大寧縣割麥沿黃提水灌溉工程取水方案設(shè)計(jì)分析與研究

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原030024）

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原030024）

本文結(jié)合大寧縣割麥沿黃提水灌溉工程設(shè)計(jì)對(duì)利用大口井群從黃河河漫灘取水和利用浮船泵站直接引取黃河水取水方案進(jìn)行了分析研究，結(jié)合站址處地形、地質(zhì)、黃河水不同時(shí)段的泥沙含量、淤積形態(tài)等多方面分析，最終確定選用浮船泵站取水方案，有效解決了水源的泥沙問(wèn)題。該取水方式可供工程技術(shù)人員借鑒。

黃河水泥沙含量淤積浮船泵站大口井群

1 工程概況

大寧縣割麥沿黃提水灌溉工程位于黃河北干流磧口至禹門口河段，工程任務(wù)為向割麥灌區(qū)的2.58萬(wàn)畝耕地提供灌溉用水，設(shè)計(jì)引水流量0.55m3/s。提水工程從黃河岸邊提水，經(jīng)四級(jí)加壓泵站后進(jìn)入出水池，通過(guò)自重流方式向割麥灌區(qū)供水。輸水線路全長(zhǎng)約8.78km，總設(shè)計(jì)揚(yáng)程677m，總裝機(jī)容量5540 kW。

2 大口井取水方案

2.1 工程布置

大口井取水方案是在黃河?xùn)|側(cè)的河漫灘地開鑿10眼臨河大口井，順?biāo)鞣较騿尉€布置，中心距離黃河水面線約30m，井內(nèi)徑12m，深12m，井間凈距離150m。

2.2 水源地水文地質(zhì)條件

水源地選址于馬頭關(guān)黃河大橋北約1km處的黃河?xùn)|側(cè)河漫灘地，西側(cè)毗鄰沿黃公路。場(chǎng)地南北長(zhǎng)約1400m，東西寬50～120m，較為開闊，地面高程501.0～503.5m，地形較為平緩。

水源地表層為第四系全新統(tǒng)洪沖積（Q4pal）粉土質(zhì)砂、含細(xì)粒土砂，分選性較好，結(jié)構(gòu)松散～稍密，厚約0.2～2.0m，由東向西逐漸變薄，其下主要為卵石混合土、混合土卵石等巨粒土層，局部夾有級(jí)配不良砂透鏡體。

地下水主要儲(chǔ)存于卵石混合土、混合土卵石層中，屬松散巖類孔隙水，地下水位受黃河水位影響較大，枯水期地下水由水源地補(bǔ)給黃河水，豐水期黃河水補(bǔ)給水源地。水源地覆蓋層滲透性呈不均勻性，8m以上土層滲透性明顯弱于8m以下土層，平行黃河流向滲透性強(qiáng)于垂直黃河流向滲透性。

2.3 大口井出水量計(jì)算

利用傍河取水公式（2-1）估算大口井單井出水量。根據(jù)地層巖性情況，計(jì)算取井深7m和井深12m計(jì)算出水量，計(jì)算結(jié)果見表2-1。

表2-1 大口井出水量計(jì)算成果表

式中：Q—大口井出水量，（m3/d）；k—滲透系數(shù)，（m/d）；S—降深，（m）；h0—靜止水位至井底高度，（m）；R—影響半徑，（m）；r—井半徑，（m）；R′—影響半徑與井半徑之和，即R′=R+r，（m）；m—井底至基巖面高度，（m）；H—靜止水位高度或潛水層厚度，（m）。

分析表2-1計(jì)算結(jié)果，大口井開挖深度小于7m時(shí)，屬黃河河漫灘上部卵石混合土層，含泥量較大，其滲透性較下部卵石混合土層小，出水量較小。設(shè)計(jì)取水量0.55m3/s，即1956.6m3/h，需要布置口徑12m的大口井約44眼以上；當(dāng)采用井深12m、井徑12m的大口井時(shí)，需布置8眼以上。

由于水源地可使用面積僅0.22km2，沿河長(zhǎng)度僅1.4km，若考慮井間不互相影響，按傍河取水公式計(jì)算，僅能布置5眼井深12m、井徑12m的大口井，不能滿足設(shè)計(jì)取水要求，因此需考慮井間干擾抽水布井，干擾系數(shù)與井間距關(guān)系估算見表2-2?？紤]水源地可使用面積，干擾系數(shù)取0.15，井間凈距150m時(shí)，10眼大口井總出水量2082m3/h，可滿足設(shè)計(jì)要求。

表2-2 大口井間距與干擾系數(shù)關(guān)系估算表

2.4 大口井設(shè)計(jì)

