玉清湖水庫補水工程防治泥沙措施研究

張靈真，趙培青，韓鳳來

（山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 250013）

玉清湖水庫補水工程防治泥沙措施研究

張靈真，趙培青，韓鳳來

（山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 250013）

通過分析黃河來水來沙情況、田山提灌站、濟平干渠運用條件，對向玉清湖水庫補水方案三種運行工況下的沉沙池沉沙、濟平干渠挾沙能力及相關(guān)控制指標(biāo)分別進行分析計算。提出了利用南水北調(diào)濟平干渠補水泥沙含量控制指標(biāo)，防止補水期間對濟平干渠造成泥沙淤積。并經(jīng)充分論證后，提出補水結(jié)束調(diào)水沖渠，置換濟平干渠內(nèi)黃河水的處理措施，防止在靜水狀態(tài)下渠內(nèi)可能產(chǎn)生的落淤影響。

泥沙淤積；挾沙能力；引黃；泥沙含量；控制指標(biāo)

玉清湖水庫補水工程是指利用輸水暗涵將田山沉沙池與濟平干渠連通，在南水北調(diào)非輸水期（汛期6～9月），通過田山一級站引黃、田山沉沙池沉沙后，進入濟平干渠，經(jīng)濟平干渠玉清湖分水閘向玉清湖水庫補水，或經(jīng)濟平干渠末端睦里莊跌水為濟南市小清河生態(tài)補源。通過補水工程利用濟平干渠的控制運行條件、控制指標(biāo)確定及補水工程沉沙池沉沙計算等措施研究，對類似引水工程有著重要的借鑒意義。

1　工程概況

補水工程位于濟南市平陰縣城東北方向約2.6 km，連通田山沉沙池和濟平干渠。通過在田山沉沙池東條渠東堤濟平干渠以南約100 m處新建沉沙池出口引水閘，閘后接輸水暗涵，向東17.2 m后折向北并進入濟平干渠渠道。按同時向玉清湖水庫（設(shè)計補水流量為5.9 m3/s）和濟南市區(qū)小清河補水（設(shè)計補水流量5 m3/s），并考慮沿程輸水損失確定最大補水流量12 m3/s。

2　補水工程含沙量指標(biāo)確定

2.1汛期利用田山一級站可引黃天數(shù)分析

根據(jù)2000—2011年田山灌區(qū)實測黃河含沙量資料統(tǒng)計，6～9月份平均含沙量為3.38 kg/m3，與年平均含沙量相等。根據(jù)田山渠首引黃控制條件和2000—2011年田山灌區(qū)實測渠首黃河含沙量資料，經(jīng)統(tǒng)計分析，汛期利用田山提灌站多年平均可引黃河水天數(shù)有87 d。

2.2沉沙池出入口含沙量允許值分析

2.2.1運行工況

考慮田山灌區(qū)汛期為滿足灌區(qū)用水需引水5.0 m3/s，加上補水水量，確定三種運行工況條渠流量分別為：1）工況1：同時向玉清湖水庫和小清河補水，補水流量12.0 m3/s。東條渠出水12.0 m3/s，西條渠進水17.0 m3/s；2）工況2：向玉清湖水庫補水，補水流量6.5 m3/s。東條渠出水6.5 m3/s，西條渠進水11.5 m3/s；3）工況3：向小清河補水，補水流量5.5 m3/s。東條渠出水5.5 m3/s，西條渠進水10.5 m3/s。

2.2.2沉沙池斷面要素

西條渠入口至東條渠出水閘全長6 950 m，平均寬132.6 m，平均底高程35.73 m。條渠寬度分布較為合理，前半段窄，流速較大，可以沉下大部分粗沙，后半段寬，流速較小，可以沉下細沙。

根據(jù)《水利水電工程泥沙設(shè)計規(guī)范》條池寬度與流量的關(guān)系要求，過水流量17、11.5、10.5 m3/s時，條池寬度應(yīng)分別達到170、115、105 m。田山沉沙條渠平均寬132.6 m，小于流量17 m3/s要求的170 m，考慮到分流到東條渠最大只有12 m3/s，而東條渠又較西條渠寬，平均寬204 m，長度有3 245 m，可以滿足條池寬度要求。

2.2.3沉沙池沉排沙分析

引沙量采用田山渠首實測的逐月含沙量平均值作為引沙量的計算依據(jù)，經(jīng)計算，年引沙量36.19萬m3，引水期平均含沙量為3.4 kg/m3。引水天數(shù)、引水量、引沙量、沉沙池糙率、各月水溫等計算參數(shù)選用見表1。

表1　田山泵站引黃天數(shù)引水量、沙量統(tǒng)計

各引水月份泥沙顆粒級配采用艾山站多年平均懸移質(zhì)顆粒級配作為計算依據(jù)。泥沙顆粒分組及沙重百分數(shù)見表2。

表2　艾山站多年平均懸移質(zhì)泥沙分組及沙重百分數(shù)

泥沙的沉速按照《水電水利工程沉沙池設(shè)計規(guī)范》（DL/T 5107-1999）有關(guān)規(guī)定，選用相應(yīng)的計算公式。計算時考慮細顆粒泥沙絮凝現(xiàn)象，據(jù)黃委會水利科學(xué)研究所等單位試驗資料，絮凝團粒徑采用0.01 mm的常值，泥沙分組分為8組。

