杜尔哈斯提水电站盆地清淤项目
摘要 杜尔哈斯提水电站项目位于喜马拉雅山脉较低的地区，位于一条携带大量泥沙的河流上，特别是在高流量季节（季风期），包括一个较小的蓄水能力（活蓄水和死蓄水）。由于这些特殊性，最有必要清理大部分通常由石英制成的较粗颗粒。为了实现这一目标，并清理90%以上大于0.3 mm的颗粒，在进一步利用水力模型试验检查和开发理论方法的基础上，设计了地下沉沙池。后者表明，设计流量为123 msup3;/s，240 m离子池配有48 m扩散器，横截面积为170 msup2;，可较好的满足要求。
介绍 1989年10月，一个由法国公司组成的财团被授予印度国家水力发电公司（NHPC）杜尔哈斯提水力发电计划的设计、施工和调试权，印度政府是该项目的所有者。
工程咨询公司科因和贝利尔与印度国家水力发电公司密切合作，负责项目的工程方面（审查初步设计，起草详细和最终设计）。
该计划的装机容量为390兆瓦，一旦投入使用，将成为查谟和克什米尔州最大的水力发电计划之一。该项目位于基纳布河畔，靠近喜马拉雅山脉较低山脉的基什特瓦市。通过修建65米高的混凝土导流坝、10.6公里长的引水隧道（带进水口、沉沙池）和地下厂房综合体以及其他相关工程（图1），可在基什特瓦市周围的河圈上开发236 m的水头。本项目的完整描述已由宾奎特和迪瓦蒂娅提出。
项目所在地的河流在融雪和汛期的泥沙量非常高。沉积物的矿物学成分表明存在石英颗粒，其中较粗的部分（由于其固有硬度）如果允许进入输水系统，将对机器的转轮、导叶和其他液压部件造成严重损坏。
因此，计划将沉沙池系统作为上游地下工程综合体的一部分。由于山区地形，沉沙池系统被布置为地下综合设施，由两个大型双室组成，每个室输送一半的总流量。这种类型的沉沙池最初由瑞士工程师H.Dufour（1943、1951、1954）提出，这种类型的工程已在欧洲、美国和印度以及世界其他地方进行了建造。
发电设计流量213 msup3;/s，每个沉沙室设计流量122.5 msup3;/s，其中106.5 msup3;/s用于发电，16 msup3;/s用于冲沙系统。
1060米长的淤泥冲刷隧道将截留的沉积物带回大坝下游约1100米处的河流中。沉沙池综合设施包括各种服务廊道和竖井，以方便操作和检查沉沙池和相关工程。图2显示了这些上游工程的布局。
这些结构的工程和设计涉及从理论上考虑的初步尺寸，以及对流域大小的充分性和优化的最终确认，以及通过对水力模型的观察详细说明淤泥排除部分的安排。最后，研究还涉及了系统在不损失大量水的情况下，特别是在枯水期的最佳运行问题。本文较详细地讨论了上述方面的研究，以及从水力模型研究中取得的改进。
水文沉积
基纳布河发源于喜马拉雅山脉海拔约4900米的拉胡尔/斯皮提地区;坝址处河床高程约为1200，平均河床坡度I为80。坝址处的河流集水区面积为10500平方公里，其中70%处于永久积雪之下。每年11月至3月，即枯水期，河流量在50至500立方米/秒之间，6月至8月，即汛期，流量在600至3000立方米/秒之间。溢洪道设计洪水已确定为8000 m3/s。
低流量时期河水非常清澈，含沙量非常小，浓度小于200ppm。融雪和洪水期间,河流的输沙量很高,和估计的平均总搬运期间每年大约有17000000立方米bull;融雪/洪水期间正常的泥沙浓度范围在700 - 1500 ppm,而沉积物负荷高峰期间洪水可能达到一个高水平的50000 ppm。在设计时，考虑到水流的两个不同阶段，在贫季时采用间歇冲洗，在季候时采用连续冲洗，以确保清泥池的最佳性能。 图1 项目平面图
图二 上上游工程平面图
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颗粒直径 |
含沙量浓度 |
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平时 |
最大 |
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g/l |
% |
g/l |
% |
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2 |
3 |
4 |
5 |
