一种多砂石河流上的水电站枢纽拦石透水导砂方法及装置与流程

本发明涉及一种多砂石河流上的水电站枢纽拦石透水导砂方法及装置，属于水利水电工程技术领域。

背景技术：

对于高山峡谷区的河流，河道纵坡较陡，泥砂含量丰富，多为推移质，两岸边坡岩体崩塌后易形成规模较大的大粒径固体径流。通常此类多砂石河流上的水电站首部枢纽布置由进水口、冲砂闸、溢流堰(泄水建筑物)及连接坝段等建筑物组成。其中冲砂闸紧靠进水口布置，排泄颗粒较小的推移质泥砂，使进水口做到“门前清”。

在现有技术中，由四川希望深蓝电力有限公司申请的发明专利(100465381a)公开了一种水电站引水渠排砂构造系统，由主河道拦水坝、分水堤、引水堤、右侧河堤、引水道、引水闸、冲砂道、冲砂闸、主河道拦砂堰、沉砂槽、冲砂盖板、引砂盖板组成。分水堤、引水堤将河道分为主河道、冲砂道和引水道。引水闸和冲砂闸的上游一侧有l形沉砂槽，沉砂槽的一端起始右侧河堤，并与引水闸的方向平行设置，其槽底从右侧河堤的起始端起逐渐向左端倾斜加深，与引水闸平行设置的沉砂槽段上面间隔固定有引砂盖板；沉砂槽的左端，结束于分水堤与冲砂闸处，形成l形沉砂槽，其槽底向冲砂闸倾斜加深，通向冲砂闸的沉砂槽段上面固定有冲砂盖板。该系统排砂干净、彻底，实现排砂自动化。

又有，由中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司申请的发明专利(105019414b)公开了一种山区水电工程狭窄取水口用复合闸室结构，该方案是将现有技术中弧形结构的冲砂闸室修改为深孔平板冲砂闸室系统，然后再直接在所述的深孔平板冲砂闸室系统的顶部设置有排污溢流堰，从而通过一套闸室体系统，底部实现排砂，顶部实现排污的双重功能，达到显著降低建设成本的目的。同时由于无需大量的增加开挖工作，而且在闸室结构上，将原来制作、安装以及坝体基础修建都较为复杂的弧型闸室系统，改设为制作、安装以及坝体修建都较为简单的平板闸室系统。

另外，由四川金原工程勘察设计有限责任公司申请的发明专利(107842000a)公开了一种自动冲砂装置，予以解决现有技术中人工冲砂成本高难度大的问题，其包括淤砂集砂池和冲砂管，淤砂集砂池中设置有沉砂板，沉砂板一端设置有配重，淤砂集砂池一侧设置有冲砂闸控制水箱，淤砂集砂池与冲砂闸控制水箱连接的侧壁上设置有进水孔及进水阀，进水阀上连接有进水阀控制臂，进水阀控制臂沿进水孔轴线方向滑动设置，冲砂闸控制水箱底部转动设置有放水阀控制臂，冲砂闸控制水箱中设置有浮漂，冲砂管上设置有冲砂闸。其技术原理主要是将该自动冲砂装置布置在河道旁边取水设施的下游或取水设备上未被淹没的地方，淤砂逐渐沉积在沉砂板上，随着沉积的淤砂数量的增多，淤砂对沉砂板的重力越来越大，当其重力增大至一定程度时，沉砂板转动并带动第一转动轴转动，第一转动轴在第一连杆机构的作用下带动进水阀控制臂滑动使得进水阀远离进水孔，且此时进水阀控制臂与斜面机构分离使得放水阀控制臂在自身重力作用下驱动放水阀靠近放水孔运动并将放水孔密封，水从进水孔进入冲砂闸控制水箱使其内部水位上升，浮漂随之上升，并通过第二连杆机构带动冲砂闸远离冲砂管运动，冲砂管中的水流入淤砂集砂池内对其内部沉积的淤砂进行冲刷，减小泥沙堵塞下游配水管道的概率。