條渠的沉排沙計算是用西、東沉沙條渠串聯(lián)計算，東沉沙條渠出口閘控制水位38.67 m，根據(jù)條渠的斷面指標(biāo)以及條渠的水力計算公式，從下游向上游各斷面依次計算，并根據(jù)條渠出口含沙量計算式及條渠淤積后斷面改正計算方法，用分段控制沉沙率與淤積體相平衡的辦法進行計算，按條渠運用一個周期年計，時段以日為單位，逐日進行循環(huán)計算，計算出條渠運用過程中沉沙條渠的出口含沙量、攔排沙的數(shù)量：

1）工況1：沉沙條渠年引水量為12 778.56萬m3，引沙量36.19萬m3，沉沙量31.80萬m3，排沙量4.39萬m3，排沙比12.1%；2）工況2：沉沙條渠年引水量為8 644.32萬m3，引沙量24.48萬m3，沉沙量22.72萬m3，排沙量1.76萬m3，排沙比7.2%；3）工況3：沉沙條渠年引水量為7 892.64萬m3，引沙量22.35萬m3，沉沙量20.97萬m3，排沙量1.38萬m3，排沙比6.2%。經(jīng)計算，不同補水工況沉沙池入、出口含沙量見表3。

表3　不同工況沉沙池入、出口含沙量表 kg/m3

2.3補水期間濟平干渠挾沙能力分析

選用濟平干渠補水渠段斷面大，比降緩，流速相對較小，挾沙能力也較小的斷面 （46+598～51+ 442渠段），按控制水深為3.0 m，渠道底寬14.8 m，邊坡2.0，糙率0.015，分別計算三種補水工況下濟平干渠最小挾沙能力。

經(jīng)計算，工況1：渠道挾沙能力為1.48 kg/m3，大于最大月均入渠含沙量0.56 kg/m3，故該工況在動水情況下不會發(fā)生淤積；工況2：渠道挾沙能力為0.42 kg/m3，大于最大月均入渠含沙量0.34 kg/m3，故該工況在動水情況下不會發(fā)生淤積；工況3：渠道挾沙能力為0.31 kg/m3，大于最大月均入渠含沙量0.30 kg/m3，故該工況在動水情況下不會發(fā)生淤積。

2.4控制含沙量指標(biāo)

將各工況渠道挾沙能力作為東條渠出口斷面的含沙量控制指標(biāo)，試算西條渠入口含沙量最大允許值。經(jīng)計算：

1）工況1：田山沉沙池入口控制含沙量指標(biāo)為9.5 kg/m3，濟平干渠入口含沙量控制指標(biāo)為1.48 kg/m3。2）工況2：田山沉沙池入口控制含沙量指標(biāo)為5.0 kg/m3，濟平干渠入口含沙量控制指標(biāo)為0.42 kg/m3。3）工況3：田山沉沙池入口控制含沙量指標(biāo)為4.3 kg/m3，濟平干渠入口含沙量控制指標(biāo)為0.31 kg/m3。

3　防范落淤措施

按照沉沙條渠入口、出口泥沙含量最大允許值控制工程調(diào)度運行，補水期間不會造成濟平干渠渠道淤積，濟平干渠主倒虹斷面小于渠道斷面，流速大于渠道流速，其挾沙能力更大，亦不會在補水期間發(fā)生淤積。

補水時段結(jié)束，濟平干渠渠內(nèi)黃河水呈靜水狀態(tài)時，水體中所含泥沙會沉積在渠底。為保證濟平干渠內(nèi)不形成持續(xù)性淤積，不影響南水北調(diào)輸水水質(zhì)，建議補水結(jié)束從東平湖調(diào)水沖渠，置換濟平干渠內(nèi)的黃河水。沖渠流量40 m3/s，沖渠時長24 h，總沖渠水量為345.6萬m3。將渠內(nèi)留存的黃河水作為向小清河濟南市區(qū)段補源水量，改善小清河濟南市區(qū)段生態(tài)環(huán)境，亦可使黃河泥沙最終沿小清河排入大海。

4　結(jié)語

1）按工況1、2、3補水，沉沙東條渠出口（濟平干渠入口）含沙量最高允許值按干渠挾沙能力確定，分別為1.48 kg/m3、0.42 kg/m3、0.31 kg/m3，補水期間泥沙不會在濟平干渠內(nèi)淤積。

2）補水結(jié)束通過從東平湖調(diào)水沖渠，可以消除黃河水在濟平干渠內(nèi)靜止時可能落淤的影響。

3）利用濟平干渠向玉清湖水庫補水期間，在保證濟平干渠安全的前提下，建議盡量降低濟平干渠的補水水位，減小運行水深，加大補水流速，以提高渠道的挾沙能力。

4）沉沙池運行過程中應(yīng)每年清淤一次，可保證沉沙池沉沙效能滿足工程要求。

（責(zé)任編輯遲明春）

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1009-6159（2016）-04-0031-03

2015-08-07

張靈真（1978—），女，工程師