段晓芳，张延贺，张宗江，张毅飞，王建新，2

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

渠道及水库的泥沙淤积问题在各大水库中频频出现，严重影响河流的航运、发电效益和水资源综合调度利用等功能，还可能堵塞无压进水口水电站，对水电站的发电安全造成威胁，对于实际工程而言，现有的沉沙池等排沙设备不足以应对实际工程问题[1- 2]，还会造成表层大量清水流出，使得水资源浪费。任实等以三峡水库为例，提出可使用气动力式深水清淤技术在深水环境中安全高效运行[3]，但由于淤沙颗粒比较细，在使用该技术时需要综合考虑泥沙淤积位置和水流流速；南军虎等又提出可在渠道中使用旋流排沙技术，使用模型试验和数值模拟相结合，并采取最新的正交试验进行设计，在排沙处形成更有利于泥沙运动的水力条件便于排沙[4]，但该方法没有将水流的能量加以利用，因此本项目思考能否集中收集渠道水资源并进行发电，从而达到保护环境、节能减排，利用余水发电减少购电经济负担。故对小型无压式水电站发电系统中存在的问题进行实验研究，根据几何比尺和流量比尺制作实验模型，利用控制变量法研究模型排沙量与所需耗水量的关系，得出模型滤水排沙效果最优时的钢珠配重范围和阀门控制板开度阈值范围。探究水中含沙量与阀门控制板在排沙结束后回弹快慢，以及水流冲击水轮机叶片哪种角度发电效果最优等。本文将围绕渠道滤水排沙发电结构模型展开实验研究分析，提出相关改进措施，控制进水渠道的含沙量，为保证水质提供必要的解决办法。

1 研究背景及现状

在多泥沙的实际工程首部枢纽中[5]，会在水电站进水口处设置拦污栅对泥沙推移质进行拦截[6]，或设置沉砂池来降低水流的挟沙能力从而使有害物或推移质沉积，使过滤后的清水进入引水道，防止进水口堵塞。使用上述方法可有效降低发生事故的频率，但是对于拦污栅、沉砂池的清淤处理尤为复杂，常常需要耗费大量人工和机械设备的投入，必要时需要暂停水轮机的运转以便清理，对发电稳定性和发电需求造成很大的影响。

高亚平等[7]提出一种涡环流排沙装置，该装置可将泥沙运送至排沙孔来减少耗水量，但却无法将过滤后的清水收集利用；罗竞东等[8]公开了一种可利用水流漩涡发电装置，该装置可利用渠道中水头差促使叶片转动发电，但是在含沙量大的河流中应用时，沙子会磨损装置叶片，因此也不能长时间使用。

随着科学技术发展和社会的进步，对渠道的清淤排沙发电功能提出了更高的要求，因此使用高效、清洁、节能的方式，不失为一种行之有效的好办法，于是本文提出在水利枢纽排沙的同时不影响发电的办法，在山区渠道漩涡式发电排沙装置的研制基础上进行改进[9]，利用渠道漩涡式排沙发电装置模型，对排沙部分配重问题展开实验，探究最合适的配重和阀门控制板开度的合适阈值和排沙所需耗水量的大小[10]。

2 实验原理

2.1 装置概况

河道水流通过入流渠道进入装置，在水轮机的进水口处安装束水引流装置，使水流集中且平顺地冲击水轮机叶片促使其快速转动，叶片高速转动时发电机运作开始发电，发电状态可由一旁的指示灯明亮程度来显示；随后水流进入下侧过滤装置，水流中的沙石在排沙装置中由于重力作用沉于底部，上层清水则通过滤网从左侧流出至束水引流装置。当下侧沉降后的沙石重量超过安置在阀门控制板左侧的配重设备时，右侧阀门控制板自动打开，待沙石和水排出后阀门控制板自动回弹关闭。如图1—2所示。

图1 整体装置模型图(结构名称：1-入流渠道 2-水轮机叶片 3-发电机主轴 4-发电机 5-引流板 6-过滤网 7-排沙装置 8-清水引水道 9-固定装置 10-配重设备 11-发电指示灯 12-阀门控制板)

图2 整体装置实物图

2.2 发电原理

水轮机的定子和发电机的转子通过主轴相连，当水流流经水轮机下方导叶并垂直落在叶片上时，会引起导叶转动然后带动发电机主轴进行发电，然后水流进入排沙装置，发电状态可由一旁的指示灯明亮程度来显示。如图3所示。

图3 发电部分装置模型图

2.3 排沙原理

通过水轮机轮叶的水继续流入排沙滤水装置中，水流中的沙石在排沙装置中由于重力作用发生沉淀落至装置底部，底部阀门控制板一直处于关闭状态，上层清水通过滤网流出至侧方束水引流装置。当下侧沙石沉降重量超过左侧设计配重时，阀门控制板打开，待沙石排出后阀门控制板自动关闭防止多余水流排出。该部分主要通过调整排沙装置左侧下方的配重，研究阀门控制板的开度阈值和排沙所需耗水量之间的关系，原则是保证排沙效果的同时减少排沙耗水量。如图4所示。

