1、 5.1 引水防沙的意義引水防沙的意義 5.2 引水工程選址與布置引水工程選址與布置 5.3 防沙排沙理論與設計防沙排沙理論與設計 5.4 無壩引水無壩引水 5.5 有壩引水有壩引水 5.6 入渠泥沙防治入渠泥沙防治Ch5 引水工程引水工程Ch5 引水工程引水工程 5.1 引水防沙的意義引水防沙的意義 一、引水工程中的泥沙問題一、引水工程中的泥沙問題 在河流上興建的各種引水工程數量在不斷增加，引水的用水在河流上興建的各種引水工程數量在不斷增加，引水的用水效率和質量受到廣泛重視。如灌溉引水、水電站引水效率和質量受到廣泛重視。如灌溉引水、水電站引水二、引水防沙工程的發展二、引水防沙工程的發展1、引

2、水防沙工程分類、引水防沙工程分類分為三類：無壩引水防沙工程；有壩引水防沙工程；活壩分為三類：無壩引水防沙工程；有壩引水防沙工程；活壩類引水防沙工程。類引水防沙工程。無壩引水防沙工程：分布較廣，如都江堰無壩引水防沙工程：分布較廣，如都江堰有壩引水防沙工程可分為：有壩引水防沙工程可分為：低壩沉沙沖槽式引水防沙工程（印度式）；低壩沉沙沖槽式引水防沙工程（印度式）；閘壩式引水防沙工程，用攔河閘代替印度式的溢流低壩。閘壩式引水防沙工程，用攔河閘代替印度式的溢流低壩。彎道式引水防沙工程：人為形成彎道環流，達到凹岸引水彎道式引水防沙工程：人為形成彎道環流，達到凹岸引水凸岸排沙。凸岸排沙。底欄柵式引水防沙工程

3、，攔河壩頂布設欄柵，防止礫卵石底欄柵式引水防沙工程，攔河壩頂布設欄柵，防止礫卵石進入壩內廊道。進入壩內廊道。分層式引水防沙工程（中亞式）分層式引水防沙工程（中亞式）三、引水防沙問題分析步驟、引水防沙問題分析步驟 泥沙問題分析步驟泥沙問題分析步驟 1、 野外調查與資料收集：確定來沙量；野外調查與資料收集：確定來沙量；河床演變情況；河床演變情況； 2、分析水沙過程對引水工程的影響、分析水沙過程對引水工程的影響 3、分析引水工程對當地和上下游河流與環、分析引水工程對當地和上下游河流與環境的影響；境的影響； 4、估計需要采取的泥沙處理措施；、估計需要采取的泥沙處理措施； 5、最佳方案的選擇。、最佳方案

4、的選擇。5.2 引水工程選址與布置引水工程選址與布置 一、引水工程選址中的泥沙問題一、引水工程選址中的泥沙問題 在河流上修建引水工程除了考慮工程本身的因素以外，在河流上修建引水工程除了考慮工程本身的因素以外，還應考慮到地質地貌、河流動力學、水文及環境、經還應考慮到地質地貌、河流動力學、水文及環境、經濟等因素。引水工程滿足兩個要求濟等因素。引水工程滿足兩個要求:（1）能夠取到所）能夠取到所需要的水量；（需要的水量；（2）保持引水口的河床穩定或沖淤平）保持引水口的河床穩定或沖淤平衡，同時盡可能減少泥沙入侵。衡，同時盡可能減少泥沙入侵。考慮的泥沙方面的因素考慮的泥沙方面的因素（1）河流的水文泥沙資料

5、，）河流的水文泥沙資料，來水來沙過程，懸移質、推移來水來沙過程，懸移質、推移質和床沙組成；質和床沙組成；（2）河床穩定性，河型、河）河床穩定性，河型、河道演變歷史及趨勢。道演變歷史及趨勢。二、引水工程的選址與泥沙考慮二、引水工程的選址與泥沙考慮 1、引水工程在河流上的位置、引水工程在河流上的位置 1）選擇彎道的考慮：穩定的彎道凹岸一側是引）選擇彎道的考慮：穩定的彎道凹岸一側是引水工程比較理想的位置。彎道凹岸水深大，流速水工程比較理想的位置。彎道凹岸水深大，流速大，有利于推移質的輸移大，有利于推移質的輸移;彎道環流與縱向水流彎道環流與縱向水流構成螺旋流運動，含沙量小的水流指向凹岸，含構成螺旋流運

