側(cè)向式水力沉沙排沙池設(shè)計(jì)與應(yīng)用

(甘肅省酒泉市新城區(qū)開發(fā)建設(shè)管理委員會，甘肅 酒泉 735000)

甘肅省酒泉市肅州區(qū)地處祁連山北麓，降雨量少，蒸發(fā)量大，氣候干燥，地表植被覆蓋較差，河道來沙主要由降雨沖刷地表、地表徑流挾沙入河造成。沿山各條河系河道來水量不均勻，且河道來沙量分布很不均勻，年均輸沙率5.48kg/s，年平均輸沙量17.30萬t，年均含沙量1.40kg/m3，最大月平均含沙量3.43kg/m3, 主要出現(xiàn)在洪水期8—9月，占年輸沙量的50%。酒泉市肅州區(qū)沿山地區(qū)農(nóng)村飲水安全項(xiàng)目供水工程直接從河道取水，泥沙從取水口進(jìn)入引水管網(wǎng)，導(dǎo)致管道系統(tǒng)閥門啟閉不靈活，減壓閥和安全閥閥體內(nèi)沉積沙粒，調(diào)節(jié)壓力失靈，同時(shí)，推移質(zhì)對管道磨損嚴(yán)重，縮短了管道的使用壽命。為了保護(hù)管網(wǎng)安全運(yùn)行和保證供水質(zhì)量，在取水口后必須增設(shè)沉沙排沙設(shè)施。

1 沉沙排沙的設(shè)計(jì)思想

水力沉沙和排沙設(shè)計(jì)的核心問題，實(shí)際上就是通過研究泥沙的起動和止動條件，利用水利措施和方法，實(shí)現(xiàn)沉沙和排沙的目的。根據(jù)泥沙運(yùn)動的基礎(chǔ)理論，泥沙運(yùn)動方式有三種：即起動(靜止→滾動或跳躍)、揚(yáng)動(靜止、滾動、跳躍→懸浮)、止動(懸浮、跳躍、滾動→靜止)。沉積泥沙的過程實(shí)質(zhì)上就

1.出水堰； 2.沖沙管(間距50cm留出水口)；3.引水管；4.檢查井；5.過濾器；6.止水環(huán)；7.出水口；8.止水；9.閥門、閘門；10.導(dǎo)流墻；11.胸墻

是泥沙運(yùn)動方式由揚(yáng)動轉(zhuǎn)換為止動的過程；反之，沖沙排沙的過程就是泥沙運(yùn)動方式由止動轉(zhuǎn)換為揚(yáng)動的過程。通過有效改變泥沙在水中的沉速、水流對泥沙的挾動、動床的阻力、水流的挾沙能力及水沙互動的條件，實(shí)現(xiàn)水力沉沙排沙。

側(cè)向式水力沉沙排沙池是針對傳統(tǒng)沉沙池體積大、排沙成本高而設(shè)計(jì)的集沉沙和排沙于一體的構(gòu)筑物，位于直接從河道取水的引水工程管網(wǎng)首部，以更大程度地保護(hù)管網(wǎng)和降低用水成本。

2 水力沉沙排沙池位置的選擇

水力沉沙排沙池位置越接近管道首部或取水口位置，泥沙對輸水管道和輸水渠道的磨損長度就越小，水利工程使用壽命就越長，工程經(jīng)濟(jì)效益和社會效益就更加明顯。但是，它往往受地理位置和水力條件的限制，不能就近建設(shè)，因此，必須綜合考慮，選擇適合位置。

a.地質(zhì)條件要滿足工程建設(shè)的要求。地勢要開闊平坦，具有一定的地基承載能力，以減小地基處理難度和工程費(fèi)用，同時(shí)，避免不均勻沉降、洪水淹沒等不良影響。

b.位置要利于引水排沙。河道要具有一定的坡降，直接從河道取水至沉沙池，經(jīng)過沉淀后的泥沙，利用水力條件快速順利排入原河道，減小排沙渠(排沙管)長度，降低工程投資和便于運(yùn)行管理。

為保證水量，取水口宜設(shè)置在引水渠道或河道凹岸彎道，取表層清水，大量推移質(zhì)隨底層水流排向下游凸岸。進(jìn)水口側(cè)設(shè)置欄柵，攔截水流中大顆粒的懸移質(zhì)和漂浮物。若引水渠道引水量有限，正常水位不能保證側(cè)向取水，可在渠道底部設(shè)置底欄柵取水口，底欄柵宜加密設(shè)置，以阻攔較大顆粒推移質(zhì)進(jìn)入沉沙池。

3 側(cè)向式水力沉沙排沙池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 整體設(shè)計(jì)