图4 排沙滤水装置局部模型图

2.4 实验方法

本项目使用大小不一的钢珠来模拟实验过程中各种工况下的配重，高速摄像机的镜头正视阀门控制板，在开始实验的同时采用高速摄像机进行高速拍摄记录，实验结束后播放视频慢镜头，截取阀门控制板最大开合角度的照片。然后使用测量仪器量取阀门控制板倾斜角度即开合角度；在排沙滤水装置正下方放置盛水容器，当实验用水为清水时，测出在阀门控制板刚好打开时的装置右侧的限制水位，并用记号笔标记，记为初始刻度线，并将过滤装置刻度线以下的清水在天平上进行称量；在浑水工况下，经多次实验发现，阀门控制板打开时右侧水位均未超过初始刻度线，为保证实验的准确性，阀门控制板打开时应当保证容器内水位接近初始刻度线，当阀门控制板打开时停止供沙，此时称量出沙子的重量、配重钢珠的重量及初始刻度线下等量的沙和清水的质量。为了找出最合适配重以探讨阀门控制板开度的合适阈值和排沙所需耗水量，实验团队使用控制变量法，在4种工况下进行实验，对不同情况进行观测和记录，多次重复实验，以减小实验和人为误差。如图5所示。

图5 实验观测情况

实验结果如下：

(1)清水工况。当实验用水完全为清水时，测出配重为392.3g时，清水质量达到990.1g，此时阀门控制板刚好打开，张开倾斜角度为34.8°，使阀门控制板处于承受能力极限状态和准备自动闭合的临界状态。

(2)浑水工况。当排沙装置下侧左方配重为407.6g时，右侧的清水和沙子重量达到1050.3g，此时阀门控制板正好打开，张开倾斜角度为46.7°，其中沙子的重量为150.1g，清水的重量为900.2g；当排沙装置下侧左方配重为421.5g时，右侧的清水和沙子重量达到1127.4g，此时阀门控制板正好打开，张开倾斜角度为54.2°，其中沙子的重量为300.3g，清水的重量为827.1g；当排沙装置下侧左方配重为427.9g时，右侧的清水和沙子重量达到1169.5g，此时阀门控制板正好打开，张开倾斜角度为54.2°，其中沙子的重量为400.2g，清水的重量为769.3g。

2.5 实验结论

实验测得的数据如图6所示。

结论如下：

(1)随着泥沙含量的不断增大，左侧配重不断增加，阀门控制板的张开倾斜角也在不断变大，排沙的耗水量随之减小。

(2)考虑到实际工程情况多为泥沙河流，清水河流较为少见，因此只需考虑浑水工况，当配重范围为407.6～427.9g时，此时分别对应阀门控制板的开度阈值为46.7°～54.2°，有较好的过滤排沙效果，且沙子可以高效排出。

(3)大量实验观测数据表明，通过入流渠道进入引流板的水流，垂直冲击水轮机叶片时，发电效率最高且最稳定。

(4)在排沙过程中，随着含沙量的不断增大，排沙所需耗水量不断减小。

3 实验装置改进

由于受到实验室场地和疫情的影响，本装置未能全部实现自动化，在实际水利枢纽工程中可增加蓄能储能装置，削峰填谷[11]，将电能高效利用；可以在实际过程中使用力学传感器和数字显示屏以增加数据的准确性和说服力；而且本装置在阀门控制板进行排沙时下方没有固定的储存沙子装置，在实际工程应用中可增设储沙装置，将沙子聚集起来待达到一定重量后一起排出；随着现代技术越来越发达，可依托互联网模式，对装置进行远程控制，对数据进行可行性分析，在实际工程运行前(可研阶段)，先对所要实际施工的项目有最基本的预判，然后再进行一系列的后续施工过程，最终达到“智慧水利、数字孪生”的目的[12]。

图6 实验监测结果图

4 关键技术及应用前景

本装置将排沙功能与发电效果巧妙结合在一起，发挥各自优势，扬长避短，为偏远地区发电提供便利；在实际工程中可以得到一定程度的应用；同时可以与当地水库进行联合调度，将会达到事半功倍的效果。必要时可以修建拦沙坝[13]拦沙，另外水库冲沙也是一种安全、便捷的天然清淤方式[14- 15]，必要时采取强有力的人为因素加以干预，配合治理工程所需的必要水利水文等要素，以保证高效的发电排沙效益，但最重要的是生态修复，使工程泥沙淤积问题得到根本改善，以解决实际问题。

5 结语

通过实验研究发现：含沙量增大可使排沙所需耗水量减小；垂直击打水轮机叶片发电效率最高且最稳定，该结论可为相关实际工程应用提供必要的理论支持和数据支撑。但该装置没有实现完全自动化且排沙部分没有固定的排沙装置，对于实际工程含沙量较大的河流，须加高进水渠道，以使该设备安全稳定运行，并加强管理和综合调度，采取防洪减淤措施，研究出最优水资源调度方案，基于该实验装置和以上办法，将帮助更多地区实现生态效益、经济效益和社会效益，为我国实现“碳达峰、碳中和”的双碳目标作贡献，也为世界治沙提供可参考的中国方案。