6、動，含沙量小的水流指向凹岸，含沙量大的指向凸岸。避免布置在彎道的凸岸。沙量大的指向凸岸。避免布置在彎道的凸岸。 注意如下：力求河勢穩定；避免河岸和河床沖淤注意如下：力求河勢穩定；避免河岸和河床沖淤變化較大的位置，容易造成取水口的脫溜變化較大的位置，容易造成取水口的脫溜.有利有利于防沙、排沙。有利于泥沙的排泄；便于施工和于防沙、排沙。有利于泥沙的排泄；便于施工和管理。管理。 1、引水工程在河流上的位置、引水工程在河流上的位置 2）、注意調查地質、地形和河床演變情況）、注意調查地質、地形和河床演變情況 地質方面考慮基巖埋深較淺，或者為沙礫石或沙地質方面考慮基巖埋深較淺，或者為沙礫石或沙基的河段。基

7、的河段。 河床演變選在河勢穩定，河床沖淤變化不大的河河床演變選在河勢穩定，河床沖淤變化不大的河段，段， 3）、引水建筑物離深泓線不遠處。）、引水建筑物離深泓線不遠處。 可縮短引水長度，保證水量防止泥沙的入侵。可縮短引水長度，保證水量防止泥沙的入侵。 4）、有壩與無壩引水的關系）、有壩與無壩引水的關系:無壩引水的選址要無壩引水的選址要求高于有壩引水。求高于有壩引水。 5）、因勢利導、不宜強行整治。）、因勢利導、不宜強行整治。 6）、水電樞紐上下游的引水口位置。）、水電樞紐上下游的引水口位置。 7）、水輪機的選擇。）、水輪機的選擇。 2、泥沙問題的考慮、泥沙問題的考慮 防止推移質泥沙和懸移質粗顆粒

8、泥沙進防止推移質泥沙和懸移質粗顆粒泥沙進入引水口。入引水口。 1） 河型的影響河型的影響 2）底檻的高度，設置一定的高度。）底檻的高度，設置一定的高度。 3）防沙、排沙清淤措施；）防沙、排沙清淤措施； 4）估計河槽的沖淤變化；）估計河槽的沖淤變化； 5）泥沙估計）泥沙估計 6）引水比與引沙比。）引水比與引沙比。 三、側面引水與正面引水三、側面引水與正面引水 按照引水頭部與河流來流的相對位置將引水形按照引水頭部與河流來流的相對位置將引水形式分為側面與正面引水。引水頭部與來流方向式分為側面與正面引水。引水頭部與來流方向大致平行時為正面引水；引水頭部與來流方向大致平行時為正面引水；引水頭部與來流方向

9、大致垂直時為側面引水。大致垂直時為側面引水。 側面引水特點：在河岸一側引水，缺陷：大量側面引水特點：在河岸一側引水，缺陷：大量泥沙進入引渠，引水沖沙相互影響，采區防沙泥沙進入引渠，引水沖沙相互影響，采區防沙措施。措施。 正面引水：有正面排沙和側面排沙。前者的水正面引水：有正面排沙和側面排沙。前者的水深和引水比不宜太大。后者的整治工程簡單，深和引水比不宜太大。后者的整治工程簡單，限制少。限制少。 四、引水工程泥沙問題研究方法：四、引水工程泥沙問題研究方法： （1）類比分析和調查）類比分析和調查 已經運行成功的引水工程進行調查分析；已經運行成功的引水工程進行調查分析； （2）初步分析估算：對水流泥

