新疆瑪納斯河總干渠曲線形沉沙池的設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理探討

楊文濤

(新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 石河子 832000)

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

位于新疆的大部分河流由于海拔的原因均來源于高山和冰川，且為山溪性多沙的河流。其中瑪納斯河多年的徑流量每年達(dá)到12.8×108m3，隨河流而推移的泥沙高達(dá)40×104t，大約占所有含沙量的15%左右。為了有效解決泥沙入渠的主要問題，在前期修建瑪河總干渠時(shí)建造了曲線形沉沙池以及彎道式的引水樞紐。但修建完成之后發(fā)現(xiàn)，沉沙池存在首端和尾端有淤積以及沖沙廊道上的若干問題，隨之對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。通過改進(jìn)后，運(yùn)行效果十分較好。

2 曲線形沉沙池的設(shè)計(jì)分析

2.1 曲線形沉沙池的作用原理

作用原理主要是以橫向環(huán)流為基礎(chǔ)而建立的。水流在通過彎曲段的過程中，受到時(shí)離心力的作用影響而進(jìn)一步造成橫向環(huán)流的現(xiàn)象，由此導(dǎo)致渠道中的泥沙以及懸移質(zhì)的泥沙逐步向凸岸進(jìn)行移動(dòng)，而泥沙移動(dòng)至凸岸時(shí)則被原先布置在凸岸坡腳用于泄水排沙的廊道加以吸收，并將其排入至河道之中。

在凹岸向凸岸而推進(jìn)的環(huán)流中，無法避免由河流底部產(chǎn)生的環(huán)流逐步形成上升環(huán)流，由此造成河流底部的泥沙產(chǎn)生強(qiáng)力的攪動(dòng)。為了避免這種攪動(dòng)情況，在主要的結(jié)構(gòu)中運(yùn)用較小的相對(duì)水深(普遍為H/Bcp，但不能超出1/10～1/15)，然后在曲線形沉沙池的池底運(yùn)用橫向逆坡，使曲線形沉沙池的池底泥沙不作向上運(yùn)動(dòng)，而是隨池底的斜坡往下進(jìn)行移動(dòng)，進(jìn)而避免了由環(huán)流向上運(yùn)動(dòng)而造成的攪動(dòng)。與此同時(shí)，環(huán)流的作用又被橫向逆坡所提高，提升了環(huán)流的推移能力，最終使泥沙均被推移至凸岸的廊道孔而被沖走。另外需要注意，此種沉沙池只能用在前山河段且推移質(zhì)泥沙比較多的河流中。泥沙的粒徑小于0.25 mm時(shí)，泥沙在河流中的狀態(tài)處于懸浮，如果運(yùn)用此種沉沙池便降低了實(shí)際的效果，所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際的情況合理選擇沉沙池。

2.2 曲線形沉沙池的主要結(jié)構(gòu)

本工程中的曲線形沉沙池為90°交角的彎曲渠段，且河流渠道的中軸彎曲半徑達(dá)到沉沙池底寬b的4倍。通過在曲線渠段的前端、后端運(yùn)用1.6b直線過渡段和渠道間進(jìn)行連接。在曲線段渠底下無縱坡，只有比例為1∶10的橫坡。所以，曲線沉沙池的水位和流速只能依靠沉沙池的末端門檻予以保障。為保證在冬季能夠有效輸水，在凸岸門檻的附近構(gòu)建輸水孔裝置，由此來宣泄冬季的水流。具體詳情見圖1。

圖1 曲線沉沙池的平面布置圖

通過依據(jù)尼基琴開展的實(shí)驗(yàn)表明，曲線沉沙池的池底與邊坡的表面應(yīng)當(dāng)粗糙，由此可以穩(wěn)定泥沙在池底的運(yùn)動(dòng)，并且提升凸岸的輸水力度和提升橫向環(huán)流的能力。所以，最終在干渠的沉沙池底與邊坡運(yùn)用30 cm長(zhǎng)度的卵石進(jìn)行干砌。

為了確保進(jìn)入曲線沉沙池中的流速保持均速，在沉沙池的進(jìn)口處構(gòu)建導(dǎo)流閘墩和安裝均流柵，見圖1。

曲線沉沙池對(duì)沖沙的流量進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要求為渠道設(shè)計(jì)流量的15%～20%。而伴隨河水與泥沙的降低則應(yīng)當(dāng)將沖沙的流量隨之降低到5%～10%。而不需要連續(xù)沖沙時(shí)，則運(yùn)用定期沖沙。而定期沖沙的水量不能超出曲線沉沙池的水量1%～2%。

