時間：2011-08-29來源：人民黃河
摘要:對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行了比選。結果表明:自排沙廊道沉沙池方案只需要對原沉沙池作較小改造，具有結構簡單、占地少、不需要專門場地，可隨時適應水量、泥沙的大范圍變化，對排沙地形條件適應性好，排沙效率高、耗水少，維護管理簡便，運行成本低等優點。分析了自排沙廊道沉沙池建設中的問題，提出了相應的解決方案，并設計了相關的改造指標等。
關鍵詞: 泥沙; 沉沙池; 方案比選; 尊村引黃灌區
中圖分類號: TV673 文獻標識碼: A doi: 10． 3969 /j． issn． 1000-1379． 2011． 03． 032
1 工程概況
尊村引黃灌區是山西省一座大型多級提水灌區，建設規模為9 級31 站，設計揚程165． 44 m，設計提水流量為46．5 m3 /s，設計灌溉面積為11． 07 萬hm2。一級站直接從黃河取水，黃河水泥沙含量大，為了解決泥沙問題，2003 年在一級干渠0 +000—0 + 970 右側與舜帝灣護岸壩之間，建成一座湖泊型沉沙池，占地65． 7 hm2，總庫容為290 萬m3，設計運行年限3．7 a，現淤積庫容已達200 萬m3。目前，沉沙池最高淤泥面高程為346． 2 m，進口附近泥沙淤積高程達345． 75 m，比進水閘底高出2． 426 m，致使沉沙池進水困難，需要經常挖沙，疏通水流通道，增加了灌溉成本，延誤了灌溉時機。近年來，沉沙池占地費用陡增，征地以及淤積泥沙后處理(包括堆放和破壞環境) 更加困難，泥沙問題已成為制約尊村引黃灌區發展的“瓶頸”。筆者結合工程實際，對幾種沉沙池改造方案進行了比較，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“偏側進水、側槽溢流”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、導流板及排沙帽組成。在沉沙池進口至舜帝壩之間沿新筑1 號壩南側修建引渠和沉沙池，引渠長147 m，沉沙池長74． 7 m，設計水面高程為347． 1 m，池深2． 72m; 沉沙池內布設3 條廊道、總長245 m，減速、助沉設施75 座;廊道出口敷設3 條直徑為800 mm的輸沙鋼管，總長69 m; 在沉沙池南邊設溢流堰，溢流堰高程為346． 7 m、長92 m。該方案需要投資323 萬元。
(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站出水池以南，加高培厚舜帝灣護岸壩989 m、一干渠右渠堤970 m，新筑1 號壩216 m、2 號壩1 250 m，設計庫容290 萬m3。該方案對原堤壩加高，把最高水位提高到347． 25 m，對應庫容為325 萬m3，有效庫容為125 萬m3，可延長使用壽命2． 5 a。沉沙池水位抬高后，一級站出水池水位為347． 69 m，水泵地形揚程為6． 14 m，不超過最大地形揚程7． 55m，水泵還在高效區工作。該方案對3 425 m 長的堤壩加高1． 0m 并培厚，需要填土12． 5 萬m3，總投資為236 萬元。
(3) 新建湖泊型沉沙池方案(方案三) 。根據原規劃報告，利用一級干渠和舜帝灣護岸壩間的黃河一級階地(長約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驗，每個池的占地面積為100 ～ 133hm2，可修筑近30 個沉沙池。新建湖泊型沉沙池緊鄰第一個沉沙池，仍利用第一個池的進水閘，并在其池內距護岸壩30 m左右預留條渠輸水，修建橋涵通過2 號新筑堤壩進入第二個池，在池末端的一級干渠上修筑出水閘，將處理過的水返還一級干渠。該方案占用基本農田66． 7 hm2，新建出水閘1 座、橋涵1座，堤壩填筑土方42． 5 萬m3，需要投資1 819． 5 萬元。
方案三距渠首較遠，引渠泥沙淤積嚴重，若提水流量過小，需要不斷停水清淤，疏通渠道，且會占用基本農田66． 7 hm2，投資額最大。方案二投資最省，但使用年限短，泵站揚程還需要提高0． 5 m，按年提水7 200 萬m3 計，每年要增加電費4． 2 萬元。但是，仍存在原沉沙池進水口附近泥沙累積性淤積現象，需要經常挖渠引水，且沉沙池的施工影響一級站正常上水。方案一采用具有3 個發明專利的自排沙廊道技術［1 － 2］，新建自排沙沉沙池，只需要對原沉沙池做較小改造即可與主體工程結合為一體，結構簡單、占地少、不需要專門場地，可隨時適應水量、泥沙的大范圍變化，對排沙地形條件適應性好，排沙效率高、耗水少，排沙過程不使用任何機械，維護管理簡便，運行成本低，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計
3． 1 存在的問題
(1) 原沉沙池進水閘底高程為343． 32 m，距離進水口250m的舜帝壩外的排沙出口高程為343． 83 m，較進水閘底高出0． 5 m，形成了負落差。
