CN108677894A - 一种利用管道型岩溶地下水发电***及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种地下岩溶***，尤其是涉及一种利用管道型岩溶地下水发电***及设计方法。一种利用管道型岩溶地下水发电***，包括岩溶管道，通过在岩溶管道的最低发育点旁设有集水井和沉砂池，集水井通过发电泄水通道与岩溶管道的最低发育点连通，沉砂池通过排沙通道与岩溶管道的最低发育点连通，对岩溶管道内的泥沙和水实现分流，可以预防岩溶管道中的泥沙淤堵；发电泄水通道上设有发电机组，岩溶管道的最低发育点上方设有与山体下方的天然河道连通的溢流通道，溢流通道上设有排水控制闸阀，通过发电机组将水能转化为电能，且发电水头和流量可以调节控制，***运行的稳定性和可靠性可以得到保障；***布置简单，具备较好的运行与检修条件。
Description
技术领域
本发明涉及一种地下岩溶***，尤其是涉及一种利用管道型岩溶地下水发电***及设计方法。
背景技术
地下岩溶***在我国西南地区极为发育。按岩溶形态，可以分为管道型、裂隙型。对于管道型岩溶，又可分为空腔型、泥沙充填型、过水型、混合充填型等情况。一般情况下，管道型岩溶充填物以泥、沙、水混合充填居多。
在岩溶地区建造地下工程，为了避免管道型岩溶对工程的危害，通常的处理方式是将岩溶充填物挖除后换填混凝土、溶蚀空腔直接回填混凝土，同时将岩溶水引排至工程影响区以外作为废弃水进行***。
显然，对于水源补给稳定且落差较大的管道型岩溶，如果直接将岩溶水废弃***，将造成水能资源的严重浪费。尤其是对于流量较大的管道型岩溶，这种浪费尤为突出。
为此，亟待研究出一种能充分利用岩溶地下水资源的技术并应用于实际。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种可实现岩溶地下水资源综合利用的利用管道型岩溶地下水发电***及设计方法。
本发明采用的技术方案是：一种利用管道型岩溶地下水发电***，包括岩溶管道，其特征在于：所述岩溶管道的最低发育点旁设有集水井和沉砂池，所述集水井通过发电泄水通道与岩溶管道的最低发育点连通，所述集水井与岩溶管道的最低发育点之间的发电泄水通道上设有发电机组，所述集水井通过斜井与山体下方的天然河道连通；所述沉砂池通过排沙通道与岩溶管道的最低发育点连通，所述沉砂池与岩溶管道的最低发育点之间的排沙通道上设有排沙蝶阀；所述集水井和沉砂池之间通过施工通道连通，所述岩溶管道的最低发育点下游设有用于封闭岩溶管道的堵头。
作为优选，所述岩溶管道的最低发育点上方设有与山体下方的天然河道连通的溢流通道，所述溢流通道上设有排水控制闸阀。
进一步的，所述集水井距离岩溶管道的最低发育点的水平距离为 20～100m，集水井的深度为1～7m，集水井的容积大小为100～500m3。
更进一步的，发电弃水通过集水井与斜井排放至天然河道；若发电机组底板高程低于天然河道最高洪水位，则集水井与抽排斜井之间设抽水泵排放发电弃水；所述斜井的出口高程高于天然河道的最高洪水位0.5～5m。
作为优选，所述沉砂池的深度为1～5m，所述排沙通道的底板高程比岩溶管道的最低发育点的高程低1～2m。
作为优选，所述溢流通道通过竖井与岩溶管道的最低发育点连通，所述溢流通道的底板高程高于岩溶管道的最低发育点高程20～150m，溢流通道出口高程高于山体下方天然河道的最高水位0.5～5m。
进一步的，所述竖井的直径为0.5～2m。
作为优选，所述排沙蝶阀与岩溶管道的最低发育点之间设有用于实时测定泥沙淤积厚度的压力传感器，所述排沙蝶阀的量程1～2MPa。
作为优选，所述堵头采用C25混凝土堵头，所述堵头的长度为 10～30m。
一种利用管道型岩溶地下水发电***的设计方法，包括以下步骤：