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粗的 ＞0.2mm 中等 （＞0.075 ＜0.2） 细的 ＜0.075 总体 |
0.1239 |
18.2 |
0.2403 |
17.3 |
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0.2363 |
34.6 |
0.4075 |
29.3 |
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0.3222 |
47.2 |
0.7428 |
54.3 |
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0.6874 |
100 |
1.3906 |
100 |
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表1 含沙量的浓度和粒径
表1列出了设计和研究沉沙池系统所考虑的粗、中、细泥沙的典型总浓度、正常浓度和最大浓度
从矿物学角度来看，大多数悬浮泥沙颗粒在性质上是石英质的，表1表明，沉沙池中截留的泥沙只是较粗颗粒的一个主要部分，也是进入进水口或导水系统的总泥沙负荷中较小的一部分，以及其余部分将通过涡轮机，在尾水渠出口汇入河流。
关于进水口清淤的一般设计
大坝修建的水库位于一个狭窄的峡谷中，该峡谷向上游延伸约4.5 km，在整个水库水位之间的蓄水量非常有限（即约80万m3），并且最低水位也有限制。此外，预计在一个季节内，将填满低于最低水位约3000000立方米的有限固定库容。
为了使泥沙负荷最小限度地进入输水系统，溢洪道和进水口都进行了相应的设计。本设计的主要原则将在以下章节中讨论。
大坝低位孔式泄洪道
在大坝溢洪道块的波峰被控制在一个较低水平,和溢洪道包括四个孔类型的开口大小9.0 X 9.0,以清除在洪水输沙量,保持现场存储有效(见图3)。
进水口结构
引水隧洞的进水口结构位于靠近大坝的左岸，距离大坝轴线上游约230 m。已注意到进水口位于溢洪道水流清洗良好的区域。进水口结构为半圆形塔，宽30 m x长40 m，高52 m，布置在7.4 m马蹄形进水口隧道洞口前。塔架结构包括三层闸门开口（每个5.5 m x 7.0 m）。分别为1226.5、1242.0和1252.0，以便在汛期允许水库高水位的相对无泥沙水进入进水口竖井，并便于在枯水期运行至最低水位1238.9 m。在进水口仰拱处的最低闸门开口前面，上升形成顶部位于的撇渣墙，以避免推移质进入隧道（图3）。
清理盆地
除上述预防措施外，为了避免泥沙进入隧道，在进水口结构后立即在地下设置两个15.0 m宽、14.5 m高和240 m长的沉沙室，以解决进入进水口的泥沙荷载，并通过一个由1060 m长和4.5 x 4组成的冲洗系统将其冲洗干净。5 m尺寸的D型淤泥冲洗隧道。清淤室上游和下游的闸门井用于隔离和方便清淤室的检查和清洁。沉沙室的仰拱设有84个孔，尺寸为15-30cm（第一个孔除外，尺寸为0.5x 1.5m），孔沿长度变化（见表2），以便通过冲洗隧道清除沉淀的淤泥。水池下面的冲洗沟的尺寸从1.0 x 1.5 m到1.5 x 3.0 m不等。每个排水沟连接到一个直径为2.6 m的隧道，两个隧道交汇形成一个隧道。冲洗排水由1.2 m x 1.8 m弧形闸门控制。
图3 坝、溢洪道断面及一进水口
表2 盆和冲洗槽之间的孔的细节
表3 估计清淤室的长度
清理盆地系统水力设计
初步研究
沉沙池的设计标准是将直径大于0.3 mm（300 mu;）的沉积物保留在沉沙池中，然后冲洗掉90%以上的沉积物。
在印度国家水力发电公司进行的初步研究中，盆地的试验尺寸设定为300 m长，12.5 m宽x 14.5 m高。利用坎普（1946）建立的颗粒沉降准则，从理论上研究了不同粒径颗粒的沉降效率。引水隧道106 msup3;/s和冲洗系统16 msup3;/s的流量研究表明，0.30m m和0.25m m大小的泥沙颗粒的预计沉降效率分别为98%和87%。
