多沙水流泵站技术

目 录

出版说明

前 言

第一章 概论

第一节 多沙河流上的泵站工程建设简况

第二节 运行情况与问题

第三节 技术进展

第二章 泵站工程规划

第一节 泵站有关设计参数的确定

第二节 中、高扬程泵站工程总体布置

第三节 缓坡地形的灌区泵站工程布置

第四节 梯级泵站工程布置

第三章 取水工程

第一节 多沙河流特性与取水问题

第二节 取水口位置选择

第三节 取水工程布置形式

第四节 取水防淤防沙措施

第四章 进、出水建筑物

第一节 前池与进水池

第二节 出水管道

第三节 出水池

第五章 沉沙池及其应用

第一节 概述

第二节 大禹渡泵站平流式沉沙池的应用

第三节 湖泊式沉沙池的应用

第四节 条渠式沉沙池的应用

第五节 平流一斜板式沉沙池在禹门口提水工程的应用

第六章 清污设施

第一节 泵站取水口的草污问题

第二节 清污设备

第七章 水泵防磨抗磨措施及设备选择

第一节 泥沙对水泵磨损

第二节 水泵磨损因素

第三节 防止水泵磨损的措施

第四节 水泵选择问题

第五节 配套设备与备用装机问题

第六节 抽水装置设计工况的选用

参考文献

2100433B

内 容 提 要

本书根据黄河上数十座泵站工程的规划设计和运行管理等方面的调查

资料，针对多沙且流势不稳定河流上所建泵站存在的取水、淤积、污染、磨

蚀，以及与之有关的设备选择问题进行了专门研究，这些成果可对类似新

建与待改建工程建设与管理提供参考。本书主要适用于多沙水流泵站的设

计、施工与管理人员，及其他研究人员。

强水流常见于堤坝溃决过程中，具有强冲击性、强冲刷性等特点。本项目拟通过水槽试验，研究不同强水流条件对水流结构、推移质输沙率的影响；通过理论分析，定量表征泥沙颗粒碰撞的能量转化，同时考虑水流的非恒定、非均匀性的影响，建立强水流作用下的推移质输沙率公式，该研究将揭示强水流输沙的能量转化过程、克服传统推移质输沙率公式不适用于强水流条件的不足；在此基础上，采用力学原理和两相流的连续介质理论相结合的方法，建立强水流作用下推移质不平衡输沙方程，该方程能充分反映强水流输沙过程中固液混合体的特性，在机理上更加完善。此外，将研究成果引入到水沙数学模型中，对典型强水流作用下的推移质输移过程进行模拟研究。本项目的预期成果有助于完善和丰富推移质输移理论，也可为堤坝溃决中的防灾减灾提供技术支撑。

内容简介

根据水利部水利水电技术标准制定、修订计划，由水利部农村水利司组织，对SD141-85《泵站技术改造通则》进行了修订，修订后更名为《泵站技术改造规程》。《泵站技术改造规程》主要包括以下内容：——总则；——泵站主要参数指标的确定；——泵站技术改造可行性研究；——泵站改造技术；——改造泵站的验收。

1）床沙底形系列

沉积物被搬运和沉积时沿底面非粘性沉积物与流体之间造成的几何形态称之为床沙形体（Bedformor Bed Configuration，简称底形）。它的大小和形状、类型，取决于流动深度、动力强度、平均流速、流动粘度、液体密度、沉积颗粒大小、沉积物密度和重力加速度。其中最重要的是流动深度、流动强度、平均流速和颗粒大小。

侵蚀－改造水流流过非粘性颗粒组成的底床时，随着流速的增加，产生从较粗沉积物中平行于水流的线性条纹直到各种底形的有规律系列。

①小型沙纹（Ripples）：这是一种小型底形，当清水以20cm/s左右的速度流动，并施剪切力于细

砂上方时，这种沙纹的波长为10～30cm，波高0.6～30cm；所有的沙纹都缓慢地向下游方向迁移。在粒度中值大于0.6mm（d50=1.25Φ）的沉积物中未发现过，主要形成于中细砂以下的粒径。

②沙浪或沙波（Sand Waves）：有两种形成方式：当流速为50cm/s时，由沙纹沉积物变来；当沉积物粒度粗于0.6mm时，由平坦床沙（Plane bed）沉积物变成。

通常沙浪有四种类型（右表）；其中A，B，C型沙浪的特点是产顺剪切波接近休止角（30°）。A型和B型沙波能在浅水流（深度<0.5m）中形成，而C型沙波较大（长15m以上，高12m），且不在浅于4.7m的水流中形成。水流在越过A，B，C型沙波的顶点之后会发生分离。

