水电站沉沙池设计大纲范本.docx

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水电站沉沙池设计大纲范本

FJD34080FJD

水利水电工程技术设计阶段

水电站沉沙池设计大纲范本



水利水电勘测设计标准化信息网

1998年11月

工程技术设计阶段

工程技术设计阶段

水电站沉沙池设计大纲

主编单位:

主编单位总工程师:

参编单位:

主要编写人员:

软件开发单位:

软件编写人员:

勘测设计研究院

年月

目录

1引言

2设计依据文件和规范

3设计基本资料

4沉沙池的布置

5设计内容和方法

6沉沙池结构设计

7观测设计

8沉沙池运行说明（必要时）

9工程量计算

10设计成果

1引言

工程位于省市（县）境内的河流上。

是以为主，兼顾等综合利用的水利水电枢纽工程。

本工程可行性研究报告于年月经审查通过。

选定坝址为，最大坝高ｍ，总库容亿ｍ3。

电站总装机容量ＭＷ，多年平均发电量亿ｋＷ·ｈ。



本河属泥沙河流，悬移质多年平均含沙量kg/m3，多年平均输沙量万t；汛期（月至月）多年平均含沙量kg/m3，多年平均输沙量万t。

汛期输沙量占全年输沙量的%。

悬移质泥沙矿物组成为、、、……，莫式硬度大于等于5的硬矿物占总量的％。

为减少过机含沙量，故设置沉沙池。

2设计依据文件和规范

2.1有关工程的设计文件

（1）工程可行性研究报告；

（2）工程可行性研究专题报告；

（3）工程可行性研究报告审批文件；

（4）工程沉沙池水力模型试验报告；

（5）与工程有关的文件或会议纪要等。



2.2主要设计规范

（1）ＧＢ50201－94防洪标准；

（2）SDJ12-78水利水电枢纽工程等级划分及设计标准和补充规定（山区、丘陵区部分）；

（3）SDJ20-78水工钢筋混凝土结构设计规范本①；

（4）DL5073-1997水工建筑物抗震设计规范；

（或SL203-97）

（5）ＧＢＪ204－83钢筋混凝土工程施工及验收规范；

（6）ＳＤＪ336－89混凝土大坝安全监测技术规范；

（7）ＳＬ42－92河流泥沙颗粒分析规程；

（8）ＳＤ134－84水工隧洞设计规范（试行）；

（9）DL5077-1997水工建筑物荷载设计规范。

①范本按SDJ20-78编写，如改用新规范DL/T5057-1996，则文中有关部分应作相应修改。



2.3参考规范

（1）水利水电工程沉沙池设计规范（待出版）；

（2）水利水电工程泥沙设计规范（待出版）。

3设计基本资料

提示：

根据工程有关指标，查ＧＢ50201－94和ＳＤＪ12－78确定。

3.1工程等别和建筑物级别

（1）工程等别

本工程为等工程。



（2）建筑物级别

根据工程等别，本电站沉沙池按级建筑物设计。



3.2地震烈度

（1）基本烈度

本工程地震烈度经国家地震局（或有关单位）鉴定为度。



（2）建筑物设计烈度

根据地震基本烈度，沉沙池的设计地震烈度为度。



3.3洪水标准

根据ＧＢ50201－94的规定，本工程：



（1）设计洪水重现期a，相应洪水流量ｍ3／ｓ；

（2）校核洪水重现期a，相应洪水流量ｍ3／ｓ。

3.4水位和流量

（1）各种水位与流量关系，见表1。



表1各种水位与流量关系

工况

水库水位m

大坝下泄流量m3/s

发电引用流量m3/s

大坝下游水位m

沉沙池排沙出口处水位,m

备注

校核洪水

设计洪水

水库正常蓄水

汛期限制水位

（2）坝址处天然河道水位流量关系曲线。



（3）沉沙池冲排沙道出口处天然河道的水位流量关系曲线。

（4）沉沙池发电正常水位与引用流量。

3.5气象资料

3.5.1气温

（1）多年平均气温℃；

（2）绝对最高气温℃；

（3）绝对最低气温℃；

（4）多年月平均气温，见表2。

表2多年月平均气温表单位：

℃

月份

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

多年月平均气温

3.5.2水温

多年月平均水温，见表3。



表3多年月平均水温表单位：

℃

月份

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

多年月平均水温

3.6河流悬移质含量、粒径级配、矿物组成

（1）坝址处，多年平均含沙量ｋｇ／ｍ3，多年平均输沙量万ｔ；汛期（6月～9月）多年平均含沙量ｋｇ／ｍ3，汛期多年平均输沙量万t。

汛期输沙量占全年输沙量的％。

（2）悬移质颗粒级配，见表4。



表4悬移质颗粒级配表

粒径，mm

0.007

0.010

0.025

0.05

0.10

0.25

0.5