側(cè)向式水力沉沙排沙池設(shè)置在河道取水后的引水管道首部，通過工程措施將懸移質(zhì)最大可能地轉(zhuǎn)化為推移質(zhì)，有效阻攔其進(jìn)入輸水管道，并能通過水力條件自動沖沙排沙。側(cè)向式水力沉沙排沙池采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，平面為矩形，按照其功能可分為消能區(qū)、沉沙區(qū)、排沙區(qū)和出水區(qū)四部分，應(yīng)采用側(cè)向進(jìn)水，以有效消除不利能量，減小消能池的結(jié)構(gòu)尺寸，降低水流進(jìn)入沉沙區(qū)的速度，增大過水?dāng)嗝?，沉沙區(qū)用若干導(dǎo)流墻相隔，以增大水流流線，有效縮短沉沙池的結(jié)構(gòu)尺寸。排沙區(qū)底部斷面為“V”形，用于提高瞬間流速，為水力排沙創(chuàng)造條件，有力地提高自動排沙的效率。同時(shí)將沉沙和排沙區(qū)有機(jī)結(jié)合，使主要排沙時(shí)段沉沙不受約束和影響，以提高使用效率。為保證西北地區(qū)冬季正常使用，構(gòu)筑物采用地埋式設(shè)計(jì)，頂部封閉覆土保溫(見下圖)。

3.2 消能區(qū)設(shè)計(jì)

沿山河道來水源于祁連山降水和地下泉水匯集。河流沿線地勢陡峭，流經(jīng)出山口后,由于地面坡降大，勢能迅速轉(zhuǎn)換為動能，水流流速快，不利于沉沙，因此，必須采取防沖消能的措施。根據(jù)上述特點(diǎn)，計(jì)算時(shí)可以將水流簡化為遠(yuǎn)驅(qū)式水躍銜接，應(yīng)修建消能坎，但因該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的終端構(gòu)筑物為池體，可將消能構(gòu)筑物在池內(nèi)統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。水力計(jì)算的主要任務(wù)是確定坎高及池長，為保證池中發(fā)生稍有淹沒的水躍，消能坎高度(即消能區(qū)的深度)計(jì)算方法如下：

式中c——坎高;

σj——水躍的淹沒深度，取1.05～1.1m;

q——單寬流量；

m——消能坎的流量系數(shù)，取0.42；

σs——消能坎的淹沒系數(shù)，取決于淹沒條件。

淹沒條件為：

σs可查表1取用。從表1可見，消能坎淹沒的條件是hs/H10>0.45;若hs/H10≤0.45,則淹沒系數(shù)σs=1。

表1 消能坎淹沒系數(shù)σs[1]

消能池合理的池長應(yīng)從平底完全水躍的長度出發(fā)考慮，消能池中的水躍因受末端垂直壁面阻擋形成強(qiáng)制水躍，相關(guān)研究試驗(yàn)成果表明它的長度比無坎阻擋時(shí)的完全水躍縮短20%～30%[2]，故消能池長度為

LB=(0.7～0.8)LJ

式中LB——池長；

LJ——平底完全水躍長度。

需特別指出的是，為了結(jié)構(gòu)的整體統(tǒng)一,計(jì)算出的消能池長要服從于沉沙區(qū)的計(jì)算寬度。

3.3 沉沙區(qū)設(shè)計(jì)

根據(jù)泥沙運(yùn)動的基礎(chǔ)理論，沉沙區(qū)功能是將泥沙的運(yùn)動方式由揚(yáng)動轉(zhuǎn)換為止動。通過過水構(gòu)筑物改變水力要素，實(shí)現(xiàn)沉沙。沉沙區(qū)是整個(gè)構(gòu)筑物主體部分之一，是沉沙的的工作部分。沉沙區(qū)的長度決定于水的流速和停留時(shí)間，沉沙區(qū)的寬度取決于流量、有效水深和水流速度。沉沙區(qū)的深度等于有效水深與存泥設(shè)計(jì)深度以及安全超高之和。在工作狀態(tài)下，表現(xiàn)為下層為沉沙層，上層為水流層，在沉沙區(qū)的計(jì)算中，各種因素比較復(fù)雜，在連續(xù)沖沙排沙時(shí)，水深、流量和流速都是隨時(shí)間沿程變化的，各時(shí)段的泥沙資料多而復(fù)雜，是很難搜集的，為了解決實(shí)際問題，可以利用有關(guān)研究者的結(jié)論簡化計(jì)算方法。

