摘要:對(duì)尊村引黃沉沙池改造自排沙廊道沉沙池方案、原湖泊型沉沙池清淤加高方案、新建湖泊型沉沙池方案進(jìn)行了比選。結(jié)果表明:自排沙廊道沉沙池方案只需要對(duì)原沉沙池作較小改造，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地少、不需要專門場(chǎng)地，可隨時(shí)適應(yīng)水量、泥沙的大范圍變化，對(duì)排沙地形條件適應(yīng)性好，排沙效率高、耗水少，維護(hù)管理簡(jiǎn)便，運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。分析了自排沙廊道沉沙池建設(shè)中的問(wèn)題，提出了相應(yīng)的解決方案，并設(shè)計(jì)了相關(guān)的改造指標(biāo)等。

關(guān)鍵詞: 泥沙; 沉沙池; 方案比選; 尊村引黃灌區(qū)

中圖分類號(hào): TV673 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A doi: 10． 3969 /j． issn． 1000-1379． 2011． 03． 032

1 工程概況

尊村引黃灌區(qū)是山西省一座大型多級(jí)提水灌區(qū)，建設(shè)規(guī)模為9 級(jí)31 站，設(shè)計(jì)揚(yáng)程165． 44 m，設(shè)計(jì)提水流量為46．5 m3 /s，設(shè)計(jì)灌溉面積為11． 07 萬(wàn)hm2。一級(jí)站直接從黃河取水，黃河水泥沙含量大，為了解決泥沙問(wèn)題，2003 年在一級(jí)干渠0 +000—0 + 970 右側(cè)與舜帝灣護(hù)岸壩之間，建成一座湖泊型沉沙池，占地65． 7 hm2，總庫(kù)容為290 萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)運(yùn)行年限3．7 a，現(xiàn)淤積庫(kù)容已達(dá)200 萬(wàn)m3。目前，沉沙池最高淤泥面高程為346． 2 m，進(jìn)口附近泥沙淤積高程達(dá)345． 75 m，比進(jìn)水閘底高出2． 426 m，致使沉沙池進(jìn)水困難，需要經(jīng)常挖沙，疏通水流通道，增加了灌溉成本，延誤了灌溉時(shí)機(jī)。近年來(lái)，沉沙池占地費(fèi)用陡增，征地以及淤積泥沙后處理(包括堆放和破壞環(huán)境) 更加困難，泥沙問(wèn)題已成為制約尊村引黃灌區(qū)發(fā)展的“瓶頸”。筆者結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)幾種沉沙池改造方案進(jìn)行了比較，推薦采用自排沙沉沙池方案。

2 改造方案比較(1) 自排沙廊道沉沙池方案(方案一) 。沉沙池采用“偏側(cè)進(jìn)水、側(cè)槽溢流”的布置方式，由引水渠、溢流堰、排沙廊道、控制閘門、增旋排沙孔、導(dǎo)流板及排沙帽組成。在沉沙池進(jìn)口至舜帝壩之間沿新筑1 號(hào)壩南側(cè)修建引渠和沉沙池，引渠長(zhǎng)147 m，沉沙池長(zhǎng)74． 7 m，設(shè)計(jì)水面高程為347． 1 m，池深2． 72m; 沉沙池內(nèi)布設(shè)3 條廊道、總長(zhǎng)245 m，減速、助沉設(shè)施75 座;廊道出口敷設(shè)3 條直徑為800 mm的輸沙鋼管，總長(zhǎng)69 m; 在沉沙池南邊設(shè)溢流堰，溢流堰高程為346． 7 m、長(zhǎng)92 m。該方案需要投資323 萬(wàn)元。

(2) 原湖泊型沉沙池清淤加高方案(方案二) 。原湖泊型沉沙池位于一級(jí)站出水池以南，加高培厚舜帝灣護(hù)岸壩989 m、一干渠右渠堤970 m，新筑1 號(hào)壩216 m、2 號(hào)壩1 250 m，設(shè)計(jì)庫(kù)容290 萬(wàn)m3。該方案對(duì)原堤壩加高，把最高水位提高到347． 25 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容為325 萬(wàn)m3，有效庫(kù)容為125 萬(wàn)m3，可延長(zhǎng)使用壽命2． 5 a。沉沙池水位抬高后，一級(jí)站出水池水位為347． 69 m，水泵地形揚(yáng)程為6． 14 m，不超過(guò)最大地形揚(yáng)程7． 55m，水泵還在高效區(qū)工作。該方案對(duì)3 425 m 長(zhǎng)的堤壩加高1． 0m 并培厚，需要填土12． 5 萬(wàn)m3，總投資為236 萬(wàn)元。