大口井采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑12m，凈深12m，井筒高13m，壁厚0.8m。為防止洪水進(jìn)入井內(nèi)，井頂設(shè)0.2m厚的鋼筋混凝土蓋板封閉。為保證滲井水量，井壁澆筑前預(yù)留φ150PVC進(jìn)水管。進(jìn)水管為向內(nèi)傾斜的斜管，水平夾角30°，梅花形布設(shè)，間排距0.2m，孔隙率22%。為防止井外泥沙進(jìn)入井內(nèi)，孔內(nèi)填塞反濾包。為便于井底進(jìn)水，在井底鋪設(shè)1.0m厚的反濾層。大口井結(jié)構(gòu)見圖2-1。

圖2-1 大口井結(jié)構(gòu)圖

2.5 大口井方案合理性分析

2.5.1 出水量合理性分析

利用公式計(jì)算出單井出水量208.2m3/h。工程勘察期間，本工程水源地下游約6km處正在進(jìn)行大寧縣古鎮(zhèn)提水工程，對(duì)其5個(gè)抽水井進(jìn)行了反推出水量計(jì)算，其計(jì)算出水量與實(shí)際出水量接近。另外，據(jù)調(diào)查，柳林縣某近河大口井井徑12m，降深0.5m，滲透系數(shù)120m/d，其出水量可達(dá)380m3/h，本工程井深12m時(shí)，降深8m，滲透系數(shù)20m/d，類比后估算得單井出水量可達(dá)200m3/h，因此計(jì)算結(jié)果可作為取水方式的依據(jù)。

2.5.2 結(jié)構(gòu)合理性分析

大口井井壁預(yù)埋穿孔管，內(nèi)設(shè)反濾包，井底鋪設(shè)反濾層，可以有效引取黃河清水，滿足水泵運(yùn)行要求。井壁反濾包如果被泥沙淤堵，可以取出更換。

3 浮船泵站取水方案

3.1 工程布置

浮船泵站是在黃河岸邊設(shè)置浮船泵站直接引取黃河水，浮船泵站后設(shè)置沉沙池，黃河水經(jīng)沉沙池澄清后進(jìn)入一級(jí)泵站進(jìn)水池。取水口位于大寧縣境內(nèi)馬頭關(guān)黃河大橋北約1km處的凹岸段。

3.2 浮船泵站設(shè)計(jì)

浮船泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程5.08～12.82m，裝機(jī)容量90kW。躉船長(zhǎng)15m，寬6.2m，為鋼結(jié)構(gòu)，采用錨索固定于河道岸邊，船內(nèi)布置2臺(tái)軸流泵、電氣柜及值班室，機(jī)組間距4.0m。浮船泵站出水管為DN400鋼管和軟管，雙管布置，泵船和岸坡陡直段管道為明設(shè)鋼管，臺(tái)地段軟管挖槽明設(shè)，軟管非運(yùn)行期拆卸保管。管道出口為自由出流，管徑0.4m，管中心高程509.44m，高于沉沙池設(shè)計(jì)水位0.2m。

3.3 沉沙池設(shè)計(jì)

3.3.1 沉沙池布置

沉沙池設(shè)1廂，采用C25鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)水位507.37m，池頂高程508.37m。池深3.1m，寬20m，長(zhǎng)100m。池底高程505.27m，底板厚0.5m，邊墻厚0.4m。

沉沙池末端設(shè)溢流堰和清水渠。溢流堰寬10m，堰頂高程507.17m，堰頂水頭0.2m。清水渠為C25鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)縱坡1:1000，末端與一級(jí)泵站引水渠相接。清水渠頂高程為508.37m，渠底高程506.37m，渠深1.64m，渠底寬度1.5m。渠內(nèi)設(shè)計(jì)水深0.44m。渠底厚0.5m，邊墻厚0.4m。

3.3.2 沉沙池結(jié)構(gòu)尺寸

沉沙池結(jié)構(gòu)尺寸是在滿足淤積量的情況下，綜合考慮沉降速度率、允許流速、工作水深等因素確定的。

3.3.2.1 淤積量計(jì)算

沉沙池淤積量按一次灌溉期15天淤滿考慮，含沙量采用黃河1986年6月~2006年7月多年平均含沙量（全年）21.9kg/m3計(jì)算，泥沙容重為1.65t/m3。根據(jù)《水利水電工程沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL269-2001），沉沙池出池泥沙允許粒徑不宜超過(guò)0.05 mm。該段河道大于0.05mm的粒徑占39.6%，0.05mm泥沙粒徑允許流速為0.15m/s，泥沙沉降率取80%。

淤積量按式（3-1）計(jì)算。

3.3.2.2 沉沙池長(zhǎng)度計(jì)算

沉沙池長(zhǎng)度按式（3-2）計(jì)算。

式中Lp——池廂工作長(zhǎng)度（m）；Hp——池廂工作水深（m），取0.5m；V——池廂平均流速（m/s），取0.15m/s；ω——泥沙的沉降速度（mm/s），根據(jù)附錄D，粒徑0.05mm，水溫10℃時(shí)的沉降速度為1.29mm/s；ξ——安全系數(shù)取1.5，規(guī)范一般采用1.2～1.5。