由中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司申请的实用新型专利(209025056u)也对这方面提出了一种排漂闸与冲砂闸结合结构，在闸孔中部设置有溢流堰，溢流堰的堰顶溢流通道为排漂通道，排漂通道设置排漂闸；溢流堰底部与闸底板之间通道为冲砂通道，冲砂通道设置冲砂闸。溢流堰为混凝土结构。闸孔在溢流堰的上游一侧设置有检修闸。该方案通过将排漂闸与冲砂闸在竖直方向结合布置的结构方式，缩短了排漂闸与冲砂闸总宽度，有利于枢纽布置。

然而，以上现有技术均未考虑到以下问题：在该类高山峡谷区的河流，不仅泥砂含量丰富，同时也存在一定数量的较大的块石，该类块石易淤堵在冲砂闸和进水口前，导致水电站进水流量减少，甚至完全堵死进水口，造成机组经常停机，无法正常使用，减少水电站发电效益和使用年限，且块石对冲砂闸和进水口等结构造成撞击破坏，威胁建筑物安全。多个实际工程案例表明，在此类水电站枢纽运行管理工作中，需耗费大量人力物力清理块石堆积物，维修损坏的冲砂闸及进水口等建筑物，大大影响发电效益。所以，对于多砂石河流上的水电站工程，现有的枢纽布置方式还存在不足，有待进一步完善。

技术实现要素：

本发明的目的在于为弥补现有技术的不足，提供一种多砂石河流上的水电站枢纽布置方式及拦石透水导砂装置。

本发明是这样实现的：

一种多砂石河流上的水电站枢纽拦石透水导砂方法，该方法是在冲砂闸与溢流堰之间设拦石透水导砂墙，将较大粒径的块石拦导在溢流堰一侧，在水动力作用下排泄至下游，水和泥沙穿过该拦石透水导砂墙，泥沙通过冲砂闸排泄至下游，水流通过进水口进入引水发电系统，从而实现对河道水流中石、砂、水的疏导分隔，使石、砂、水各行其道。其中，前述的拦石透水导砂墙平面轴线顺河势呈弧线布置，起点接冲砂闸与溢流堰之间的隔墩前缘，终点至河道岸坡，对进水口和冲砂闸形成拦石保护屏障。

枢纽布置方式为：根据河势及地形地质条件布置进水口、冲砂闸、溢流堰或泄水建筑物及连接坝段，在冲砂闸与溢流堰之间设拦石透水导砂墙；溢流堰(1)堰顶高程与正常蓄水位平齐h1，冲砂闸孔口底高程与原河床平齐h2，进水口底高程h3介于两者之间取h2+(0.2～0.4)×(h1-h2)，拦石透水导砂墙墙顶高于溢流堰堰顶高程0.5m～1.0m。

采用该方法形成的多砂石河流上的水电站枢纽拦石透水导砂装置，包括溢流堰、冲砂闸、进水口及连接坝段，在冲砂闸与溢流堰之间设拦石透水导砂墙，前述的拦石透水导砂墙平面轴线顺河势呈弧线布置，起点接冲砂闸与溢流堰之间的隔墩前缘，终点至河道岸坡；前述的拦石透水导砂墙的墙体结构包括墙体基础和墙身，其中墙体基础采用大体积混凝土结构，墙身采用高强度抗冲耐磨钢筋混凝土结构，在墙身靠近溢流堰一侧设有护面钢板及吸能橡胶垫板，在墙身上布置有透水进砂孔、拦石格栅一和拦石格栅二；其中，透水进砂孔采用圆孔或矩形孔，依孔径大小相间布置，或者呈多列纵列平行布置；前述的拦石格栅一为多格方框结构，设置于墙身上部并位于透水进砂孔上方，前述的拦石格栅二为田字格结构，按纵列与透水进砂孔相间布置，或者布置于透水进砂孔内；前述的拦石格栅一和拦石格栅二的框格结构采用型钢构成。

作为一种优选方案，前述的透水进砂孔的下部孔口小于上部孔口，其中，矩形孔孔口宽1m～1.5m，高0.8～1.2m，圆孔直径0.1～0.3m；前述的拦石格栅一和前述的拦石格栅二的格栅孔尺寸小于0.1m×0.1m；在墙身上透水进砂孔、拦石格栅一和拦石格栅二的孔口总面积s大于进水口面积s1及冲砂闸过水面积s2之和的2倍，即s＞2(s1+s2)。