首先根據(jù)止動的前提條件決定容許流速。出于經(jīng)濟(jì)上的考慮，容許流速就可由下式求得：

式中v——流速；

d——顆粒直徑；

A——系數(shù)，當(dāng)d<1mm時(shí)，A=36；當(dāng)0.10mm

為便于計(jì)算可認(rèn)為泥沙厚度是均勻不變的，沉沙區(qū)寬度可按下式計(jì)算：

式中B——沉沙區(qū)寬度；

h2——設(shè)計(jì)有效水深；

A——水流斷面積；

Qmax——最大設(shè)計(jì)流量。

泥沙在靜水中的沉降速度可按含泥沙水的密度及要求的沉淀泥沙最小粒徑，查相關(guān)圖表得出，考慮到紊流阻滯影響，L .Levim發(fā)現(xiàn)由于阻滯影響，沉降速度的減小值ω=av，系數(shù)可從下式求出：

式中h——水深。

于是沉沙區(qū)的長度為

若計(jì)算結(jié)果為負(fù)值，表示在假定條件下不可能沉淀，應(yīng)修訂尺寸重新計(jì)算。

為了計(jì)算結(jié)果可靠，可利用M.A.Velkanov的研究結(jié)果進(jìn)行校核。

M.A.Velkanov的研究是以概率計(jì)算為基礎(chǔ)的。紊流中所需沉沙區(qū)的長度可以靜水沉速ω和通過流速v算出：

式中λ取決于預(yù)先規(guī)定的排沙比，λ值由函數(shù)λ=F(φ)確定。φ為沉淀泥沙Cp與進(jìn)入沉沙區(qū)的水流中泥沙總量C之比，排沙比計(jì)算為

φ與λ之間的關(guān)系可由表2查出。不能假定φ為100%，采用相當(dāng)于清除極限顆粒尺寸的95%系數(shù)就可以了。

表2 排沙比φ與λ關(guān)系

由表2可知,φ為40%～85%時(shí)，φ與λ基本上是直線關(guān)系，沉淀到90%以后，λ值增長很快，工程造價(jià)也相對增加很快，因此要按照工程要求，適當(dāng)選定沉淀粒徑。

沉沙區(qū)長度應(yīng)比計(jì)算沉沙長度要大一些，一般將沉沙長度乘以1.15～1.30系數(shù)作為沉沙區(qū)長度，但我們考慮到對工程造價(jià)的影響，不再乘擴(kuò)大系數(shù)，而是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化彌補(bǔ)。通過實(shí)踐，沉沙區(qū)中間每隔一定距離用導(dǎo)流墻相隔，增加了水流流線長度，也就是增加了沉沙區(qū)長度，極大地?cái)U(kuò)大了在沉沙區(qū)的沉沙能力。

3.4 排沙區(qū)設(shè)計(jì)

排沙區(qū)的主要功能是利用水力條件和工程措施順暢地將沉積下來的泥沙沖進(jìn)排沙渠中。因沉沙區(qū)沉積的泥沙為無黏性土，通過靜壓水頭，使池中的泥沙發(fā)生流土泄出。這就需要研究水沙互動基礎(chǔ)問題挾動條件，床面或臨床泥沙顆粒運(yùn)動方式轉(zhuǎn)換的臨界條件，就是泥沙由止動轉(zhuǎn)換為揚(yáng)動。通過瞬間快速開啟排沙閘門，水流強(qiáng)度突然急劇增大，床面上原靜止的顆粒迅速轉(zhuǎn)為滾動，躍動甚至揚(yáng)動。僅開啟排沙閘門遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還要通過相關(guān)計(jì)算，改變結(jié)構(gòu)形狀提高沖沙排沙效果。

一般情況下，傳統(tǒng)的排沙泄沙構(gòu)筑物都是以漏斗形式進(jìn)行泄沙的，如果設(shè)計(jì)為漏斗，工程量很大，而且施工極其復(fù)雜。通過抽象簡化，我們發(fā)現(xiàn)“V”形結(jié)構(gòu)和漏斗非常相似，我們可以利用這一原理進(jìn)行排沙區(qū)的設(shè)計(jì)。排沙區(qū)橫斷面布置為“V”形結(jié)構(gòu)，既滿足了泄沙的結(jié)構(gòu)要求，當(dāng)排沙閘門開啟后還可以提高起動流速。這種結(jié)構(gòu)是在平面上布置，較漏斗來說工程量將大大減小，而且施工方便可靠。

通過E.A.扎馬林公式近似確定滲流破壞坡降:

Ip=(γt-γB)(1-n)+0.5n

式中Ip——滲流破壞坡降值;

γt——土粒重度;

γB——土粒重度;

n——以相對單位表示的孔隙率。

通過上述方法我們也將沉沙區(qū)的底部縱斷面結(jié)構(gòu)布置成若干由“V”形結(jié)構(gòu)相連的結(jié)構(gòu)，這樣不但在沉沙過程中增大動床阻力，而且在沖沙排沙時(shí)增大沉沙區(qū)滯留沙粒的揚(yáng)動作用。

