鄉(xiāng)寧縣譚坪沿黃提水灌溉工程沉沙池設(shè)計

李冠卿

（鄉(xiāng)寧縣水利局，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

鄉(xiāng)寧縣譚坪沿黃提水灌溉工程，位于山西省鄉(xiāng)寧縣城西部，距鄉(xiāng)寧縣城約45 km。工程任務(wù)是向譚坪、馱澗、馬澗、臨河、擲沙、神底等24個村莊的1633.33 hm2耕地提供灌溉水源。工程屬中型水利工程，等別為Ⅲ等，主要建筑物泵站、引水管道為3級，相應(yīng)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇洪水設(shè)計，100年一遇洪水校核，沉沙池是取水泵站的一部分。

1 沉沙池布置

沉沙池布置在一級泵站前，位于一級泵站廠區(qū)內(nèi)，依據(jù)地形沿東南方向布置。排沙廊道垂直于沉沙池，出口于廠區(qū)南側(cè)天然沖溝內(nèi)。由于引水流量較小，沉沙池設(shè)計為定期沖洗式，按沉沙與沖洗交替進(jìn)行、連續(xù)供水設(shè)計。由進(jìn)水段、閘室段、聯(lián)接段、工作段、排沙系統(tǒng)五部分組成。

1.1 進(jìn)水段

沉沙池進(jìn)水段接取水泵站出水管，為側(cè)向進(jìn)水，長10.6 m，寬1.9 m。底高程403.5 m，邊墻頂高程406.8 m，底板厚1.0 m，邊墻厚0.7 m，C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為平穩(wěn)池中水流，保證入池水流分布均勻，在高程404.6～404.8 m處設(shè)置調(diào)流格柵。

1.2 閘室段

閘室位于進(jìn)水段下游，長1.8 m，為便于單池沖沙，每個池箱設(shè)一扇鑄鐵閘門，共3扇，采用螺桿啟閉機(jī)，孔口寬2.4 m，底高程405.2 m，閘墩厚0.8 m，側(cè)墻厚0.9 m，頂高程406.8 m。在閘室下游側(cè)設(shè)工作橋，橋面高程408.7 m，寬1.2 m。

1.3 聯(lián)接段

連接段位于閘室段和工作段之間，長6.3 m，凈寬8.8~9.8 m，兩側(cè)擴(kuò)散角5.4°，底坡1∶3，底高程403.5~401.0 m，邊墻頂高程同進(jìn)水段，底板厚1.0 m，池室邊墻及池箱隔墻頂寬0.9~0.4 m，距離底板2 m高處設(shè)1∶0.3貼角，C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

1.4 工作段

工作段長68 m，底坡為1∶40，共設(shè)三個池箱，每個池箱寬3.0 m，池室邊墻及池箱隔墻高8.8～5.8 m。工作段尾部設(shè)溢流堰和集水槽，溢流堰采用寬頂堰，頂高程406.0 m；集水槽斷面為梯形，底寬分別為0.3 m、0.6 m，頂寬0.35 m、0.7 m，均為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。集水槽通過集水渠和輸水渠同一級泵站前池連接。為方便管理房與廠區(qū)內(nèi)交通，在工作段的下游側(cè)布置交通橋1座，橋面高程406.8 m，橋面寬5.0 m，C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

1.5 排沙系統(tǒng)

沉沙池末端橫墻底部設(shè)置DN 700排沙管，每個池箱設(shè)一個排沙閥，共3個，布置于閥室廊道。閥室廊道斷面為矩形，寬3.0 m，高5.2 m，底板高程397.3 m，底板厚0.8 m，側(cè)墻及頂板厚0.6 m，為C25混凝土結(jié)構(gòu)。閥室廊道通過豎井樓梯接地面檢修室，檢修室為磚混結(jié)構(gòu)，平面尺寸5.8 m×6.0 m，層高3.8 m，檢修平臺高程406.2 m。泥沙通過排沙閥進(jìn)入排沙廊道，排沙廊道長76.8 m，底坡為1/100，進(jìn)口底高程397.3 m，出口底高程396.64m，廊道斷面為矩形，寬0.8~1.2 m，高2.4 m，底板厚0.8 m，側(cè)墻厚0.6 m，頂板厚0.3 m，C25混凝土結(jié)構(gòu)。