(3) 新建湖泊型沉沙池方案(方案三) 。根據(jù)原規(guī)劃報(bào)告，利用一級(jí)干渠和舜帝灣護(hù)岸壩間的黃河一級(jí)階地(長(zhǎng)約12km，平均寬3 km，地面高程較低的低凹地帶) ，借鑒河南邙山泵站已成的湖泊形沉沙池的經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)池的占地面積為100 ～ 133hm2，可修筑近30 個(gè)沉沙池。新建湖泊型沉沙池緊鄰第一個(gè)沉沙池，仍利用第一個(gè)池的進(jìn)水閘，并在其池內(nèi)距護(hù)岸壩30 m左右預(yù)留條渠輸水，修建橋涵通過(guò)2 號(hào)新筑堤壩進(jìn)入第二個(gè)池，在池末端的一級(jí)干渠上修筑出水閘，將處理過(guò)的水返還一級(jí)干渠。該方案占用基本農(nóng)田66． 7 hm2，新建出水閘1 座、橋涵1座，堤壩填筑土方42． 5 萬(wàn)m3，需要投資1 819． 5 萬(wàn)元。

方案三距渠首較遠(yuǎn)，引渠泥沙淤積嚴(yán)重，若提水流量過(guò)小，需要不斷停水清淤，疏通渠道，且會(huì)占用基本農(nóng)田66． 7 hm2，投資額最大。方案二投資最省，但使用年限短，泵站揚(yáng)程還需要提高0． 5 m，按年提水7 200 萬(wàn)m3 計(jì)，每年要增加電費(fèi)4． 2 萬(wàn)元。但是，仍存在原沉沙池進(jìn)水口附近泥沙累積性淤積現(xiàn)象，需要經(jīng)常挖渠引水，且沉沙池的施工影響一級(jí)站正常上水。方案一采用具有3 個(gè)發(fā)明專利的自排沙廊道技術(shù)［1 － 2］，新建自排沙沉沙池，只需要對(duì)原沉沙池做較小改造即可與主體工程結(jié)合為一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地少、不需要專門場(chǎng)地，可隨時(shí)適應(yīng)水量、泥沙的大范圍變化，對(duì)排沙地形條件適應(yīng)性好，排沙效率高、耗水少，排沙過(guò)程不使用任何機(jī)械，維護(hù)管理簡(jiǎn)便，運(yùn)行成本低，投資雖比方案二大，但使用年限為10 a以上，因此推薦方案一。

3 自排沙廊道沉沙池設(shè)計(jì)

3． 1 存在的問(wèn)題

(1) 原沉沙池進(jìn)水閘底高程為343． 32 m，距離進(jìn)水口250m的舜帝壩外的排沙出口高程為343． 83 m，較進(jìn)水閘底高出0． 5 m，形成了負(fù)落差。

(2) 運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)(每年300 多d) ，流量小，泥沙含量大，泥沙粒徑粗，形成嚴(yán)重的累積性淤積。

(3) 沉沙池水面高程受一級(jí)站揚(yáng)程限制，總深度為2． 52m，淤泥高度為1． 22 m，水頭較小。

(4) 進(jìn)水閘附近泥沙淤積高程達(dá)345． 75 m(即淤泥高出進(jìn)水閘底2． 426 m) ，沉沙池最高淤積面高程為346． 2 m，泥沙淤積影響進(jìn)水。

3．2 采取的措施

尊村引黃沉沙池地形條件不利于沉沙排沙，設(shè)計(jì)采取以下措施。

(1) 在自排沙廊道沉沙池中，排沙孔呈網(wǎng)絡(luò)狀布設(shè)在水下的淤泥下。廊道排沙孔之間自然形成的沙墻相當(dāng)于在沉沙池底部設(shè)置了一個(gè)個(gè)倒錐形靜水沉沙漏斗，水流下部的粗泥沙和高含沙水以異重流形式隨著渦流快速旋入錐形底部，加快泥沙沉降速度。倒錐形漏斗內(nèi)的相對(duì)靜水沉沙效率相當(dāng)于動(dòng)水的1． 3 ～ 1． 7 倍。

(2) 偏側(cè)進(jìn)水的形式，使沉沙池水流旋轉(zhuǎn)具有帶動(dòng)沉沙的功能，進(jìn)一步提高粗泥沙沉淤效率: 一是相當(dāng)于延長(zhǎng)了沉沙池長(zhǎng)度; 二是使粗泥沙在彎道環(huán)流的作用下遠(yuǎn)離溢流堰，在沉沙池中部集聚。

(3) 側(cè)槽溢流，延長(zhǎng)溢流長(zhǎng)度，減少溢流水深，相當(dāng)于提高了溢流高度，有效地阻隔了下層含沙水，增大了上層清水沿溢流堰輸出的比例。

(4) 根據(jù)黃河泥沙的懸沙不均勻分布特性，運(yùn)用減速消能助沉技術(shù)和設(shè)施，使水流下層的高含沙渾水及粗泥沙分布層的流速減慢，促進(jìn)粗泥沙下沉。也可以使上層水流速度加快，即提高處理水流能力和效率，減小沉沙池規(guī)模，節(jié)約建設(shè)資金。

