實例分析條渠式沉沙池的優(yōu)化設計

呂銳

【摘要】沉沙池是水電站保護水利設備安全的重要建筑物，沉沙池設計方案是否合理對整個水電站沉降效果產(chǎn)生直接影響，也在一定程度上影響設備生產(chǎn)效率和安全性。文中結(jié)合新疆天池沉降池建設情況，通過方案對比選定最佳的沉沙池形式并設計合理的參數(shù)，驗證條渠式沉沙池方案的合理性和有效性。

【關(guān)鍵詞】條渠式沉沙池；優(yōu)化設計；實例分析

沉沙池作為水利工程中控制水流泥沙粒徑最常見的方式，對水利工程進行施工過程中，沉沙池形式、種類較多，為保證獲得最佳沉降效果，在選擇型式和結(jié)構(gòu)時，要依據(jù)工程地質(zhì)條件和沉沙池功能需求確定相應的類型。文中根據(jù)新疆天池沉沙池設計為依據(jù)，分析工程泥沙情況和景觀要求，通過方案比較選擇適合的沉沙池形式，以期為相關(guān)類似工程提供重要借鑒。

1、工程概況

1.1 天池實際情況。新疆天池屬于國家5A級旅游風景名勝區(qū)，位于烏魯木齊市的懂不，主要風景特色為冰川湖泊、民族風情。近些年，因氣候變化異常，降水過于集中，過度放牧、砍伐等因素的影響，導致泥石流頻發(fā)，促使上游多數(shù)松散物質(zhì)和泥沙進入天池，不僅縮小天池的湖面面積，也影響旅游資源的質(zhì)量，直接影響天池的生命。天池氣象站統(tǒng)計的數(shù)據(jù)表明，天池氣候編程存在明顯的振蕩特征，調(diào)查顯示，1971年～2003年，天池遭受泥石流侵襲，泥沙向湖心推進217米；而2003年～2006年，天池的湖岸線又推進54米，沙進水退導致天池湖面多年來縮小3.47%。截止2007年，天池湖水深度從10年前的平均100米下降至80米。從整治泥沙、改善環(huán)境等方面入手，繼續(xù)對泥石流進行相應的防治工作，例如：設置攔沙壩、沉沙池等，結(jié)合相應的生物措施保護天池的經(jīng)過，提升天池的旅游價值。下文針對天池塵沙吃設計展開討論。

1.2 泥沙特性。新疆天池泥沙主要是懸移質(zhì)、推移質(zhì)兩類，相關(guān)研究表明，0.001～0.005粒徑的泥沙能有效改善土壤養(yǎng)分，粒徑為0.005～0.1mm泥沙可以改善土壤結(jié)構(gòu)，大于0.1mm的泥沙對農(nóng)作物產(chǎn)生不良影響，極易出現(xiàn)淤積渠道的情況。根據(jù)具體運行經(jīng)驗，粒徑超過0.05mm時，泵站磨損程度明顯，因此，在灌溉區(qū)域，沉沙池最小沉沙粒徑約為0.05mm。在水電站沉沙池內(nèi)，最小沉降粒徑與額定水頭呈負相關(guān)關(guān)系，通常最小粒徑值控制在0.25mm左右。本工程沉沙池最小沉降粒徑約為0.05mm，要求 最小沉沙粒徑沉降率超過50%。

1.3 天池景觀要求。沉沙池上與主溝攔沙壩消力池，下與排洪道相連接，沉沙池應與上下游工程相互協(xié)調(diào)，并具有相應的景觀價值。

2、選定合理的沉沙池方案

2.1 設計沉沙池形式。根據(jù)天池的地址條件和任務需求，可以挑選沉沙池型式包括條形沉沙池、定期沖洗式箱型沉沙池：

2.1.1 在引水暗渠0+063.7后設置沖洗式箱型沉沙池。箱型沉沙池主要包括上游連接段、排沙系統(tǒng)等。上游連接段長度和底寬度分別為32m，2.0～1.6m，天池深度為1.6m，后連接3孔池廂進水閘，閘孔高度及閘寬設計為2.4m、4.8m。池寬設定為1.6m，每隔2.8m設計一道池廂隔墻，共設計5道。工作區(qū)域末端接近排沙閘，閘孔尺寸設定為0.8*1.2m，閘后連接縱坡4/100U形排沙暗渠。

2.1.2 在引水渠0+063.7位置設計梯型沉沙池，主要包含進口段、出口段、工作段，其中進口段長度為25m，底寬為2m，工作段長度為255m，斷面設計為梯型，底寬為60m，出口段長度為15m。

2.2 比較方案優(yōu)劣。方案一總投資約為712萬元，這種結(jié)構(gòu)形式的排沙池非常方便，在其執(zhí)行過程中容易消耗發(fā)電和用水，同時，整個建設工程需要大量的鋼筋、硂。方案二設計的工程造價為285.5萬元，這種結(jié)構(gòu)相對簡單，但排沙不方便，方案二調(diào)節(jié)容量約為3.2萬?，可用于灌溉高峰期和枯水期，確保水電站正常運行。條渠式沉沙池借助天然洼地、灘涂，因地制宜，淤滿后即可還耕、固堤，這種沉沙池因過水斷面屬于漸變式，基于相同流量下，促使泥沙淤的均勻，效果較好。新疆天池沉沙池屬于三工河河槽、灘涂，從而組成低洼地帶，因而選擇條渠式沉沙池。

2.3 運行方法。條渠式沉沙池根據(jù)其形式劃分為湖波形、梭形、帶形，考慮本工程存在重要景區(qū)，湖波形沉沙池更加自然，且與下游的天池相互相應。沉沙池使用自流和以外待沉相互結(jié)合的方式，運行初期，通過邊堤、河槽、灘涂等形成自流沉沙。每年枯期，借助機械設備展開定期清淤工作，確保次年汛期來臨前，恢復庫容實現(xiàn)最佳沉沙效果。

3、分析沉降效果

使用沉降概率法低水腫泥沙沉降概率實施驗算，沉降概率算法將水流中紊動豎向分速作為隨機變量，并將其分布變化遵循正態(tài)分布效果，池底沉降率公式為：

公式①中， 表示泥沙分組沉降率，L和H0分別表示沉沙池段長度和平均水深；d表示水流泥沙平均粒徑，h、t表示計算點距池底距離和時段， 表示計算參數(shù)。根據(jù)沉降率演算結(jié)果可知，水流中超過0.25mm粒徑級沉降率為81%。按照沖流速度為2.45m/s，設計滿足規(guī)范要求。沉沙池設計參數(shù)下表。與沉降前泥沙沉降率可知，沉沙池水流中的各個粒徑組泥沙明顯提升，說明條渠式沉沙池沉降效果較好，說明這種沉沙池的合理性。

4、結(jié)語

沉沙池是水利工程最常見的控制泥沙粒徑措施，其功能主要通過擴大過流斷面、減少水流挾沙力等方法，有效減少水力機械水流中存在大量的有害泥沙含量。設計合理的沉沙池關(guān)乎整個水電站運行效益，文中以新疆天池為研究實例，分析其具體要求和條渠式沉沙池設計情況，以期達到最佳的沉降效果。

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