因沖沙方向與沉沙方向相反，在沉沙區(qū)首端沉淀的泥沙顆粒較細(xì)，要求沖沙流速較小，可將底部縱坡放緩；在沉沙區(qū)末端沉淀的泥沙顆徑較大，要求沖沙的流速較快，可將縱坡放的較陡。這樣分類設(shè)計(jì)，可以大大減少工程量，而且沖沙效果理想。

對于排沙區(qū)的結(jié)構(gòu)尺寸可以采用不淤流速計(jì)算。在有關(guān)的教材中可以找到近似的計(jì)算公式：

式中d—— 需沖去的泥沙粒徑，在沖沙中小于這個(gè)粒徑的泥沙占75%；

ω——泥沙在靜水中的沉降速度；

hp——沖沙時(shí)平均水深；

p——沖刷泥沙中含沙量百分?jǐn)?shù)。

排沙區(qū)底縱坡按下式計(jì)算：

式中R——水力半徑。

為了有效排沙，施工時(shí)要求排沙區(qū)表面做得非常光滑。

3.5 出水區(qū)

出水區(qū)是將經(jīng)沉淀的清水平穩(wěn)地流入輸水管道，宜采取溢流堰溢流，流速應(yīng)平緩，不能使已沉淀的絮粒被出水水流帶出，同時(shí)，溢流堰的長度要與沉沙區(qū)、排沙區(qū)寬度統(tǒng)一。

3.6 附屬部分設(shè)計(jì)

工程區(qū)地處西北，冬季嚴(yán)寒，且持續(xù)時(shí)間長，若不進(jìn)行池體保溫，冬季無法正常使用。因此，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)高程和水力條件，設(shè)計(jì)為完全地下式或半地下式，頂部用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板或預(yù)制板進(jìn)行封閉，當(dāng)頂部覆土厚度達(dá)不到當(dāng)?shù)刈畲髢鐾辽疃葧r(shí)，可用保溫材料填充保溫，確保冬季不結(jié)冰。充分利用導(dǎo)流墻、側(cè)墻等，按照擋土墻設(shè)計(jì)，用承重墻校核，將頂板的壓力傳導(dǎo)給基礎(chǔ)。同時(shí)，池體較大時(shí)應(yīng)在頂板設(shè)置通氣孔，防止汽蝕等不良影響。

4 側(cè)向式水力沉沙排沙池的效果分析

沉沙池是對引水泥沙進(jìn)行處理必不可少的構(gòu)筑物，在傳統(tǒng)水利工程中，大中型沉沙池主要采用刮泥機(jī)排沙，小型沉沙池主要采用人工清淤，近年來也有使用單廂式梯形斷面、迷宮式、旋流式、漏斗式、間歇式、圓中環(huán)式、渦管式等型式沉沙池的，從結(jié)構(gòu)上看，它們都具有很好的沉沙和排沙效果。側(cè)向式水力沉沙排沙池結(jié)合項(xiàng)目區(qū)的實(shí)際情況和特點(diǎn)，集成了各種沉沙池的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)和完善，不但結(jié)構(gòu)型式簡單，工程量小，工程造價(jià)低，而且能夠連續(xù)使用，冬季不受限制，有效地提高了構(gòu)筑物的使用效率和自動化程度。側(cè)向式水力沉沙排沙池結(jié)構(gòu)上簡單，平面布置為矩形，采用重力式擋土墻，模板均為平面的，施工過程方便，工期大為縮短，而且模板可重復(fù)使用，較大地節(jié)約了投資。尤其是排沙區(qū)斷面將漏斗形結(jié)構(gòu)優(yōu)化為“V”形斷面，大大減少了施工難度和工程量。與常規(guī)沉沙池相比較，側(cè)向式水力沉沙排沙池設(shè)計(jì)過程中增設(shè)了導(dǎo)流墻，增大了水流流線，使結(jié)構(gòu)尺寸縮短了15%～30%。采用側(cè)向進(jìn)水，單寬流量增大了6倍以上，有利于降低流速沉沙。

5 結(jié) 語

側(cè)向式水力沉沙排沙池技術(shù)已在肅州區(qū)沿山農(nóng)村飲水安全工程中得到廣泛應(yīng)用，為解決酒泉市肅州區(qū)沿山農(nóng)村6.20萬人的飲水安全問題提供了有力的保障和支撐，很適宜在直接從河道取水的管灌、滴灌等水利工程和水力發(fā)電工程沉沙排沙中推廣應(yīng)用。

[1] 水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院.水工設(shè)計(jì)手冊：第七卷：泄水與過水建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，2014：104.

[2] 許美芳，宋廣旭.泄水建筑物消能設(shè)計(jì)[J].黑龍江水利科技，2010(3)：156.