10、沙、河床演）初步分析估算：對水流泥沙、河床演變進行分析；也可用估算的方法變進行分析；也可用估算的方法 （3） 河工模型試驗：解決引水工程局部河河工模型試驗：解決引水工程局部河床變化、優化防沙方案、河床演變預測。床變化、優化防沙方案、河床演變預測。 （4） 數學模型計算數學模型計算5.3 防沙排沙理論與設計防沙排沙理論與設計 一、引水口水沙運動特性一、引水口水沙運動特性 合理規劃引水口，合理布置引水口的防沙設合理規劃引水口，合理布置引水口的防沙設施，合理設計與布置灌溉引水口。施，合理設計與布置灌溉引水口。 1、引水口前的流速場、引水口前的流速場 1） 理論分析理論分析2）實測成果）實測成果 引水

11、比小：引水口水引水比小：引水口水流曲率小，支槽有回流曲率小，支槽有回流。流。 引水比大：引水口水引水比大：引水口水流表層曲率小，底層流表層曲率小，底層曲率大；支槽有回流，曲率大；支槽有回流，范圍小。范圍小。 2、引水寬度、引水寬度 3、推移質分沙比與分流比的關系、推移質分沙比與分流比的關系 推移質分沙比與分流比的關系實驗室研推移質分沙比與分流比的關系實驗室研究較多。德國，分沙比隨分流比的增大究較多。德國，分沙比隨分流比的增大而增大，分流比達到而增大，分流比達到50%，幾乎全部推，幾乎全部推移質泥沙進入引水口。移質泥沙進入引水口。 4、懸移質分沙比與分流比的關系、懸移質分沙比與分流比的關系 關系

12、復雜。關系復雜。 1、人工引水彎道、人工引水彎道 目的：創造良好的彎道環流，有效引水防沙。目的：創造良好的彎道環流，有效引水防沙。 設計原則：設計原則： （1）彎道寬度；）彎道寬度； （2）彎道外形；）彎道外形； （3）泄洪閘：中心線與彎道中心線呈）泄洪閘：中心線與彎道中心線呈40-45度度 （4）沖沙閘與進水閘）沖沙閘與進水閘二、彎道引水二、彎道引水防沙工程設計防沙工程設計 三、導流裝置三、導流裝置 奧加德奧加德(A.J.Odgaard)方法：利用導流屏在引水口前導方法：利用導流屏在引水口前導流，改善河床水流流態，使引水口泥沙淤積減緩。流，改善河床水流流態，使引水口泥沙淤積減緩。 導流屏導流

13、屏：制造人工環流，增加表層引水寬度，：制造人工環流，增加表層引水寬度，減小底層引水寬度。減小底層引水寬度。 1、導流屏防沙理論、導流屏防沙理論 導流屏防沙理論：導流屏防沙理論： 導流屏的設計參數：導流屏高度、長度、迎導流屏的設計參數：導流屏高度、長度、迎水角、淹沒深度等水角、淹沒深度等 導流屏缺點導流屏缺點： （1）構造復雜，費用高，運行管理不便；）構造復雜，費用高，運行管理不便； (2)細沙運用效果不顯著細沙運用效果不顯著 （3）河床不穩定的河道效果不好，）河床不穩定的河道效果不好， （4）在通航河流上不宜采用。）在通航河流上不宜采用。 三、導流裝置三、導流裝置 2、導沙坎導沙坎：設置在引水

14、口前設置一定高度和：設置在引水口前設置一定高度和長度的坎，底部水流形成螺旋流將泥沙導離長度的坎，底部水流形成螺旋流將泥沙導離引水口。引水口。 （1）水流現象）水流現象 水流束窄；螺旋流，水流束窄；螺旋流， （2）泥沙運動）泥沙運動 （3）導沙坎的影響效果）導沙坎的影響效果 包括水流流速、坎高、導沙坎與主流的夾角、多道導沙包括水流流速、坎高、導沙坎與主流的夾角、多道導沙坎的水流形態、導沙坎幾何尺度。坎的水流形態、導沙坎幾何尺度。 四四 環流沖沙槽環流沖沙槽 在壅水淤積情況下，采用束水攻沙原理，在壅水淤積情況下，采用束水攻沙原理，在引水口前設置沖沙槽，用縱向束水墻與在引水口前設置沖沙槽，用縱向束水

