運(yùn)動(dòng)相似條件，選擇電木粉為模型沙，電木粉的沙粒容重為15kN／m3，淤積干容重為5kN／m3，天然沙淤積干容重約為12kN／m3，天然沙容重約為26．5kN／m3，故干容重比尺λγ0＝2．4．

由1993年12月實(shí)測(cè)水文資料，懸沙中值粒徑多在0．01～0．02mm內(nèi)，取水口附近淤積物中值粒徑約為0．02mm，泥沙顆粒中較細(xì)部分，沉降速度小，在取水明渠內(nèi)不易沉積下來，在達(dá)到淤積平衡狀態(tài)時(shí)，取水口內(nèi)的淤積主要由較粗顆粒泥沙組成．

由原型沙的級(jí)配曲線確定選用原型沙的中值粒徑d50為0．02mm，由式（2）所給的懸沙粒徑比尺λd＝1．08．于是可得模型沙的中值粒徑為0．0185mm，其他相應(yīng)的挾沙能力比尺和沖淤時(shí)間比尺分別為

考慮到在高潮位時(shí)淤積的泥沙在低潮位時(shí)有可能被沖起，故所選的模型沙應(yīng)滿足起動(dòng)相似，即起動(dòng)流速比尺應(yīng)等于流速比尺：λvk＝λv＝3．87．

原型沙和模型沙（電木粉）的起動(dòng)流速均采用竇國(guó)仁公式［2］計(jì)算：

式中：vk為起動(dòng)流速，cm／s；h為水深，cm；Δ為床面泥沙顆粒的粗糙高度，cm；εk為粘結(jié)力參數(shù)，cm3／s2，原型沙εk＝2．56cm3／s2，電木粉εk＝0．2cm3／s2；δ為薄膜水厚度，cm，δ＝0．21×10－4cm；d為泥沙的粒徑，mm．

式（4）計(jì)算的天然沙和模型沙的起動(dòng)流速見表1，起動(dòng)流速比尺與模型律所要求的流速比尺基本一致．

2試驗(yàn)成果及分析

2．1改造方案的確定

在試驗(yàn)中分別在平均高潮位（▽4．27m）和保證率97％低潮位（▽－0．88m）情況下選擇了兩種較為典型的水泵運(yùn)行組合，對(duì)各種改造方案及改造前的前池流速場(chǎng)進(jìn)行了量測(cè)．實(shí)測(cè)結(jié)果表明，平均高潮位與保證率97％低潮位情況下，改造前的前池中的水流流速差別較大，對(duì)于下層水流而言，最大流速值分別為0．52m／s和1．49m／s．而不同的水泵運(yùn)行組合對(duì)前池中的流速分布只會(huì)造成局部影響，對(duì)整體影響不是很大．這也說明，不同的水泵運(yùn)行組合對(duì)前池中泥沙的淤積分布會(huì)造成一定的影響，但對(duì)總的淤積量的影響不會(huì)太大．

比較各改造方案的流場(chǎng)，雖然不同程度上對(duì)現(xiàn)有的淤積情況都有所改善，但有些方案還會(huì)造成新的淤積或因工程量大影響發(fā)電等．綜合比較將一、二期前池與三期前池隔墻部分拆除，即將與前池底寬相同的隔墻從上到下拆除，保留前池邊坡上的部分隔墻．從工程施工角度看此方案的改造工程量最?。?/p>

圖1分別為平均高潮位時(shí)，前池上層水流的流速分布矢量圖．隔墻部分拆除后的流場(chǎng)與原流場(chǎng)相比，并無明顯的變化．對(duì)于底層的水流而言，在1號(hào)和9號(hào)循環(huán)水泵流道前隔墻附近區(qū)域，原方案中的流速較低，淤積嚴(yán)重，但在部分拆除隔墻以后，該區(qū)域的流速明顯加大，在保證率97％低潮位情況下，由原來的0．076m／s提高到0．29m／s．對(duì)于改善三期前池在1號(hào)和2號(hào)泵前的淤積以及1號(hào)和2號(hào)泵在低潮位時(shí)的搶水現(xiàn)象有明顯的作用．

由于一、二期前池與三期前池相連通，這樣造成兩條進(jìn)水明渠的流量重新分配，一、二期明渠的流量相對(duì)減小，而三期明渠的進(jìn)水量則增加，它一部分仍用于供應(yīng)8號(hào)和9號(hào)泵，另一部分則用于補(bǔ)充1號(hào)和2號(hào)泵的取水量，可解決1號(hào)和2號(hào)泵同時(shí)運(yùn)行·53·

時(shí)的水量不足問題．

2．2泥沙淤積

為了驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)及模型沙的相似比尺是否選擇得當(dāng)，通過對(duì)改造方案前的模型進(jìn)行了實(shí)際放水驗(yàn)證，其淤積平衡時(shí)間和淤積部位與臺(tái)州電廠1999年10月前池淤積的實(shí)測(cè)結(jié)果相比，基本上是一致的．說明模型設(shè)計(jì)及模型沙的選擇是合理的．

圖2為1號(hào)、4號(hào)和9號(hào)泵停機(jī)，2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)和8號(hào)泵運(yùn)行43h（相當(dāng)原型30d左右），改造方案前池內(nèi)淤積達(dá)到基本平衡后的泥沙淤積三維分布圖．

從實(shí)測(cè)結(jié)果看，前池中泥沙主要淤積的區(qū)域在一、二期與三期前池之間的隔墻附近，最大淤積厚度達(dá)到1．75m，位于三期前池明渠進(jìn)口擴(kuò)散段右側(cè)（順明渠水流方向，下同），另一個(gè)淤積相對(duì)集中的區(qū)域?yàn)橐?、二期前池進(jìn)水明渠擴(kuò)散段的左側(cè)．顯然淤積較多的區(qū)域都位于停止運(yùn)行的水泵流道進(jìn)口前的部位．比較圖1（b）與圖2，不難發(fā)現(xiàn)，兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系是明顯的，流速值相對(duì)較小的區(qū)域，泥沙的淤積量就較多，流速值小于0．25m／s的區(qū)域，泥沙的淤積厚度多在1．5m以上．

雖然該改造方案不能消除淤積現(xiàn)象，但對(duì)重點(diǎn)部位的淤積程度可起到明顯的減輕作用，隔墻附近的淤積厚度改造后減小約0．7m．尤其是1號(hào)和2號(hào)泵前的淤積狀況有明顯的改善．

3結(jié)語(yǔ)

a．對(duì)于臺(tái)州電廠的各種改造方案，要完全避免淤積都是不可能的，只能從中選擇不會(huì)影響循環(huán)水泵正常運(yùn)行的淤積且改造工程量小而又便于施工的方案．

b．驗(yàn)證試驗(yàn)表明，在滿足水流和泥沙相似率的前提下，根據(jù)臺(tái)州電廠循環(huán)水泵和前池淤積是由懸移質(zhì)引起的特點(diǎn)，所確定的模型律和模型沙的選擇是合理的．

c．試驗(yàn)所確定的將一、二期工程前池與三期工程前池部分連通的改造方案對(duì)改善原前池中主要淤積部位的淤積有明顯的作用．

參考文獻(xiàn)：

［1］沙玉清．泥沙運(yùn)動(dòng)學(xué)引論［M］．北京：中國(guó)工業(yè)出版社，1965．

［2］竇國(guó)仁．全沙模型相似律及設(shè)計(jì)實(shí)例［J］．水利水運(yùn)科技情報(bào)，1977