2 入池含沙量、顆粒級配及泥沙沉積設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

工程對引水含沙量的要求：水泵葉輪對泥沙磨蝕的敏感性高，特別是大于等于0.05 mm、石英含量高的泥沙，其磨蝕尤其嚴(yán)重。出水池為易于泥沙淤積地下結(jié)構(gòu)，一旦淤積很難清理。工程供水用于農(nóng)業(yè)灌溉。

根據(jù)上述各項要求，本工程對沉沙的要求是盡可能多地沉積引水中的泥沙。但設(shè)計泥沙沉降率和出池含沙量標(biāo)準(zhǔn)越高，沉沙池規(guī)模就越大，規(guī)模太大時，經(jīng)濟(jì)上也漸趨不合理，所以設(shè)計泥沙沉降率和出池含沙量標(biāo)準(zhǔn)不宜太高。本階段參考類似工程，確定本工程設(shè)計出池泥沙粒徑不宜大于0.05mm，大于等于0.05mm的泥沙沉降率達(dá)到80%以上，汛期出池含沙量為12 kg/m3。

實測黃河來水汛期含沙量高且顆粒細(xì)，非汛期含沙量低而粒徑粗，年內(nèi)各月含沙量變幅較大。本工程主要是農(nóng)業(yè)灌溉，引水時段主要是3月、5—11月，要遭遇含沙量較高的汛期，根據(jù)黃河龍門站1986年—2006年泥沙統(tǒng)計資料，上述8個月多年平均含沙量為23.2 kg/m3，其中汛期多年平均含沙量40.4 kg/m3。本次設(shè)計入池含沙量采用多年平均含沙量23.2 kg/m3，設(shè)計入池泥沙粒徑采用75%年份平均泥沙粒徑，見表1。

表1 泥沙粒徑組成表

3 沉沙池主要尺寸擬定

本工程選用定期式?jīng)_洗沉沙池，根據(jù)有關(guān)規(guī)范初步確定其尺寸：

3.1 工作段進(jìn)口水深

工作段進(jìn)口水深，應(yīng)滿足下式：

式中：H——工作段進(jìn)口水深，m；

ΔZ——工作段進(jìn)口水位與排沙溝出口的水面落差Z為5 m；

q——排沙道出口單寬沖沙流量，m3/s·m；

vc——排沙道出口沖沙流速，m/s；

i——沉沙池工作段底坡；

i0——排沙道底坡；

Lw——沉沙池工作長度，m；L0——排沙道長度，m。

經(jīng)計算，工作段進(jìn)口水深為5.0 m。

3.2 工作段進(jìn)口工作深度

工作段進(jìn)口工作深度按下式計算：

式中：Hε——工作段進(jìn)口工作深度，m；

H——工作段進(jìn)口水深，m；

ΔHk——工作段進(jìn)口設(shè)計泥沙淤積高度（m），取0.5H為2.5 m。

經(jīng)計算，工作段進(jìn)口工作深度為1.6 m。

3.3 沉沙池工作寬度

沉沙池工作寬度計算公式如下：

式中：Q——工作流量，m3/s；

Hw——工作段的平均工作深度，m；

v——工作段平均流速，m3/s。

經(jīng)計算，工作寬度為9 m。

3.4 沉沙池的工作長度

根據(jù)地形條件，參考類似工程取70 m，由計算的泥沙沉降率和出池含沙量是否達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來確定長度。