在沙波脊界点和下游方向下一个沙波脊的界点之间有一个分离涡流带。在分离涡流的底部，水流方向和主流相反，速度约为主流的三分之一到二分之一。若沉积是细砂且涡动回流的速度相当大，则回流也能形成交错纹层倾向和主流相反的小型波纹（图2）。

图2中（a）沙浪从流面上的波纹向脊顶迁移，当砂顺着陡的背流波塌落时，这些波纹就被破坏了。塌落面下游波谷中的波纹，逆水流方向迁移。这种回流波纹，被向下游迁移的沙浪坍塌面上落下来的砂粒所掩埋而得以保存。回流波纹的小型交错层与沙浪的大型交错层之结合是流水搬运细砂所特有的形态：它是由沙浪造成的水流分离作用形成的（据Boersma，1967）。

图2中（b）水流在粗砂上形成沙浪时，在平行于水流方向的垂直平面中水和沉积物的示意剖面。在沙浪脊上面的水面下降；在沙浪脊之间的波谷上面，水面好像开了锅似地上涨。像图2中（a）中的那种小波纹不会在粗砂中形成（据Simons，Richardson和Nordin，Jr，1965）。

同时，大型沙波还使水面“波”第一组沙波的相位不同。当剪切速度较大时，出现D型沙波。它不与小型沙纹共生，向下游流动和水与D型沙浪的剖面上所有部分都保持连续的接触；水流不发生分离现象（图3）。

③平坦床沙（Plane bed or flat bed）：流速若再增大，“冲蚀”（Washed-out）的D型沙浪也消失了，沉积物—水的界面变为平坦的，沉积物不断向下游快速流动，此时呈一系列平坦的席状流动。

④同相位沉积物波（In—Phase sediment waves）：其特征主要受限于福劳德数，当Fr>0.84（接近于1）时，出现和水面波同相位的圆滑沉积物波（图4）。在这些同相位波中，沉积物顺流运移，但波形可以保持不动，也可向下游或向上游方向迁移。G．K．Gilbert称向上游方向迁移的沉积波为“逆行沙丘”（Antidunes）。

图4中（a）若水流越过波谷时的深度总是大于逆行沙丘脊的高度，则形成驻波型逆行沙丘。在逆行沙丘向流面上，水面上涌，但不发生破浪。

图4中（b）若波谷中的水深小于逆行沙丘的高度，水波破碎，向上游方向反撞；水波越过逆行沙丘破碎带时产生猛烈的湍动（据Simons，Rechardson和Nordin，Jr.，1965；Harms和Fahnestock，1965）。

2）流态或称流动体制（Flow regime）

由于在水槽实验中观察到流水与非粘性颗粒的牵引搬运负载之间存在着一定的规律，因而人们提出了流态的概念。所谓流态是指：“水流、水与沉积物的界面形状、沉积物的搬运方式、水流中能量消散过程以及水面形态和水一沉积物界面之间的相位关系总和”。通常有低流态与高流态之分，其间有一个过渡流态。

①低流态（Lower flow regime）：水和沉积物的界面处可以发育有：只有小型沙纹，沙纹与沙浪，沙浪和沙垅，或仅有沙浪。沉积物的搬运作用或能力较小，而且断续进行（图5）。搬运作用先是靠牵引毯状层在沙纹或沙浪的向流面上向上运动，然后，靠颗粒在这些底形坡陡的背流面上发生重力塌落而形成。在沙浪的波谷中，在迁移方向与主流方向相反的回流沙纹上能够发生某些反向搬运。某种程度上讲，水流能量可以被沉积物颗粒的糙度和惯性阻力所消耗，但主要还是被沙纹和沙浪的形态阻力以及水流分离部位的回流旋涡所消耗。因而，沉积物沿流动方向具有一定的分选性，留在底形上的沉积物比冲到下游去的要粗。

②过渡阶段：其特征底形是D形沙浪或沙波。沉积物趋于连续运动，但在D型沙浪的低倾角交错层内确实还有堆积；而沉积物不会沿D型沙波的背流坡坍落下来。水流中的能量被惯性阻力和运动颗粒的糙度所耗散。水流不再分离，水面：往往变平，并且与低而长的床沙形体无关。

③高流态（Upper flow regime）：水和沉积物的界面是平面或各种瞬息变化的起伏面，沉积物大量而不断地被搬运着，卵石大约以平均水流速度一半的速度向下游运移。水流中的能量被颗粒的糙度和惯性阻力，逆行沙丘波的破碎以及沉积物波形的产生与消失所耗散；水面的起伏与被隆起的沉积物底形同相位。没有顺流分选，流到下游去的沉积物和组成底床的沉积物具有同样的粒度分布（图6）。

侵蚀一改造水流有选择地搬运其底床物质。分选机理和分选程度随流速变化而变化。因此，沉积物在顺水流方向上有规律地分选开来，其最终产物按主要作用、颗粒粒度以及它们在底床物质中的丰