1.0

小于某粒径之沙重百分数，%

（3）悬移质硬矿物含量。



悬移质矿物组成为、、……等，莫氏硬度大于和等于5的硬矿物主要为、、……等，占总量的％。

各粒径组矿物含量，见表5。

表5悬移质各粒径组硬矿物含量表

粒径，mm

<0.05

0.05～0.10

0.10～0.25

0.25～0.5

0.5～1.0

硬矿物含量，%

（4）过机年平均含沙量，见表6。



表6各代表年过机年平均含沙量表

代表年

丰水年

中水年

枯水年

平均

流量，m3/s

（发电引用流量）

含沙量，kg/m3

3.7河道污物及冰情资料

（1）污物资料。



提示：

冰情资料包括封冻期、流冰期及流冰大小、疏密程度，并结合气温资料分析沉沙池可能出现的冰情。

提示：

污物包括树枝、灌木、草根、枝叶、漂木、生活废弃物等。

搜集河道污物种类、大小和年内集中出现的时间。

（2）冰情资料。



3.8地形、地质资料

提示：

一般沉沙池设计需要比例不小于1／1000的地形图。

3.8.1地形图

3.8.2地质资料

（1）地质图。

提示：

地质图包括平面图和纵、横剖面图及钻孔柱状图等。

（2）围岩分类及其岩石物理力学指标，见表7。

表7围岩分类及其岩石物理力学指标

项目

单位

围岩类别

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

容重，γc

t/m3

弹性模量，E

GPa

变形模量，E0

Gpa

干抗压强度，Rc

Mpa

饱和抗压强度，RW

Mpa

凝聚力，C

kPa

内摩擦角，Φ

（°）

泊松比，μ

侧压力系数，λ

岩石坚固系数，f

单位弹性抗力系数，k0

MPa/cm

（3）永久和临时开挖边坡。

（4）水文地质资料。

提示：

包括地下水位分布范围、高程、洪枯变化、水质等。

3.9与沉沙池设计有关的工程设计参数

（1）沉沙池前、后引渠（输水道）水位；

（2）水电站工作水头、设计引用流量；

（3）引渠水流挟沙能力；

（4）水轮机型号、转速、过流部件的耐磨性能、抗磨防磨措施及效率系数、大修周期；

提示：

沉沙池运行与引水枢纽工程的运行，应协调一致。

根据沉沙池的设计条件，选定运行水位、入池流量、运用时间、以及冲洗水位、冲洗流量、冲洗设备启闭顺序、冲洗频率和历时等。

（5）沉沙池的运行方式；

提示：

根据水电站的额定水头，确定沉沙池设计的最小沉降粒径标准。

大于等于设计粒径的泥沙沉降率取80～85％。

（6）沉沙池泥沙沉降设计标准；

（7）沉沙池内水位：



正常运行时水位为ｍ；非常运行（考虑电站丢弃负荷时的涌水值）水位为ｍ。

（8）沉沙池内淤沙高程：

根据水力模型试验，选定沉沙池内的淤沙高程为ｍ，同时确定淤沙的饱和容重为ｋＮ／ｍ3，淤沙内摩擦角为度。

3.10材料特性及安全系数

3.10.1混凝土

（1）容重：

混凝土容重为ｋＮ／ｍ3；钢筋混凝土容重为ｋＮ／ｍ3。

（2）设计强度及弹性模量，见表8

表8混凝土的设计强度及弹性模量单位：

单位：

MPa

混凝土标号

设计强度

弹性模量

Eh

轴心抗压

Ra

弯曲抗压

Rw

抗拉

Rl

抗裂

Rf

（3）泊松比μ=。



（4）糙率：

ｎ＝。



3.10.2钢筋

钢筋的设计强度和弹性模量，见表9。



表9设计强度和弹性模量单位：

MPa

钢筋种类

符号

受拉钢筋设计强度

Rg

受压钢筋设计强度

R'g

弹性模量

Eg

Ⅰ级

Ⅱ级

III级

5号钢筋

3.10.3安全系数

（1）混凝土结构构件的强度安全系数，见表10。



表10混凝土结构构件的强度安全系数

建筑物级别

荷载组合

基本

特殊

按抗压强度计算的受压构件、局部承压

按抗拉强度计算的受压、受弯、受拉构件

（2）钢筋混凝土结构构件的强度安全系数，见表11。



表11钢筋混凝土结构构件的强度安全系数

建筑物级别

荷载组合

基本

特殊

轴心受压构件、偏心受压构件、局部承压、斜截面受剪、受扭

轴心受拉、受弯、偏心受拉构件

（3）钢筋混凝土结构构件抗裂安全系数，见表12。

表12钢筋混凝土结构构件抗裂安全系数

建筑物级别

轴心受拉、小偏心受拉构件

受弯、偏心受压、大偏心受拉构件

（4）裂缝开展宽度，允许值mm。



（5）沉沙池抗滑稳定安全系数，见表13。



表13沉沙池抗滑稳定安全系数

荷载组合

安全系数

基本组合

特殊组合

提示：

在可行性研究报告、沉沙池水力模型试验报告的基础上，根据设计报告审查意见、调整的枢纽布置或补充设计报告、新增加的基本资料等，对可行性设计提出的沉沙池布置及体型进行复核、修改，最终确定布置图。