作为一种优选方案，前述的墙体基础两侧均设计为斜面，坡度1:0.2～1:0.75。

作为一种优选方案，前述的透水进砂孔的孔口边缘采用弧线，孔身为斜坡，坡度5％～10％。

作为一种优选方案，前述的护面钢板设置在墙身面层，前述的护面钢板采用锚筋锚固在墙身混凝土里并与墙体钢筋焊接，前述的护面钢板与混凝土之间设置吸能橡胶垫板以吸收消减部分砂石撞击能量；前述的护面钢板、吸能橡胶垫板及墙面之间采用密封胶粘结。

作为一种优选方案，前述的冲砂闸冲砂排砂时形成的冲刷漏斗坡度为1:3～1:7，电站进水口布置在冲刷漏斗范围之内。

与现有常规技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)充分发挥枢纽各建筑物功能，提高枢纽运行安全可靠度。本发明枢纽布置方式实现对河道水流中石、砂、水的疏导分隔，使石、砂、水各行其道。拦石透水导砂墙采用高强度混凝土结构，面层设置吸能防撞设施，具有较强的抗撞击破坏能力，在冲沙闸和进水口前形成一道防护屏障，保护冲沙闸和进水口避免大块石直接撞击，提高了枢纽建筑物及运行安全可靠度。

(2)减轻砂石对进水口的影响，保证发电取水质量，提高发电效益。通过本技术方案，可大大减少因进水口淤堵而导致电站无法正常发电的情况。避免为了经常清理维护进水口或检修机组而停机，有效保证发电利用小时数，提高发电效益。

(3)通过该技术方案，降低维护难度，减少停机维修频次，降低管理人员工作强度，利于枢纽运行管理，减少维护费用。

附图说明

图1是本发明枢纽总体平面布置图；

图2是枢纽布置上游立视图；

图3是拦石透水导砂墙立面图一；

图4是拦石透水导砂墙立面图二；

图5是拦石透水导砂墙侧面图一；

图6是拦石透水导砂墙侧面图二；

图7是透水导砂孔局部大样；

图8是护面钢板做法大样。

图9为本发明的一种立体结构示意图。

附图标记说明：1-溢流堰、2-冲砂闸、3-进水口、4-连接坝段、5-拦石透水导砂墙、6-透水进砂孔、7-墙体基础、8-护面钢板、9-拦石格栅一、10-吸能橡胶垫板、11-锚筋，12-墙身，13-拦石格栅二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明是这样实施的：

如图1和图2所示，本发明的枢纽布置方式为：根据河势及地形地质条件布置进水口3、冲砂闸2、溢流堰1(或者其它泄水建筑物泄水闸孔、、泄洪洞等)及连接坝段4，在冲砂闸2与溢流堰1之间设拦石透水导砂墙5。溢流堰1堰顶高程与正常蓄水位平齐(h1)，冲砂闸2孔口底高程与原河床平齐(h2)，进水口3底高程(h3)介于两者之间取h2+(0.2～0.4)×(h1-h2)，拦石透水导砂墙5墙顶高于溢流堰1堰顶高程0.5m～1.0m。该布置方式实现对河道水流中石、砂、水的疏导分隔，使石、砂、水各行其道。本发明的关键设施是在冲砂闸2与溢流堰1之间设拦石透水导砂墙5，将较大粒径的块石拦导在溢流堰1一侧，在水动力作用下排泄至下游，水和泥沙可以穿过该设施，泥沙通过冲砂闸2排泄至下游，水流通过进水口3进入引水发电系统。

从图1可以看出，该拦石透水导砂墙5布置于溢流堰1与冲砂闸2之间，平面轴线顺河势呈弧线布置，起点接冲砂闸与溢流堰之间的隔墩前缘，终点至河道岸坡，偏转角α取10°～30°，转折段采用抛物线或圆弧线平顺过渡，对冲砂闸2和进水口3形成一道防护屏障。实现将较大块石拦导在溢流堰1一侧，在水动力作用下排泄至下游。

