黃花灘水利骨干工程壓力管道進(jìn)口沉沙池設(shè)計分析

王明鋒

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院 甘肅蘭州 730000)

1 概述

古浪縣地處甘肅省河西走廊東端，祁連山北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 102°38′～103°54′，北緯37°09′～37°54′之間。全縣南北寬 68km，東西長88km，總面積5103km2，耕地面積7.53萬hm2。黃花灘項目區(qū)主要位于古浪縣城東北部的黃花灘、西靖兩鄉(xiāng)，地勢相對平坦，土地資源豐富，開發(fā)潛力較大。黃花灘鄉(xiāng)位于古浪縣城東北部40 km處，東鄰西靖、井泉鄉(xiāng)，南靠黃羊川鄉(xiāng)，西連定寧、土門、永豐灘鄉(xiāng)，北靠騰格里沙漠并與涼洲區(qū)接壤，轄區(qū)總面積 280km2?，F(xiàn)狀耕地面積0.43萬hm2，是一個井灌為主、河灌為輔的農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)鄉(xiāng)。

黃花灘項目在不增加景電二期灌區(qū)提水規(guī)模，不影響民勤輸水及古浪灌區(qū)灌溉用水的前提下，充分利用景電二期工程古浪灌區(qū)節(jié)水改造富余水量，在已有灌區(qū)設(shè)施基礎(chǔ)上，進(jìn)行部分?jǐn)U建延伸，合理開發(fā)黃花灘土壤條件優(yōu)越的部分土地，發(fā)展灌溉面積0.57萬hm2，移民4萬人。在改善古浪縣南部山區(qū)生態(tài)環(huán)境的同時，充分利用黃花灘相對優(yōu)越的自然地理條件，建一個新的生態(tài)移民及扶貧開發(fā)移民區(qū)，用來安置南部山區(qū)自條件差、經(jīng)濟(jì)文化落后貧困群眾，達(dá)到生態(tài)移民及扶貧開發(fā)的目的，實現(xiàn)人與自然的共贏。

黃花灘灌區(qū)骨干工程渠系由干渠、分干渠、支渠 3級渠道組成，灌區(qū)骨干工程渠道全長114.15km，其中黃花灘干渠30.56km，南分干渠14.93km，北分干渠 24.92km，提灌分干渠8.63km，南分干所屬3條支渠16.07km，北分干所屬 2條支渠 19.44km?？刂乒喔让娣e 0.57萬hm2。項目從景電灌區(qū)南北分水閘取水，需改建原景電灌區(qū)渠道14.06km，其中北干渠3.23km，北一支渠 10.83km，從北一支尾端新修干渠16.50km延伸至灌區(qū)，沿途新修2座提水泵站。改建段及新修段統(tǒng)稱黃花灘干渠，總長30.56km。黃花灘干渠除原景電灌區(qū)渠道改建為明渠外，新建段均為壓力管道輸水。本文針對干渠壓力輸水管道泥沙淤積分析，在干渠管道不淤運行情況下確定新建段渠首沉砂池型式。

2 黃花灘干渠壓力管道不淤運行分析

黃花灘干渠壓力輸水管道全長16.18km，此段設(shè)兩級泵站提水，最小流量1.17m3/s，設(shè)計流量 3.21m3/s，加大流量 4.17m3/s。管材為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管，管徑分別為φ1600mm、φ 1800mm和φ2000mm3三種。黃花灘干渠壓力輸水管道參數(shù)見表1。

表1 黃花灘干渠壓力輸水管道參數(shù)表

黃花灘干渠新建管道段為單管有壓輸水，經(jīng)各段管道水力計算，管道設(shè)計流速滿足規(guī)范規(guī)定的設(shè)計經(jīng)濟(jì)流速，但最小流量時管道流速較低。為分析小流量時管道泥沙淤積問題，委托泥沙檢測單位對景電二期北一支渠做渠水泥沙分析試驗。試驗成果表明，景電二期北一支渠下段即黃花灘干渠新建段進(jìn)口處渠水總固體含量為4323mg/l，溶解性固體含量為428mg/l，懸浮性固體含量為3895mg/l。

根據(jù) GB50288—99《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》表G.0.1-2中查得，泥沙粒徑0.2mm，止動幺速為 0.36m/s。本工程干管在最小流量1.17m3/s運行工況下，最小流速為0.37m/s，故理論上泥沙粒徑≤0.2mm的均可由管道水流攜帶走，干渠管道各管段不會產(chǎn)生泥沙淤積。

為避免渠水中泥沙粒徑＞0.2mm的泥沙顆粒進(jìn)入輸水管道，需在管道進(jìn)口前設(shè)置沉沙池，沉淀0.2mm以上粒徑的泥沙，為管道不淤運行提供保障。

3 渠首沉砂池設(shè)計

按照SL 269—2001《水利水電工程沉沙池設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，水利灌溉工程沉沙池泥沙沉降設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為出池泥沙允許粒徑不宜大于0.05mm.為此，在結(jié)合工程實際地形等情況下，本設(shè)計中考慮兩種條渠沉沙池方案，即出池泥沙粒徑小于0.05mm的長池方案和出池泥沙粒徑小于 0.2mm的短池方案。經(jīng)綜合比較后選擇適宜本項目的沉沙池方案。