a、根据前期地质勘探结果，确定岩溶管道的最低发育点P0；
b、从地表或岩溶管道附近修建第一施工通道，到达P0点下游附近的P1点，P1点距离P0点的水平距离为20～100m；
c、从P1点开始建造集水井和斜井，斜井的出口高程应高于山体下方天然河道的最高水位0.5～5m，防止河水倒灌；
d、与步骤c同步，平行且距离发电泄水通道15～30m的位置实施第二施工通道和沉砂池；
e、当沉砂池开挖至排沙通道的底板高程后，开始实施沉砂池与岩溶管道之间的排沙通道；在排沙通道中部安装排沙蝶阀，排沙蝶阀和岩溶管道之间安装压力传感器，以实时测定泥沙淤积厚度；
f、当集水井开挖至发电泄水通道的底板高程且与斜井贯通后，开始实施集水井与岩溶管道之间的发电泄水通道，并在发电泄水通道贯通前安装抽水泵；
g、在实施步骤c～f过程中，可同步实施溢流通道，溢流通道的底板高程高于P0点高程20～150m且高于山体下方天然河道的最高设计水位0.5～5m；在溢流通道内、P0点正上方实施连接溢流通道和岩溶管道的竖井；
h、在发电泄水通道上安装发电机组，发电机组的容量根据岩溶水量和稳定水头综合确定；
i、采用堵头封闭发电泄水通道下游侧的岩溶管道；岩溶管道内的岩溶水头抬高，通过发电机组控制过流量并发电，发电弃水通过集水井和斜井***到山体下方天然河道中；***运行过程中，通过压力传感器控制排沙蝶阀的启闭运行时间，定期对泥沙进行冲洗排放，保证泥沙淤积高度不超过P1点高程，排沙过程中，机组自动停止运行。
本发明取得的有益效果是：通过在岩溶管道的最低发育点下游旁设有集水井和沉砂池，集水井通过发电泄水通道与岩溶管道的最低发育点连通，沉砂池通过排沙通道与岩溶管道的最低发育点连通，对岩溶管道内的泥沙和水实现分流，可以预防岩溶管道中的泥沙淤堵；发电泄水通道上设有发电机组，岩溶管道的最低发育点正上方设有山体下方的天然河道连通的溢流通道，溢流通道上设有排水控制闸阀，通过发电机组将水能转化为电能，且发电水头和流量可以调节控制，***运行的稳定性和可靠性可以得到保障；***布置简单，具备较好的运行与检修条件。本发明拟在贵州某大型岩溶***应用，可充分利用岩溶水资源的水量和水头，产生明显的发电效益，值得在类似工程推广应用，社会效益和经济效益显著。
附图说明
图1为本发明的平面示意图；
图2为图1的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1-2所示，一种利用管道型岩溶地下水发电***，包括岩溶管道1，在岩溶管道1的最低发育点P0旁(附件)设有集水井10和沉砂池7，集水井10的位置选择，是从地表或附近某处修建第一施工通道2，到达P0点下游附近的P1点，P1点距离P0点的水平距离一般以20m～100m为宜，集水井10通过发电泄水通道8与岩溶管道1 的最低发育点P0连通，集水井10的深度一般为1～7m，集水井的容积为100～500m3(具体容量可根据岩溶最大来水量的2～3倍确定)，集水井跨度(边长)一般控制在3～10m范围内；发电泄水通道8上设有发电机组9(采用贯流式发电机组)，发电泄水通道8的断面形式为城门洞型，断面尺寸根据发电机组9的需要确定，一般为(3m×3.5m) ～(5m×7m)(宽×高)；集水井10通过斜井11与山体(图中17为山体地形线)下方的天然河道18连通，发电弃水通过集水井10和斜井11排放到天然河道18中，根据实际情况可在集水井10和斜井11 之间设置抽水泵12(如果发电机组9底板高程低于天然河道18最高洪水位，则集水井10与抽排斜井11之间设抽水泵12，通过抽水泵 12排放发电弃水)，将，斜井11的出口高程应高于山体外天然河道 18的最高洪水位0.5～5m，防止河水倒灌进入斜井11，斜井11为城门洞型且断面尺寸为(2m×2.5m)～(3m×3.5m)(宽×高)。发电泄水通道8、发电机组9、集水井10和斜井11组成排水发电***，利用管道型岩溶的特点，对于水源补给稳定且落差较大的管道型岩溶水，将水能转化为电能，避免直接将岩溶水废弃***，将造成水能资源的浪费。