如图3、4、5、6所示，拦石透水导砂墙5平面轴线顺河势呈弧线布置，起点接冲砂闸2与溢流堰1之间的隔墩前缘，终点至河道岸坡，对进水口3和冲砂闸2形成拦石保护屏障。拦石透水导砂墙5的墙体结构包括墙体基础7、墙身12、透水进砂孔6、拦石格栅一9、拦石格栅二13、护面钢板8及吸能橡胶垫板10。其中墙体基础7采用大体积混凝土结构，墙身12采用高强度抗冲耐磨钢筋混凝土结构，为防止块石撞击破坏，靠近溢流堰1一侧采用护面钢板8及吸能橡胶垫板10。墙身12布置大小相间的透水进砂孔6，透水进砂孔6内部或周边以及墙顶布置拦石格栅一9和拦石格栅二13。

如图5和图6所展示了两种拦石透水导砂墙5结构示意图，其中墙体下部为墙体基础7，采用普通混凝土结构，上部墙身12采用高强度抗冲耐磨钢筋混凝土结构，墙身12设置透水进砂孔6，墙身12面层设置护面钢板8及吸能橡胶垫板10，防止石块撞击破坏。因大粒径推移质基本位于河床下部，对于墙身12的透水进砂孔6，下部孔口宜小一些，以达到拦石效果，上部孔口宜大一些，便于透水过砂，矩形孔(包括两种拦石格栅)孔口宽1m～1.5m，高0.8～1.2m，圆孔直径0.1～0.3m。透水进砂孔6及墙顶布置拦石格栅，拦挡漂石，利于进水，格栅孔尺寸一般小于0.1m×0.1m。其中墙身12的透水进砂孔6和格栅孔的孔口总面积s大于进水口3面积(s1)及冲砂闸2过水面积(s2)之和的2倍，即s＞2(s1+s2)。如图3和图4所示，墙体基础7两侧均设计为斜面，坡度1:0.2～1:0.75，有利于墙体稳定及对砂石形成侧向力，促使其向冲砂闸2孔口移动。具体孔口的详细尺寸，可以结合具体工程河道上的泥砂研究成果进行调整。

如图7和图8所示，墙身12上的透水进砂孔6孔口边缘宜采用弧线，避免棱角受砂石撞击破坏。孔身为斜坡，坡度5％～10％，利于砂石滚落。护面钢板8采用锚筋11锚固在墙身12混凝土里并与墙体钢筋焊接，护面钢板8与混凝土之间设置吸能橡胶垫板10，吸收消减部分砂石撞击能量，保护墙身12混凝土结构，护面钢板8、吸能橡胶垫板10及混凝土墙面之间采用密封胶粘结。

枢纽各个建筑物高程为：溢流堰1堰顶高程(h1)与正常蓄水位平齐最高，冲砂闸2孔底高程(h2)最低，进水口3高程介于两者之间取h2+(0.2～0.4)×(h1-h2)，墙身12的透水进砂孔6(h3)最低孔底高程低于进水口3高程(h3)，高于冲砂闸2孔底高程(h2)。冲砂闸2冲砂排砂时形成的冲刷漏斗坡度1:3～1:7左右，电站进水口3需布置在冲刷漏斗范围之内，保证做到进水口“门前清”。

具体实施时，先根据河势及地形地质条件确定枢纽总体平面布置方式，合理布置拦石透水导砂墙5轴线。枢纽建筑物混凝土结构施工均为常规方法，实施拦石透水导砂墙5墙体时，先开挖形成基坑，浇筑下部墙体基础7混凝土，上部墙身12采用高强度抗冲耐磨钢筋混凝土结构，与下部墙体基础7浇筑成一体，预埋护面钢板8的锚筋11，与墙身12的结构钢筋焊接，施工结构混凝土后安装护面钢板8及吸能橡胶垫板10。在施工墙身12的透水导砂孔6时，孔身采用斜坡式体型，边缘处为弧面，护面钢板8与混凝土结构之间采用吸能橡胶垫板10，吸收消减砂石撞击能量。护面钢板8与吸能橡胶垫板10及墙面间采用密封胶粘结。完成布置的整体立体结构如图9所示。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。