3.1 沉沙池長池方案

針對沉降粒徑0.05mm以上泥沙顆粒進(jìn)行沉沙池設(shè)計。沉沙池以新建段渠首前渠道設(shè)計流量3.81m3/s，水溫20℃為條件進(jìn)行水力計算。沉沙池的平均流速取0.2m/s，根據(jù)GB 50288—99《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》表D中查得，泥沙粒徑0.05mm在水溫20℃時沉降速度為1.67mm/s。參照水工設(shè)計手冊以及規(guī)范公式計算，沉沙池長池方案計算成果見表2。

表2 沉沙池長池方案計算成果表

據(jù)渠水泥沙試驗分析成果，試驗取樣渠水中的泥沙總固體含量為 4323mg/l，粒徑≥0.05mm的顆粒占29.3%，即1267mg/l。沉沙池進(jìn)口含沙量S0為4.3kg/m3，出口含沙量S為3.1kg/m3，滿足規(guī)范要求。黃花灘灌區(qū)渠首斷面需水量為3120萬 m3，經(jīng)計算每年沉沙池沉淀泥沙量約為 6.05萬 m3。

因沉淀泥沙量較大，水力沖沙條件不足，且沉沙池沉淀容積很難滿足一個灌溉期的沉沙量，故為考慮人工或機(jī)械清沙，沉沙池需做兩廂式結(jié)構(gòu)。沉沙池主要結(jié)構(gòu)尺寸擬定為：單廂寬度10m，池廂長度400m，池廂深度3m。

3.2 沉沙池短池方案

針對沉降粒徑 0.2mm以上泥沙顆粒進(jìn)行沉沙池設(shè)計，沉沙池設(shè)置位置同長池方案。沉沙池以干管設(shè)計流量3.81m3/s，水溫20℃為條件進(jìn)行水力計算。根據(jù)SL269—2001《水利水電工程沉沙池設(shè)計規(guī)范》及《水工設(shè)計手冊》（灌區(qū)建筑物)規(guī)定，沉沙池沉淀泥沙粒徑≥0.2mm時，沉沙池的平均流速可取0.2m/s。根據(jù)GB50288—99《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》表D中查得，泥沙粒徑 0.2mm 在水溫 20℃時沉降速度為17.9mm/s。參照水工設(shè)計手冊以及規(guī)范公式計算。沉沙池計算成果見表3。

表3 沉沙池短池方案計算成果表

通過計算確定設(shè)置一座兩廂式沉沙池，沉沙池主要結(jié)構(gòu)尺寸擬定為：池廂長度50m，單廂寬度 10m，池廂深度 3m，沉沙池采用螺旋渦管沖沙和人工或機(jī)械清沙兩種方式，兩池廂均設(shè)有3m寬清淤下渠通道。

3.3 沉沙池方案比選

綜合考慮兩種沉沙池設(shè)計方案，沉沙池長池方案出池泥沙粒徑雖可滿足規(guī)范要求，極大程度降低管道水流含沙量，但因其無法利用水力沖沙、清淤量大、清淤困難、占地多、施工期長、投資大和不便管理等缺點，本項目不宜采用。沉沙池短池方案占耕地少，工程投資不大，可以保證施工工期，且經(jīng)管道不淤運行分析，粒徑0.2mm以下的泥沙顆粒均可經(jīng)管道水流帶入田間，可有效改良田間土壤。參照黃河流域已建大型灌區(qū)經(jīng)驗，本項目推薦沉沙池短池設(shè)計方案。

4 結(jié)語

黃花灘項目特點是干渠前段為已有明渠改擴(kuò)建，后段均為有壓輸水管道。灌區(qū)采用長距離、大口徑有壓輸水管道方案在甘肅省尚屬首例，且水源為黃河水，渠水泥沙含量大，有壓輸水管道淤積問題為本項目技術(shù)關(guān)鍵點，在本項目開展設(shè)計工作期間，對黃河流域已建大型灌區(qū)泥沙處理進(jìn)行了大量調(diào)研，吸取各灌區(qū)已有經(jīng)驗，通過泥沙淤積計算分析，在有壓輸水管道進(jìn)口前設(shè)置沉沙池。沉沙池沉降設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以管道最小流速為泥沙止動幺速選擇沉降最小粒徑。本工程干管在最小流量 1.17m3/s運行工況下，最小流速為0.37m/s，泥沙粒徑0.2mm止動幺速為0.36m/s，故沉沙池沉降設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)按泥沙粒徑＞0.2mm設(shè)計，泥沙粒徑≤0.2mm的均可由管道水流攜帶走，干渠管道各管段正常運行不會產(chǎn)生泥沙淤積，沉沙池選擇短池方案是可行的。

1 GB50288－99灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范［S］，北京：中國計劃出版社，1999.

2 左東啟，顧兆勛，王文修.水工設(shè)計手冊（灌區(qū)建筑物)［Z］，北京：水利電力出版社，1984.

3 吳持恭.水力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1982.

4 SL269－2001水利水電工程沉沙池設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國水利水電出版社，2001.