15、墻與溢洪壩分開，在引水閘前形成較高流速，溢洪壩分開，在引水閘前形成較高流速，沖走槽內泥沙。沖走槽內泥沙。 環流沖沙槽由沖沙閘、引水口岸邊墻、束環流沖沙槽由沖沙閘、引水口岸邊墻、束水墻和導沙坎等部分組成。水墻和導沙坎等部分組成。 環流沖沙槽各部分功能環流沖沙槽各部分功能 束水墻：滿足在進水口前形成穩定平順的水流；束水墻：滿足在進水口前形成穩定平順的水流；滿足與上游來水的漸變銜接；考慮定期沖沙和滿足與上游來水的漸變銜接；考慮定期沖沙和沉沙時的容積要求。沉沙時的容積要求。L=2-3B, 沖沙槽的泄流能力滿足引水流量和最小沖沙流沖沙槽的泄流能力滿足引水流量和最小沖沙流量要求。量要求。 沖沙閘的泄流能力

16、與沖沙流量以及穩定河槽流沖沙閘的泄流能力與沖沙流量以及穩定河槽流量相適應。量相適應。 導沙坎與潛沒分水墻：導沙坎是設置在沖沙槽導沙坎與潛沒分水墻：導沙坎是設置在沖沙槽底板上的潛沒導流矮墻。導沙坎螺旋流的強度底板上的潛沒導流矮墻。導沙坎螺旋流的強度與方向隨導沙坎與水流方向的交角而變化，最與方向隨導沙坎與水流方向的交角而變化，最常用的交角為常用的交角為20-40；導沙坎的高度是當地水；導沙坎的高度是當地水深的深的1/31/10。 五五 渦管與截沙槽排沙渦管與截沙槽排沙 渦管與截沙槽排沙是在河床上或臨近河床的某一高渦管與截沙槽排沙是在河床上或臨近河床的某一高度上利用螺旋流排除水流底部推移質泥沙的管道

17、或度上利用螺旋流排除水流底部推移質泥沙的管道或排沙通道。渦管指截面是圓形或弧形，截沙槽截面排沙通道。渦管指截面是圓形或弧形，截沙槽截面為方形或梯形。為方形或梯形。 1933年，年，R.L. Parshall提出渦管排沙的方法，他們提出渦管排沙的方法，他們渦管斷面的水流佛氏數為渦管斷面的水流佛氏數為0.8，渦管與水流的方向夾，渦管與水流的方向夾角為角為45。 我國我國20世紀世紀60年代在映秀灣水電站等采用截沙槽，年代在映秀灣水電站等采用截沙槽，當截沙槽與主槽的角度為當截沙槽與主槽的角度為30，排沙效果好。，排沙效果好。 日本學者對急流渠道日本學者對急流渠道(Fr=3.46-9.42)的排沙渦管

18、實驗，的排沙渦管實驗，其排沙率為其排沙率為30%-90%。 螺旋流排沙機理：水沙的慣性作用與邊界條件相結螺旋流排沙機理：水沙的慣性作用與邊界條件相結合的產物。渦管內的水流運動與河床縱向水流運動，合的產物。渦管內的水流運動與河床縱向水流運動，形成螺旋流。形成螺旋流。FR=0.8，截沙槽與主流呈，截沙槽與主流呈45度。度。 渦管內的流速分布渦管內的流速分布 渦管流量與分流比：渦管流量與分流比： 渦管排沙；渦管排沙； 渦管設計：渦管設計： 六六 沉沙池沉沙池 沉沙池按清洗的方法可分為：定期清洗、連續沉沙池按清洗的方法可分為：定期清洗、連續沖洗、機械清洗和不沖洗等四類。沖洗、機械清洗和不沖洗等四類。

19、1、定期沖洗沉沙池的種類、定期沖洗沉沙池的種類 有單室（單室帶側室）和多室兩類，在沉沙池有單室（單室帶側室）和多室兩類，在沉沙池的末端設有沖沙底孔或沖沙閘。當流量大于的末端設有沖沙底孔或沖沙閘。當流量大于15m3/s，可采用雙室沉沙池，可采用雙室沉沙池， 定期沖沙沉沙池的結構定期沖沙沉沙池的結構 沉沙池由進口、沉淀室、出口、沖沙設備及防冰防沉沙池由進口、沉淀室、出口、沖沙設備及防冰防污設備等組成。污設備等組成。 沉沙池斷面一般為矩形。沉淀室的數目為沉沙池斷面一般為矩形。沉淀室的數目為2-4個，工個，工作深度為作深度為4-5m. 沉沙池的底坡可以是正坡或倒坡，其數值為沉沙池的底坡可以是正坡或倒坡