然后分段、分部绘制技术设计阶段沉沙池布置结构详图（体型图）。

（6）沉沙池抗浮稳定安全系数K=。



4沉沙池的布置

5设计内容和方法

5.1沉沙池沉沙效率计算

提示：

粒径级的划分，应能控制颗粒级配曲线的线型，并应包含沉沙设计最小沉降粒径。

建议采用Φ分级法。

5.1.1悬移质泥沙沉速计算

（1）对粒径小于0.062mm部分采用沉降分析法、粒径大于0.062mm部分采用筛分析法所得悬移质颗粒级配，粒径级沉速可使用下列公式计算：

1）当粒径等于或小于0.062mm时

（1）

2）当粒径为0.062mm～2.0mm时

（2）

沉速判数

（3）

粒径判数

（4）

（5）

3）当粒径大于2.0mm时

（6）

式中：

ν——水的运动粘滞系数，cm2/s；

t——水温，℃；

d——泥沙粒径，mm；

ρs——泥沙密度，g/cm3；

ρω——清水密度，g/cm3；

ω——泥沙沉速，cm/s；

g——重力加速度，cm/s2。

当设计入池含沙量属高含沙范畴时，应考虑含沙量对沉速的影响，选用合适的公式对沉速进行修正。

（2）粒径组平均沉速应使用其上下限粒径沉速的几何平均值：

（7）

式中：

ωi——粒径组平均沉速，cm/s；

ωi——粒径组下限粒径沉速，cm/s；

ωi+1——粒径组上限粒径沉速，cm/s。

5.1.2沉降率计算

（1）沉沙池工作宽度或流量沿程变化时，应分段计算粒径组沉降率，然后按下式计算全池某粒径组沉降率：

（8）

式中：

ηi——i粒径组沉降率；

k——池段数，自上游向下游编号，k=1，2，3……n；

ηik——k池段，i粒径组沉降率，按式（9）计算。



（2）各粒径组悬移质沉降率按下式计算：



（9）

式中：

i——粒径组编号，按粒径由小到大顺序排列，i=1，2，……；

αi——恢复饱和系数，应参照水质和泥沙特性与设计工程相似的已建沉沙池实测资料确定；

ωi——粒径组平均沉速，m/s；

qk——池段单宽流量，m2/s；

Lk——池段长，m。

（3）大于i粒径级沉降率按下式计算：

（10）

式中：

l——第i粒径组下限粒径级编号，按粒径由大到小顺序排列，l=m，m-1，……2，1；

△Pi——入池悬移质第i粒径组的沙重百分数。



当取l=1时，则ηl为总沉降率η。

5.2定期冲洗式沉沙池淤积计算

（1）定期冲洗式沉沙池，设计冲洗周期内淤积体积可用下式计算：

（11）

式中：

Vs——淤积体体积，m3；

S0——设计冲洗周期内入池平均含沙量，kg/m3；

Q——沉沙池工作流量，m3/s；

η——总沉降率；

T——设计冲洗周期，s；

ρd——淤积物干密度，t/m3。

（2）当取T为一天的秒数时，式（11）中Vs为沉沙池内的日淤积体积，可按下式计算冲洗周期：

（12）

式中：

T——冲洗周期，d；

V0——设计淤积体积，m3。

5.3沉沙池排沙水力计算

5.3.1有压排沙水力学计算

（1）有压排沙道内不应出现淤堵，选定的冲沙流速Vc应大于临界冲沙流速，且不宜小于2.0m/s～2.5m/s。

矩形断面排沙道的临界冲沙流速可采用罗耶尔经验公式：

（13）

式中：

vk——临界冲沙流速，m/s；

E——常数，与廊道表面绝对糙度有关。

当Δ=0.001m时，E=66；当Δ=0.005m时（水泥敷面和混凝土建筑物），E=50；