經(jīng)計(jì)算Lp=97.6m，確定池長(zhǎng)L=100m。

3.3.2.3 沉沙池寬度計(jì)算

橫斷面為矩形的沉沙池，工作寬度按式（3-3）計(jì)算。

式中Bp——池廂工作寬度（m）；Qp——通過(guò)池廂的工作流量（m3/s）,為0.56 m3/s；V——池廂平均流速（m/s），取0.15m/s；Hp——池廂工作水深（m），取0.5m；經(jīng)計(jì)算，B=7.47m。

3.3.2.4 沉沙池池深確定

根據(jù)計(jì)算的工作長(zhǎng)度和淤積量，反算池廂工作寬度和泥沙淤積深度，經(jīng)試算，確定池廂工作寬度20m，淤積深度1.6m，池廂平均流速實(shí)際為0.015m/s，更有利于沉沙。

沉沙池兼作浮船泵站出水池，池深高度綜合考慮淤積深度、工作水深、超高和出水管安裝要求等因素，確定為3.1m。

3.3.3 出口含沙量的計(jì)算

出口含沙量按《灌溉與排水設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50288-99）中的公式計(jì)算。

式中S——沉沙池出口含沙量（kg/m3）；So——沉沙池進(jìn)口口含沙量（kg/m3），21.79kg/m3；e——常數(shù)，e=2.71828；α——與泥沙粒徑、水力要素有關(guān)的系數(shù)，淤積時(shí)α＜0.5，沖沙時(shí)α=1.0；α取0.45；z——泥沙懸浮指數(shù)；L——沉沙池總長(zhǎng)度（m）；h——沉沙池平均水深（m）；ν——沉沙池平均流速（m/s）。

經(jīng)計(jì)算，沉沙池出口含沙量為2.75kg/m3，滿足水泵運(yùn)行要求。

3.4 浮船泵站方案合理性分析

引黃提灌工程的特點(diǎn)是流量小，揚(yáng)程高，一般采用離心泵。但黃河水平均含沙量較大，對(duì)離心泵特性影響較大。高速含沙水流通過(guò)水泵時(shí)，產(chǎn)生相當(dāng)大的沖磨力，減弱了泵殼和葉輪等過(guò)流部件的強(qiáng)度。含沙量越大，水泵效率降低，流量減小，揚(yáng)程也相應(yīng)減少，功率相應(yīng)增大，泥沙磨損嚴(yán)重降低了水泵使用壽命和安全性。泥沙磨損成為水泵選型的制約因素。泥沙磨損對(duì)軸流泵的影響較小，浮船泵站采用低揚(yáng)程軸流泵直接抽取黃河水可以有效解決這一問(wèn)題。

浮船泵站后設(shè)置沉沙池，沉沙池入池含沙量21.9kg/m3，出池含沙量2.75kg/m3，沉沙率達(dá)到87%，有效地降低了水流的含沙量，保證了泵站的安全運(yùn)行。

4 方案比選分析

經(jīng)上述計(jì)算分析，浮船泵站取水方案和大口井取水方案在技術(shù)上都是合理可行的，但在施工、投資、運(yùn)行管理等方面存在差異。

浮船泵站取水方案優(yōu)點(diǎn)：浮船泵站可以選用低揚(yáng)程水泵直接抽取黃河水，并且可以適應(yīng)不同水位的取水要求，不受黃河河勢(shì)擺動(dòng)的影響，取水保證率較高。沉沙池采用半挖半填式堤壩結(jié)構(gòu)，施工簡(jiǎn)單。工程直接投資約560.6萬(wàn)元，比較經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)：沉沙池采用機(jī)械清淤，后期運(yùn)行管理費(fèi)用較高。

大口井取水方案優(yōu)點(diǎn)：可以直接引取黃河清水，不需要設(shè)置沉沙設(shè)置，運(yùn)行管理方便。缺點(diǎn)：施工采用沉井施工，施工難度大。井壁和井底的反濾層容易被泥沙淤堵，清淤比較困難，長(zhǎng)期運(yùn)行后，影響進(jìn)水量，取水保證率降低。工程直接投資約1038萬(wàn)元，投資較大。

經(jīng)綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，選定浮船泵站取水方案為推薦方案。

5 結(jié)語(yǔ)

為了解決水資源貧乏問(wèn)題，建國(guó)以來(lái)，我省沿黃河興建了多座提水泵站，大寧縣割麥沿黃提水灌溉工程借鑒已建成類似工程的經(jīng)驗(yàn)，采取浮船泵站取水，有效解決了黃河水源泥沙含量大的問(wèn)題，最大程度地保障工程的順利實(shí)現(xiàn)。

大寧縣割麥沿黃提水灌溉工程取水方案設(shè)計(jì)分析與研究

■薛俊玲

TV[文獻(xiàn)碼]A

1000-405X（2016）-10-215-2

薛俊玲（1974～），女，畢業(yè)于太原理工大學(xué)水利水電建筑工程專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗I(yè)設(shè)計(jì)。