4 泥沙沉降計算和淤積容積確定

4.1 恢復(fù)飽和系數(shù)的計算

式中：αik——k池段粒徑組的恢復(fù)飽和系數(shù)；

?i——平均沉降速度；

u*k——摩阻流速

——k池段平均水力半徑；

4.2 沉降率

式中：ηik——池段i組粒徑沉降率；

Sik、Si(k+1)——k池段上、下斷面分組含沙量，kg/m3；

aik——k池段粒徑組的恢復(fù)飽和系數(shù)；

——粒徑組的平均沉速，m/s；

qk——k池段單寬流量，m3/s·m；

i——粒徑組編號，按粒徑由小到大排序，i=1，2…，m；

η1——大于i組粒徑沉降率；

ηik——池段i組粒徑沉降率；

ΔPi——第i組粒徑的沙重百分比。

4.3 淤積計算

式中：Vk——k池段淤積體積，m3；

Q——工作流量，m3/s；

tj——計算時段歷時長，h；

Sk、Sk+1——k池段上斷面、下端面含沙量，kg/m3；

Sik、Si（k+1）——k池段上斷面、下端面含沙量，kg/m3。

4.4 沖洗周期

當(dāng)池室淤積到一定程度后，出池含砂量及其粒徑超過泥沙沉降標(biāo)準(zhǔn)時，及時進(jìn)行沖洗，以恢復(fù)沉沙容積，沖洗周期Ts按下式計算：

計算結(jié)果見表2。

表2 泥沙沉降及淤積計算結(jié)果

從計算結(jié)果可以看出，擬定尺寸基本滿足泥沙沉降率及出池含沙量設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，即沉沙池工作寬度9 m，沉沙池首端深度5.80 m，尾端深度為7.30 m，沉沙池長度68 m。因沉沙池計算有許多經(jīng)驗性的因素，建議進(jìn)行模型試驗，以驗證計算出池含沙量和泥沙沉降率是否達(dá)到設(shè)計要求。

5 沖洗計算

5.1 沖沙流量

沖沙流速一般不小于2~2.5 m/s，本次設(shè)計取2 m/s，那么按單池室沖沙的話需要的沖沙流量太大，因此每個池室分3個池箱，每個池箱寬3 m，參考已建工程池箱單寬沖沙流量取0.3 m3/s·m，沖沙流量為0.9 m3/s。

5.2 沖洗時間

根據(jù)《水利水電工程沉沙池設(shè)計規(guī)范》（SL 269-2001）附錄C，定期沖洗式沉沙池的沖洗過程分為泄空沖洗、溯源沖洗和沿程沖洗三個階段。計算結(jié)果見表2。

6 結(jié)語

沉砂池排沙廊道出口處為一天然溝道，有常年的清流水，到汛期有較大的洪水，為了防止水流不斷沖刷河溝對排沙廊道造成安全威脅，同時便于工程運行時清理泥沙，對此段溝道的溝底進(jìn)行清淤、整治，采用C15混凝土護(hù)底，并在上下游各設(shè)10m長格賓石籠防護(hù)。

一級站站址北側(cè)滑坡體類型為一切層滑坡，形成的主要因素是坡腳砂質(zhì)泥巖層，巖性軟弱，受降雨入滲軟化，以及兩溝交匯處雨季洪水沖刷坡腳影響，上部巖體失去穩(wěn)定產(chǎn)生切層滑動而形成?；潞缶壖盎缕脚_地等特征明顯。現(xiàn)坡腳部分長度約130 m，坡面最大長度約100 m，滑床埋深不詳。由于設(shè)計方案變更，現(xiàn)沉沙池等建筑物臨近坡腳，需要重新考慮滑坡體對建筑物安全的影響?？紤]到滑坡體坡腳取料后部分臨空，以及滑坡體結(jié)構(gòu)為松散塊石土體等特點，降雨入滲、沖刷，滑坡體有可能再次失穩(wěn)，將影響沉沙池等水工建筑物安全。因此，建議對坡面進(jìn)行整治處理，開挖坡比1∶1.75。沉沙池北側(cè)坡腳可設(shè)置擋墻等工程措施，防止塌落塊石破壞建筑物安全。