ρm——廊道内浑水密度，t/m3。

园形断面临界冲沙流速可用克诺罗兹经验公式计算：

（14）

式中：

d75——泥沙粒径（m），廊道夹沙水流中，小于该粒径沙重占75%；

ω75——泥沙沉速（m/s），廊道夹沙水流中，小于该粒径沙重占75%；

Qc——冲沙流量，m3/s

Se——冲沙水流中的含沙量（kg/m3），可按公式（15）确定：

（15）

式中：

S0——沉沙池设计入池含沙量，kg/m3；

Q——沉沙池工作流量，m3/s。

（2）为保证沿沉沙池宽度方向冲沙能力均匀及有利于排沙，应保证各支廊道与主廊道交汇点处的水头损失相等；廊道总水头损失应小于上游水面与廊道出口处的水位差。

为便于计算，各条支廊道内流速宜采用同一值，用各支廊道的长度变化保证交汇点处的水头损失相等。

沿廊道长度的水头变化按下式计算：

（16）

（17）

式中：

Hl——计算断面的水头，m；

ΔZ——上游水面与廊道出口处的水位差，m；

ξ——局部水头损失系数总和；

L——廊道首端至计算断面长度，m；

n——糙率，n=0.017～0.0225，计算支廊道水头差时取0.0225，计算进水孔面积时取0.017。

（3）支廊道沿长度方向的截面积按下式计算：

（18）

（19）

式中：

A——支廊道断面面积，m2；

Ql——支廊道在计算断面处的流量，m3/s；

L——支廊道总长，m；

lc——支廊道首端至计算断面的长度，m；

Q0——支廊道首端的流量，可取等于廊道总流量的20%。

（4）支廊道进沙孔断面面积按下式计算：

（20）

式中：

A1——进沙孔断面面积，m2；

n0——进沙孔孔数；

θ——孔口轴线与水平面的倾斜角，（°）；

Φ——流量系数，可取Φ=0.75～0.85。

对百页窗式孔口可取0.75。

5.3.2无压排沙水力学计算

（1）无压排沙冲沙临界流速可按式（21）计算：

（21）

式中：

d75——泥沙粒径（m），在淤积物中，小于该粒径的沙重占75%；

ω75——泥沙沉速（m/s），在淤积物中，小于该粒径的沙重占75%；

h——冲沙时的平均水深，m；

Se——冲沙水流含沙量，可取20kg/m3～85kg/m3。

（2）单宽流量按式（22）计算：

q=（1.1～1.25）hvc（22）

（3）等速流冲沙时，冲沙厉时可按式（23）近似计算确定：

（23）

式中：

ΔT——冲沙厉时，s；

V——沉沙池的沉沙容积，m3；

B——池厢工作宽度，m。

6沉沙池结构设计

6.1稳定分析

提示：

选几个有代表性的断面进行稳定分析。

稳定分析包括抗滑稳定分析和抗浮稳定分析。

6.1.1抗滑稳定分析

（1）确定设计条件，包括运行工况、池内、外水位、地下水位、淤沙高程等；

（2）荷载及其组合：



设计情况：

自重＋池内水重＋淤沙重＋浮托力＋边墙外侧土压力和水压力

校核情况：

自重＋池内水重＋淤沙重＋浮托力＋边墙外侧土压力和水压力＋地震荷载

（3）抗滑稳定安全系数计算。



6.1.2抗浮稳定分析

（1）确定设计条件和各种水位、淤沙高程等；

（2）荷载及其组合：



自重＋池内水、沙重＋浮托力

（3）抗浮稳定安全系数计算。



6.2结构设计

6.2.1上、下游连接段及池身段边墙结构设计

提示：

首先确定设计条件和荷载组合。