近似平行且距离发电泄水通道8约15～30m的位置实施第二施工通道3和沉砂池7，沉砂池7深度1～5m，沉砂池7的容积大小根据岩溶年泥沙输入量合理确定，沉砂池跨度(边长)一般控制在3～10m 范围内；沉砂池7通过排沙通道4与岩溶管道1的最低发育点P0连通，排沙通道4的中部安装排沙蝶阀5，排沙通道4的底板高程比P0 的高程低1m～2m(即P0和P2点的高程差P0-P2为1～2m)，以确保泥沙通过排沙通道4进入沉砂池7而不进入发电泄水通道8，排沙通道 4的断面形式采用城门洞型或圆形，城门洞型断面尺寸一般为(2m ×2.5m)～(3m×3.5m)(宽×高)，圆形断面的直径一般为1m～3m，具体尺寸根据泥沙量、排沙蝶阀5的型号确定，排沙蝶阀5的量程 1～2MPa；排沙蝶阀5与岩溶管道1的最低发育点P0之间设有用于实时测定泥沙淤积厚度的压力传感器6。排沙通道4、沉砂池7、压力传感器6和排水蝶阀5组成沉淀排沙***，整个***运行过程中，通过压力传感器6控制排水蝶阀5的启闭运行时间，定期对岩溶管道1 内的泥沙进行冲洗排放，保证泥沙淤积高度不超过P1点高程，排沙过程中，机组自动停止运行。
利用排沙通道4和发电泄水通道8，保证岩溶管道1的泥沙和水的自动分流。
集水井10和沉砂池7之间通过施工通道(第一施工通道2和第二施工通道3)连通，方便集水井10和沉砂池7的施工；岩溶管道1 的最低发育点P0下游设有用于封闭岩溶管道1的堵头16，堵头16 采用C25混凝土堵头，堵头16的长度为10～30m，具体根据后期承受的最大水头及管道形态计算确定，保证岩溶管道1上游来的岩溶水均通过发电泄水通道8，避免直接将岩溶水废弃***，将造成水能资源的浪费，也可保证通过发电机组9的水流稳定。
岩溶管道1的最低发育点P0正上方设有用于调压的竖井14，竖井14与溢流通道13连通，溢流通道13上设有排水控制闸阀15，溢流通道13采用城门洞型断面，断面尺寸一般为(2m×2.5m)～(3m ×3.5m)(宽×高)，溢流通道13的底板高程高于P0点高程20～150m 且高于山体外天然河道18的最高设计洪水位0.5～5m，具体可根据岩溶来水量及发电机组9的装机容量综合确定；在溢流通道13内、 P0点正上方用反井钻机钻设竖井14，竖井14连接溢流通道13和岩溶管道1，竖井14的直径为0.5～2m。溢流通道13中部合适部位安装排水控制闸阀15，排水控制闸阀15的量程为1～2MPa，排水控制闸阀 15一般处于关闭状态，仅当岩溶来水突然超过正常范围而危及发电机组9运行安全时，打开排水控制闸阀15并将岩溶水敞泄至天然河道18中。溢流通道13、竖井14和排水控制闸阀15组成溢流调压***，保证发电水头和水轮机在合理区间运行，***运行的稳定性和可靠性可以得到保障。
一种利用管道型岩溶地下水发电***的设计方法，包括以下步骤：
a、根据前期地质勘探结果，确定岩溶管道1的最低发育点P0；
b、从地表或岩溶管道1附近修建第一施工通道2，到达P0点下游附近的P1点，P1点距离P0点的水平距离一般以20～100m为宜；
c、从P1点开始建造集水井10和斜井11，集水井10的深度一般为1～7m，集水井10的容积大小根据岩溶最大来水量的2～3倍确定，集水井10跨度(边长)一般控制在3～10m范围内；斜井11的出口高程应高于山体外天然河道18的最高洪水位0.5～5m，防止河水倒灌进入斜井11；斜井11为城门洞型且断面尺寸为(2m×2.5m)～(3m ×3.5m)(宽×高)；
d、与步骤c同步，平行且距离发电泄水通道8约15～30m的位置实施第二施工通道3和沉砂池7，沉砂池7深度1～5m，沉砂池7的容积大小根据岩溶年泥沙输入量合理确定，沉砂池跨度(边长)一般控制在3～10m范围内；