20、，其數值為0.020.005，沖洗速度不小于，沖洗速度不小于2m/s。 粗砂沉在首部，這時采用倒坡。粗砂沉在首部，這時采用倒坡。 連續沖洗沉沙池的工作方式連續沖洗沉沙池的工作方式 水電站的沉沙池。連續沖洗沉沙池分上下兩部水電站的沉沙池。連續沖洗沉沙池分上下兩部分，上部為沉沙室，沉沙的主體，為明流；下分，上部為沉沙室，沉沙的主體，為明流；下部為沖沙廊道，為壓力流，整個沉沙池有多條部為沖沙廊道，為壓力流，整個沉沙池有多條支廊道和總廊道。支廊道和總廊道。 連續沖洗沉沙池可做成單室單廊道或單室多廊連續沖洗沉沙池可做成單室單廊道或單室多廊道，根據工程規模和操作要求而定。道，根據工程規模和操作要求而定。

21、沉沙池底部沿縱向設縫隙形式的沖沙口，圖沉沙池底部沿縱向設縫隙形式的沖沙口，圖5-39。 水電站斜板沉沙池水電站斜板沉沙池 一般沉沙池水深大，沉降距離長，沉降時間長。一般沉沙池水深大，沉降距離長，沉降時間長。淺水的沉降距離和時間短，提出多層淺水新型淺水的沉降距離和時間短，提出多層淺水新型沉沙池，即在一個大沉沙池中，沿深度方向設沉沙池，即在一個大沉沙池中，沿深度方向設多層板，板距很小，各層水流的水深小，紊動多層板，板距很小，各層水流的水深小，紊動低，泥沙沉降效率高，為便于淤泥下滑，將板低，泥沙沉降效率高，為便于淤泥下滑，將板斜置，構成斜板沉沙池。斜置，構成斜板沉沙池。 斜板沉沙池的形式斜板沉沙池的

22、形式水流與斜板的關系水流與斜板的關系 上向流：水流自斜板下方向上流經斜板。也稱逆向上向流：水流自斜板下方向上流經斜板。也稱逆向流。流。 下向流：水流自斜板上方向下流經斜板，也稱同向下向流：水流自斜板上方向下流經斜板，也稱同向流。流。 側向流：水流從水平流經斜板。側向流：水流從水平流經斜板。 水電站的斜板沉沙池宜采用側向流斜板沉淀。水電站的斜板沉沙池宜采用側向流斜板沉淀。 斜板沉沙池的尺寸通過模型試驗得到。如圖斜板沉沙池的尺寸通過模型試驗得到。如圖5-42和圖和圖5-43。 沉沙效率與沉速、斜板相對長度有關。隨沉速沉沙效率與沉速、斜板相對長度有關。隨沉速的增大而增大。的增大而增大。5.4 無壩取

23、水無壩取水 不攔河筑壩壅高水位，在河岸適當位置開挖取水，一不攔河筑壩壅高水位，在河岸適當位置開挖取水，一般在取水口設有水閘控制入渠流量。其過程簡單、投般在取水口設有水閘控制入渠流量。其過程簡單、投資省、收效快而運用較廣。資省、收效快而運用較廣。 無壩取水受河道中水流要素變化影響較大，在引水的無壩取水受河道中水流要素變化影響較大，在引水的同時引進了大量的泥沙。在規劃設計無壩引水口時，同時引進了大量的泥沙。在規劃設計無壩引水口時，一般要求：一般要求： （1）河道主流經常流經取水口，）河道主流經常流經取水口， （2）取水口前必須維持必要的水位，以保證引進設計）取水口前必須維持必要的水位，以保證引進設