(2) 運行時間長(每年300 多d) ，流量小，泥沙含量大，泥沙粒徑粗，形成嚴重的累積性淤積。
(3) 沉沙池水面高程受一級站揚程限制，總深度為2． 52m，淤泥高度為1． 22 m，水頭較小。
(4) 進水閘附近泥沙淤積高程達345． 75 m(即淤泥高出進水閘底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，設計采取以下措施。
(1) 在自排沙廊道沉沙池中，排沙孔呈網絡狀布設在水下的淤泥下。廊道排沙孔之間自然形成的沙墻相當于在沉沙池底部設置了一個個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。倒錐形漏斗內的相對靜水沉沙效率相當于動水的1． 3 ～ 1． 7 倍。
(2) 偏側進水的形式，使沉沙池水流旋轉具有帶動沉沙的功能，進一步提高粗泥沙沉淤效率: 一是相當于延長了沉沙池長度; 二是使粗泥沙在彎道環流的作用下遠離溢流堰，在沉沙池中部集聚。
(3) 側槽溢流，延長溢流長度，減少溢流水深，相當于提高了溢流高度，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) 根據黃河泥沙的懸沙不均勻分布特性，運用減速消能助沉技術和設施，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，減小沉沙池規模，節約建設資金。
(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利用地轉偏向力增能，利用水錘能量和疏根垂向起動技術起動淤泥; ④力矩增能; ⑤系統優化增能，理順各旋轉、直線、交叉匯合等水流的矢量方向，做到矢量耦合，達到相互促進(防止抵消) 、耦合增強(1 + 1 ＞ 2) 的目的; ⑥均衡補充能量增能，降低廊道流速，減少能量消耗，增大廊道的整體挾沙能力; ⑦優化結構增能，運用U 形結構構成廊道主體，有利于螺旋流形成和運行; ⑧創造螺旋流增大挾沙能力; ⑨轉化利用能量、消除紊流，減少能量消耗。
3． 3 設計指標
(1) 泥沙處理標準。依據《水利水電工程沉沙池設計規范》(SL269—2001) 中泥沙處理標準［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根據尊村灌區近幾年運行情況，確定沉沙池設計流量為10 ～ 20 m3 /s，平均耗水率為3%。
從灌區運行特點看，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—推轉換最為敏感，流速一旦下降就會迅速下沉，這是渠道和原沉沙池淤積影響進水的關鍵。所以，選擇粒徑0． 1 mm作為沉沙池最小沉淤粒徑。
(2) 兩期工程設計指標［4］。沉沙池計劃分兩期建設，一期設計流量為10 ～ 20 m3 /s。二期在一期的基礎上向左岸擴大，設計流量40 m3 /s，加大流量46． 5 m3 /s。
一期沉沙池采用“偏側進水、側槽溢流”的布置方式，在沉沙池進口至舜帝壩之間沿新筑1 號壩南修建引渠和沉沙池，引渠長度為147 m，設計比降為1 /1 200，邊坡1 ∶ 4; 設計水面高程為347． 1 m，池深為2． 72 m，其中包括沉沙高度1． 22 m，沉沙池長74． 7 m，平均底寬22． 64 m，邊坡1 ∶ 4，廊道與閘臺之間的輸沙廊道長6． 44 m，舜帝壩和新筑1 號壩高程增加至347． 6 m; 3條廊道總長245 m，采用現澆C25 混凝土; 建3 個閘臺; 池內設置減速、助沉消能塔75 座(2 250 根消力梁) ，為現澆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69m; 設計排沙流量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，長度為92m。廊道、閘臺基礎為M7． 5 水泥砂漿砌石。
二期在一期自排沙沉沙池的基礎上向左岸擴大，設計寬度為73 m，長度為86 m，同時增加自排沙廊道、減速消能助沉設施、閘臺、輸沙管、消力池等設施。
4 結語
尊村引黃灌區選用自排沙廊道沉沙池改造方案，延長了湖泊型沉沙池的使用壽命，采用技術成熟、排沙可靠，投資省、結構簡單，運行、管理方便可靠，節能減排效果明顯，對周圍環境影響也較小。
參考文獻:
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［2］ 譚培根． 自排沙廊道排沙技術及其應用［J］． 南水北調與水利科技，2006，4(5) : 28 － 30．
［3］ 中華人民共和國水利部． SL269—2001 水利水電工程沉沙池設計規范［S］．北京: 中國水利水電出版社，2001．
［4］ 國家質量技術監督局，中華人民共和國建設部． GB50288—99 灌溉與排水工程設計規范［S］． 北京: 中國計劃出版社，1999．
作者簡介:徐睿(1970—) ，男，山西萬榮人，工程師，主要從事水利設計工作。