(5) 增能措施。①充分利用沉沙池水頭、泥沙重力等自然能量增能; ②真空增能; ③利用地轉(zhuǎn)偏向力增能，利用水錘能量和疏根垂向起動(dòng)技術(shù)起動(dòng)淤泥; ④力矩增能; ⑤系統(tǒng)優(yōu)化增能，理順各旋轉(zhuǎn)、直線、交叉匯合等水流的矢量方向，做到矢量耦合，達(dá)到相互促進(jìn)(防止抵消) 、耦合增強(qiáng)(1 + 1 ＞ 2) 的目的; ⑥均衡補(bǔ)充能量增能，降低廊道流速，減少能量消耗，增大廊道的整體挾沙能力; ⑦優(yōu)化結(jié)構(gòu)增能，運(yùn)用U 形結(jié)構(gòu)構(gòu)成廊道主體，有利于螺旋流形成和運(yùn)行; ⑧創(chuàng)造螺旋流增大挾沙能力; ⑨轉(zhuǎn)化利用能量、消除紊流，減少能量消耗。

3． 3 設(shè)計(jì)指標(biāo)

(1) 泥沙處理標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)《水利水電工程沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL269—2001) 中泥沙處理標(biāo)準(zhǔn)［3］確定: ①出池粒徑不大于0． 1 mm; ②大于等于泥沙允許粒徑的泥沙沉降率取80% ～85%，粒徑為0． 05 ～ 0． 1 mm 沉降率為60%，粒徑0． 05 mm 以下不處理; ③根據(jù)尊村灌區(qū)近幾年運(yùn)行情況，確定沉沙池設(shè)計(jì)流量為10 ～ 20 m3 /s，平均耗水率為3%。

從灌區(qū)運(yùn)行特點(diǎn)看，原沉沙池淤沙粒徑大于0． 05 mm 的泥沙占99． 75%，粒徑大于0． 1 mm 的泥沙占71． 96%，該部分泥沙的懸—推轉(zhuǎn)換最為敏感，流速一旦下降就會(huì)迅速下沉，這是渠道和原沉沙池淤積影響進(jìn)水的關(guān)鍵。所以，選擇粒徑0． 1 mm作為沉沙池最小沉淤粒徑。

(2) 兩期工程設(shè)計(jì)指標(biāo)［4］。沉沙池計(jì)劃分兩期建設(shè)，一期設(shè)計(jì)流量為10 ～ 20 m3 /s。二期在一期的基礎(chǔ)上向左岸擴(kuò)大，設(shè)計(jì)流量40 m3 /s，加大流量46． 5 m3 /s。

一期沉沙池采用“偏側(cè)進(jìn)水、側(cè)槽溢流”的布置方式，在沉沙池進(jìn)口至舜帝壩之間沿新筑1 號(hào)壩南修建引渠和沉沙池，引渠長(zhǎng)度為147 m，設(shè)計(jì)比降為1 /1 200，邊坡1 ∶ 4; 設(shè)計(jì)水面高程為347． 1 m，池深為2． 72 m，其中包括沉沙高度1． 22 m，沉沙池長(zhǎng)74． 7 m，平均底寬22． 64 m，邊坡1 ∶ 4，廊道與閘臺(tái)之間的輸沙廊道長(zhǎng)6． 44 m，舜帝壩和新筑1 號(hào)壩高程增加至347． 6 m; 3條廊道總長(zhǎng)245 m，采用現(xiàn)澆C25 混凝土; 建3 個(gè)閘臺(tái); 池內(nèi)設(shè)置減速、助沉消能塔75 座(2 250 根消力梁) ，為現(xiàn)澆C20 混凝土; 采用頂管施工修建3 條直徑為800 mm的輸沙鋼管，總長(zhǎng)69m; 設(shè)計(jì)排沙流量0． 826 ～ 2． 80 m3 /s，排沙耗水比為3% (即排沙水量與輸水總量之比) 左右; 排沙出口的消力采用鉛絲籠石槽;在沉沙池南邊(左岸) 為溢流堰，高程為346． 7 m，長(zhǎng)度為92m。廊道、閘臺(tái)基礎(chǔ)為M7． 5 水泥砂漿砌石。

二期在一期自排沙沉沙池的基礎(chǔ)上向左岸擴(kuò)大，設(shè)計(jì)寬度為73 m，長(zhǎng)度為86 m，同時(shí)增加自排沙廊道、減速消能助沉設(shè)施、閘臺(tái)、輸沙管、消力池等設(shè)施。

4 結(jié)語(yǔ)

尊村引黃灌區(qū)選用自排沙廊道沉沙池改造方案，延長(zhǎng)了湖泊型沉沙池的使用壽命，采用技術(shù)成熟、排沙可靠，投資省、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行、管理方便可靠，節(jié)能減排效果明顯，對(duì)周圍環(huán)境影響也較小。

參考文獻(xiàn):

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［2］ 譚培根． 自排沙廊道排沙技術(shù)及其應(yīng)用［J］． 南水北調(diào)與水利科技，2006，4(5) : 28 － 30．

［3］ 中華人民共和國(guó)水利部． SL269—2001 水利水電工程沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京: 中國(guó)水利水電出版社，2001．

［4］ 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，中華人民共和國(guó)建設(shè)部． GB50288—99 灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］． 北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社，1999．

作者簡(jiǎn)介:徐睿(1970—) ，男，山西萬(wàn)榮人，工程師，主要從事水利設(shè)計(jì)工作。