24、計的流量，的流量， （3）防止推移質泥沙在取水口淤積，避免大量推移質）防止推移質泥沙在取水口淤積，避免大量推移質泥沙進入渠道，降低進入渠道的懸移質含沙量，泥沙進入渠道，降低進入渠道的懸移質含沙量， （4）防止取水口遭受水流的嚴重沖刷，確保渠首建筑）防止取水口遭受水流的嚴重沖刷，確保渠首建筑物的安全。物的安全。一、取水口位置的選擇一、取水口位置的選擇 除了考慮自流灌溉要求及地質條件外，更應認除了考慮自流灌溉要求及地質條件外，更應認真研究河床演變及泥沙運動對取水口的影響。真研究河床演變及泥沙運動對取水口的影響。在規劃設計階段對取水口所在河段的河床演變、在規劃設計階段對取水口所在河段的河床演變、泥沙

25、運動及其對取水口的影響進行分析，泥沙運動及其對取水口的影響進行分析， 例如在順直彎曲河段，著重分析邊灘移動的規例如在順直彎曲河段，著重分析邊灘移動的規律，蜿蜒性河段分析凹、凸岸沖淤強度，分汊律，蜿蜒性河段分析凹、凸岸沖淤強度，分汊河段分析各股汊道的發展衰亡的規律，防止汊河段分析各股汊道的發展衰亡的規律，防止汊道衰亡而使取水口堙廢。道衰亡而使取水口堙廢。無壩取水的位置最好在彎道凹岸頂點以下，離彎道起點距離無壩取水的位置最好在彎道凹岸頂點以下，離彎道起點距離45倍處，實現正倍處，實現正面取水。彎道凹岸受主流頂沖，彎頂易于崩退下移，采取護岸措施，取水口是能面取水。彎道凹岸受主流頂沖，彎頂易于崩退下移

26、，采取護岸措施，取水口是能夠穩定的。取水口距彎道起點距離：夠穩定的。取水口距彎道起點距離：L=2 K l，K=0.8-1.0減小引水角度；減小引水角度；盡可能使進水閘緊靠河岸，減少閘前引水渠長度。避免形成盲腸河段盡可能使進水閘緊靠河岸，減少閘前引水渠長度。避免形成盲腸河段) 14(2/BRBl較穩定的引水口較穩定的引水口二、調整和穩定取水口附近河道二、調整和穩定取水口附近河道對天然河道采取一系列整治措施；對天然河道采取一系列整治措施； 黃河下游某渠首工程，黃河下游某渠首工程，1958年在對岸修年在對岸修建了丁壩，當時使主流靠近閘前，引水建了丁壩，當時使主流靠近閘前，引水條件較好，由于上游河勢條

27、件較好，由于上游河勢A處發生變化，處發生變化，主流從丁壩壩前直泄而下，進水閘遠離主流從丁壩壩前直泄而下，進水閘遠離主流，引水困難。主流，引水困難。 三、渠首建筑物布置三、渠首建筑物布置： 內蒙古河套地區采用內蒙古河套地區采用多首制多首制取水方式。每個取取水方式。每個取水口相距水口相距1-2km，洪水時僅從一個取水口，其它，洪水時僅從一個取水口，其它口門臨時封堵。圖口門臨時封堵。圖17-12 在非通航的中小河流上，采用下圖在非通航的中小河流上，采用下圖17-13布置形布置形式：包括進水閘，泄水閘和引水壩。引水壩收式：包括進水閘，泄水閘和引水壩。引水壩收縮水道，抬高水位，導水入渠。泄水閘排泄進縮水道，抬高水位，導水入渠。泄水閘排泄進入引水槽的多余水量；入引水槽的多余水量； 渠首主體工程主要包括渠首主體工程主要包括（1）魚咀；（魚咀；（2）飛沙）飛沙堰；（堰；（3）寶瓶口。其他輔助工程如榪槎及外江）寶瓶口。其他輔助工程如榪槎及外江閘；人字堤等。閘；人字堤等。5.5 有壩取水工程有壩取水工程 河流中的水位不能滿足無壩自流引水時，考慮修建攔河流中的水位不能滿足無壩自流引水時，考慮修建攔河壅水壩等控制建筑物壅高水位。河壅水壩等控制建筑物壅高水位。 一、側面取水：一、側面取水： 引水樞紐由溢流壩、沉沙塘、沖沙閘及進