e、当沉砂池7开挖至排沙通道4的底板高程后，开始实施沉砂池7与岩溶管道1之间的排沙通道4；在排沙通道4中部安装排沙蝶阀5，排沙蝶阀5和岩溶管道1之间安装压力传感器6，以实时测定泥沙淤积厚度；排沙通道4的底板高程比P0的高程低1～2m(即P0 和P2点的高程差P0-P2为1～2m)，以确保泥沙通过排沙通道4进入沉砂池7而不进入发电泄水通道8；排沙通道4的断面形式采用城门洞型或圆形，城门洞型断面尺寸一般为(2m×2.5m)～(3m×3.5m) (宽×高)，圆形断面的直径一般为1m～3m，具体尺寸根据泥沙量、排沙蝶阀5的型号确定；本实施例中，排沙蝶阀5的量程为1～2MPa；
f、当集水井10开挖至发电泄水通道8的底板高程且与斜井11 贯通后，开始实施集水井10与岩溶管道1之间的发电泄水通道8，并在发电泄水通道8贯通前安装抽水泵12，发电泄水通道8的断面形式为城门洞型，断面尺寸根据发电机组9的需要确定，一般为(3m ×3.5m)～(5m×7m)(宽×高)；
g、在实施步骤c～f过程中，可同步实施溢流通道13，溢流通道 13采用城门洞型断面，断面尺寸一般为(2m×2.5m)～(3m×3.5m) (宽×高)；溢流通道13的底板高程高于P0点高程20～150m且高于山体外天然河道18的最高设计水位0.5～2m，具体可根据岩溶来水量及发电机组9的装机容量综合确定；在溢流通道13内、P0点正上方实施连接溢流通道13和岩溶管道1的竖井14；
h、在发电泄水通道8内安装发电机组9，此时岩溶管道1内的岩溶水通过排沙通道4流入集水井10，进一步排放到天然河道18中，发电机组9的容量根据岩溶水量和稳定水头综合确定；在发电泄水通道8内的发电机组9上游，可以安装挡水墙，防止岩溶管道1的岩溶水流量过大，部分岩溶水流入到发电泄水通道8内，对发电机组9的安装造成影响；
i、采用堵头16(采用C25混凝土堵头)封闭发电泄水通道8下游侧的岩溶管道1；岩溶管道1内的岩溶水头抬高，通过发电机组9 控制过流量并发电，发电弃水通过集水井10和抽水泵12抽排到山体下方天然河道18中；***运行过程中，通过压力传感器6控制排沙蝶阀5的启闭运行时间，定期对泥沙进行冲洗排放，保证泥沙淤积高度不超过P1点高程，排沙过程中，机组自动停止运行。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不受上述实例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种利用管道型岩溶地下水发电***，包括岩溶管道(1)，其特征在于：所述岩溶管道(1)的最低发育点旁设有集水井(10)和沉砂池(7)，所述集水井(10)通过发电泄水通道(8)与岩溶管道(1)的最低发育点连通，所述发电泄水通道(8)上设有发电机组(9)，所述集水井(10)通过斜井(11)与山体下方的天然河道(18)连通；所述沉砂池(7)通过排沙通道(4)与岩溶管道(1)的最低发育点连通，所述排沙通道(4)上设有排沙蝶阀(5)；所述集水井(10)和沉砂池(7)之间通过施工通道连通，所述岩溶管道(1)的最低发育点下游设有用于封闭岩溶管道(1)的堵头(16)。
2.根据权利要求1所述的利用管道型岩溶地下水发电***，其特征在于：所述岩溶管道(1)的最低发育点上方设有与山体下方的天然河道(18)连通的溢流通道(13)，所述溢流通道(13)上设有排水控制闸阀(15)。
3.根据权利要求1或2所述的利用管道型岩溶地下水发电***，其特征在于：所述集水井(10)距离岩溶管道(1)的最低发育点的水平距离为20～100m，集水井(10)的深度为1～7m，集水井(10)的容积大小为100～500m3。