随后，在法国财团执行项目期间，使用Sumer(1977)开发的方法进一步审查了除泥室的尺寸，因为Camp开发的标准没有考虑到wal1摩擦对盆地输沙的影响。本文研究了混凝土和喷射混凝土两种不同摩擦系数对除砂室总长度(包括过渡段)的影响，结果如表3所示。
本文研究了混凝土和喷射混凝土表面的两个替代摩擦系数对排沙室总长（包括过渡段）的影响，结果如表3所示。鉴于上述结果，决定对15.0米宽、14.5m高和300m长的喷射混凝土衬里沉沙池进行进一步的水封模型研究（图4）。
此外，对初步设计进行了以下修改，以改善泥沙清除和冲洗：
1使盆地底部漏斗的斜坡变陡。
2将冲洗流量增加至15 m3/s，以使冲洗系统中的最小速度达到3 m/s。
3通过一块带有开口的平板将冲洗排水沟的水流与沉沙池中的水流分开，以便在对沉积物沉降过程干扰最小的情况下冲洗沉积物。
图4 基线纵向剖析横截面
水力模型测试
研究的杜尔哈斯提项目水力模型研究，如下：
1 1987-88年，在印度普纳的中央水电站（CWPRS）（未出版的报告，1988年）。这些试验，使印度国家水力发电公司能够起草初步设计。
2 1990年，在Delft Hydraulics（DH）的基础上，De Long等人更详细地描述了修改后的设计。（1992）。
以下段落主要介绍在德尔夫特水力发电厂进行的研究，这些研究导致了沉沙池的最终设计。下文重点介绍了水资源保护实验室和卫生署实验室在技术方法上的一些差异。
代尔夫特水力模型研究
模型研究的目的是优化流域长度，以达到设计标准（保留在流域中，然后冲洗直径大于0.3 mm的沉积物的90%以上），审查CWPRS提出的冲洗布置的初步设计（仰拱开口的间距和尺寸）。对连续和不连续冲洗进行研究，从而提出操作建议，特别是在低流量期间。
模型尺度与模型设计
为了减小尺度效应，决定在模型中使用原型泥沙材料。因此，由于几何因素的考虑，水流速度与落差速度之比（u/w，）的比例因子必须等于1。这种情况，并使用模型中的原型泥沙，导致需要统一的速度比例因子（nu）。此外，泥沙颗粒处于悬浮状态，需要有适当的浓度分布。根据Rouse（1937年），该浓度分布可通过以下方程式描述：
其中Cb =参考点y = b处的浓度; h =总流动深度;delta;c =模型和原型中浓度较高的影响因素
K = Von Karman常数 采用几何相似模型(长度因子nl = 30)，在此条件下，将得到满意的浓度剖面
计算出这个条件，得到浓度尺度因子(nc)等于单位(nc = 1)。这种比例关系nc = 1要求原型和模型的粗糙度系数相同。
在模型中，采用光滑材料（有机玻璃和漆胶合板），并考虑到底面沉积物的粗糙度，得到了65的Chezy值。这种较低的chezy值或较大的粗糙度导致模型上相对较高的沙丘，这是安全的一面。
由于非常细的材料很难被捕获，因此模型中仅使用了DSO=0.3 mm的大于0.075 mm的颗粒的筛曲线来定量评估性能。因此，我们检查了较粗材料的使用对模型的床层厚度没有显著影响。
考虑到模型本身的设计，图5说明了所采用的布置：模型中的水和泥沙输送发生在配备泵的封闭系统中。
图 5 使用封闭系统建立模型
进气隧洞与除砂池(扩压器)的过渡
为了优化泥沙沉降过程的效率，必须在整个沉沙池的横截面和长度上实现水流条件的近似均匀分布。分流1:4.2的20 m过渡段长度将导致水流分离，并在更长的长度上将扰动条件引入沉沙室，改为分流1:10的47.5 m过渡段，这对于优化沉沙池尺寸更为有利。
连续冲洗调查结果
进水口含沙量(C)定义如下:
其中Q =流量;i =进气道;h =引水渠;和f =冲洗隧道。
对于大于0.3 mm 的物料，除砂池的整体效率定义为:
图6显示了300 m和240 m长的盆地的一些主要结果。
结果表明，在高浓度的情况下，效率较高。这是因为泥沙剖面在垂线下半部分的浓度相对较高，因此冲洗隧道中的泥沙浓度比引水隧道中的浓度增加更多。观察到，但没有测量到，即使浓度非常高（高达5000 ppm），效率仍会提高。
图6 连续冲洗时，水池的效率与进水浓度的关系
长度越短，
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资料编号：[1051]
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