边墙一般按下端固定、上端自由的悬臂梁进行内力计算。

底端按计算出的最大弯矩配筋。

6.2.2池底板结构设计

提示：

底板一般按弹性地基梁进行计算。

（1）设计原则：

一般按限裂设计。



（2）荷载及其组合：

梁本身除承受外荷载外，还受边墙传于两端的垂直向下的力、力矩及水平力（相当于底板的轴力），大至包括：

自重＋水、淤沙重＋浮托力＋结构垂直荷载＋边墙传来的力矩＋边墙传来的轴力＋地基反力

（3）计算方法：

按弹性地基梁进行计算。



6.2.3进口闸桥面及排架的结构设计

（1）桥面荷载：



自重、活荷载、拦污栅安装及检修对桥面产生的荷载

（2）拦污栅吊车梁荷载：



自重、活荷载、工作荷载

（3）拦污栅吊车排架荷载：



自重、吊车梁作用荷载、活荷载、温度荷载、风荷载、地震荷载

按设计情况和校核情况分别进行设计。



提示：

地下沉沙池，池身断面一般设计成无压方园形断面。

结构设计时应先对围岩进行稳定性评价，然后根据围岩的稳定性确定支护结构形式（考虑引水和排沙要求，对过水断面应进行混凝土衬砌，以减少糙率）及支护强度。

围岩稳定性分析和支护结构计算参考水工隧洞工程有关方法进行。

6.2.4地下沉沙池结构设计

提示：

观测设计应结合沉沙池结构型式、规模和运行等条件，提出观测及布置要求。

除应符合有关规范规定外，并应根据本沉沙池某些特殊情况提出观测设计补充要求。

7观测设计

7.1水位观测

（1）在前引渠和沉沙池内，选几个控制性断面，各设水尺一组，以观测池内水位。



（2）在沉沙池靠河侧，也应设置几组水尺，以观测河床侧水位。



7.2泥沙观测

（1）对定期冲沙的沉沙池，应选择几个代表断面，监测池底淤沙情况、沉沙效果，以掌握合理的冲沙周期和冲沙历时。

（2）连续冲洗式沉沙池，应选择几个断面，监测实际沉沙效果。



（3）连续冲洗式沉沙池，在排沙廊道出口取样计算含沙量、输沙率，并进行颗粒级配分析。

（4）沉沙池工作段悬移质监测方法，按《河流悬移质泥沙测验规范》（ＧＢ50159－92）进行测验。

（5）拟定原型监测仪器、设备清单。

8沉沙池运行说明（必要时）

提示：

（1）沉沙池运行设计，应与引水枢纽工程运行协调一致。

根据沉沙池的设计条件，拟定运行水位、入池流量、运行时间、冲洗水位、冲洗流量、冲洗设施的开启顺序、冲洗周期及历时等。

（2）定期冲洗式沉沙池运行设计，还包括冲沙时机控制标准、冲洗方式、闸门调度方式等。

（3）连续冲洗式沉沙池运行设计，其冲沙廊道出口闸门原则上应连续开启。

但当出现大于设计含沙量时，应调整运行安排，甚至暂停运行。

（4）沉沙池的检修，要安排在电力系统低负荷期或冬季。

设计时要考虑检修时的工作条件和必要的设施，如设置爬梯、拦杆、交通桥、起重挂钩等。

9工程量计算

9.1工程量计算原则与方法：

提示：

说明工程量计算原则、方法等。

9.2工程量计算项目和成果

（1）覆盖层明挖

（2）石方明挖

（3）石方洞挖

（4）土石方填筑

（5）混凝土

（6）钢筋

（7）钢材

（8）止水材料

（9）锚杆

（10）观测仪器、设备表

10设计成果

10.1设计文件

（1）技术设计说明书

（2）技术设计大纲

（3）计算书

（4）运行说明书（必要时）

10.2图纸

提示：

沉沙池平、剖面布置图、结构布置图及主要施工图等。

10.3工程量汇总表