4.根据权利要求3所述的利用管道型岩溶地下水发电***，其特征在于：发电弃水通过集水井(10)与斜井(11)排放至天然河道(18)；若发电机组(9)高程低于天然河道(18)最高洪水位，则集水井(10)与抽排斜井(11)之间设抽水泵(12)，通过抽水泵(12)排放发电弃水，所述斜井(11)的出口高程高于天然河道(18)的最高洪水位0.5～5m。
5.根据权利要求1所述的利用管道型岩溶地下水发电***，其特征在于：所述沉砂池(7)的深度为1～5m，所述排沙通道(4)的底板高程比岩溶管道(1)的最低发育点的高程低1～2m。
6.根据权利要求1所述的利用管道型岩溶地下水发电***，其特征在于：所述溢流通道(13)通过竖井(14)与岩溶管道(1)的最低发育点连通，所述溢流通道(13)的底板高程高于岩溶管道(1)的最低发育点高程20～150m，溢流通道(13)出口高程高于山体下方天然河道(18)的最高洪水位0.5～5m。
7.根据权利要求6所述的利用管道型岩溶地下水发电***，其特征在于：所述竖井(14)的直径为0.5～2m。
8.根据权利要求1所述的利用管道型岩溶地下水发电***，其特征在于：所述排沙蝶阀(5)与岩溶管道(1)的最低发育点之间设有用于实时测定泥沙淤积厚度的压力传感器(6)，所述排沙蝶阀(5)的量程1～2MPa。
9.根据权利要求1所述的利用管道型岩溶地下水发电***，其特征在于：所述堵头(16)采用C25混凝土堵头，所述堵头(16)的长度为10～30m。
10.一种利用管道型岩溶地下水发电***的设计方法，包括以下步骤：
a、根据前期地质勘探结果，确定岩溶管道(1)的最低发育点P0；
b、从地表或岩溶管道(1)附近修建第一施工通道(2)，到达P0点下游附近的P1点，P1点距离P0点的水平距离为20～100m；
c、从P1点开始建造集水井(10)和斜井(11)，斜井(11)的出口高程应高于山体下方天然河道(18)的最高水位0.5～5m，防止河水倒灌；
d、与步骤c同步，平行且距离发电泄水通道(8)15～30m的位置实施第二施工通道(3)和沉砂池(7)；
e、当沉砂池(7)开挖至排沙通道(4)的底板高程后，开始实施沉砂池(7)与岩溶管道(1)之间的排沙通道(4)；在排沙通道(4)中部安装排沙蝶阀(5)，排沙蝶阀(5)和岩溶管道(1)之间安装压力传感器(6)，以实时测定泥沙淤积厚度；
f、当集水井(10)开挖至发电泄水通道(8)的底板高程且与斜井(11)贯通后，开始实施集水井(10)与岩溶管道(1)之间的发电泄水通道(8)，并在发电泄水通道(8)贯通前安装抽水泵(12)；
g、在实施步骤c～f过程中，可同步实施溢流通道(13)，溢流通道(13)的底板高程高于P0点高程20～150m且高于山体下方天然河道(18)的最高设计水位0.5～5m；在溢流通道(13)内、P0点正上方实施连接溢流通道(13)和岩溶管道(1)的竖井(14)；
h、在发电泄水通道(8)上安装发电机组(9)，发电机组(9)的容量根据岩溶水量和稳定水头综合确定；
i、采用堵头(16)封闭发电泄水通道(8)下游侧的岩溶管道(1)；岩溶管道(1)内的岩溶水头抬高，通过发电机组(9)控制过流量并发电，发电弃水通过集水井(10)和斜井(11)***到山体下方天然河道(18)中；***运行过程中，通过压力传感器(6)控制排沙蝶阀(5)的启闭运行时间，定期对泥沙进行冲洗排放，保证泥沙淤积高度不超过P1点高程，排沙过程中，机组自动停止运行。
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- 2018-05-29 CN CN201810526213.6A patent/CN108677894B/zh active Active
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