在河流的沖沙廊道出口位置的排沙明渠，應(yīng)當(dāng)依據(jù)河流的流量產(chǎn)生的變化而設(shè)計(jì)為變斷面渠道。并且該明渠的水流方向應(yīng)當(dāng)和沉沙池的水流相反，這是由于頭幾條廊道中的顆粒較粗且沖沙量十分大，末端的廊道則顆粒細(xì)、沖沙量小。因此，將排沙明渠水流與沉沙池呈相反方向可以提高沖沙的水量，以此將頭幾條的廊道中粗粒泥沙予以排出。

在河流第一條廊道的出口位置下游布設(shè)在排沙明渠中一組排沙節(jié)制閘，在有必要的時(shí)候，其可以替換廊道入口的閘門，由此對(duì)排沙明渠的水位和沖洗的流量加以控制和調(diào)節(jié)。另外，在排沙明渠出口位置建立有陡坡跌水，將其和河流的河底予以連接，由此利用河水將泥沙沖走。

2.3 確定沉沙池的尺寸

曲線沉沙池的過水?dāng)嗝嬷饕闪髁恳约捌骄牧魉賮頉Q定其大小。對(duì)于平均流速的選擇，則主要由沉降的泥沙其顆粒粒徑和數(shù)量所決定。因河流在沉沙池的下游存在兩座水電站，而水電站對(duì)泥沙的粒徑要求不能大于0.4 mm。依據(jù)尼基琴所開展的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)沉沙池的平均流速為1.5 m/s時(shí)便可以達(dá)到以上的要求。沉沙池最大的流量是140 m3/s，因此沉沙池?cái)嗝鎽?yīng)當(dāng)為：

河流曲線沉沙池的相對(duì)水深為HcpBcp，定為1/10，因此沉沙池的平均寬度Bcp為Bcp=10Hcp，將其融入上述公式中而得出：

A=HcpBcp=10H2cp=93.3 m2

經(jīng)過計(jì)算得出沉沙池的平均水深為：

而曲線沉沙池底寬度b則為：

b=Bcp-mHcp=10Hcp-1.5Hcp=26 m

所以，河流曲線沉沙池的兩端直線段長(zhǎng)度l則是沉沙池池底寬b的1.6倍，l=1.6b=41.6 m。

2.4 計(jì)算沉沙池的長(zhǎng)度和池底橫坡

為提高橫向環(huán)流的推移能力，對(duì)曲線沉沙池的池底運(yùn)用0.1橫坡。而沉沙池彎曲的半徑R則是池底寬度b的4倍(R=4×26=104 m)。沉沙池的長(zhǎng)度L則是1/4圓(L=Dπ/4=2×104π/4=163.36 m)。

上游過渡段的樁號(hào)從0+837→0+878為止(該段內(nèi)的邊坡底部橫向高差應(yīng)當(dāng)依據(jù)距離而均勻地變化，凸岸從0→-1.3 m，凹岸從0→+1.3 m，凸岸-1.3 m，凹岸+1.3 m)。而曲線沉沙池的樁號(hào)從0+878→1+042，下游過渡段的樁號(hào)為1+042→1+083。

2.5 沉沙池的沖沙廊道

依據(jù)尼基琴的實(shí)驗(yàn)表明，沖沙廊道的數(shù)目為：沉礫池為6～8個(gè)左右；沉沙池則為10～12個(gè)左右。而本研究的河流為沉礫池，并且該池的流量較大，以及池身長(zhǎng)度較長(zhǎng)等原因，因此使用9個(gè)沖沙廊道。

設(shè)置沖沙廊道時(shí)要求間距基本相同。受沉沙池首段的泥沙比較多所造成的影響，因此在首端廊道比例要比尾端稍密。

沖沙廊道的孔口大小由沖沙的流量大小以及沉沙池水深所決定。由于河流沉沙池的最大流量140 m3/s，因此沖沙水是最大流量的15%(21 m3/s)，所以每一個(gè)孔廊道的平均流量為2.33 m3/s。由此結(jié)果可以看出，廊道較小，無法有效滿足維修人員對(duì)其進(jìn)行檢修的標(biāo)準(zhǔn)要求，所以在設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)加大廊道的大小為：首末兩孔的寬和高分別為0.8和1.5 m，而其它的孔則為寬0.8 m和高1.2 m。在每孔的進(jìn)口均設(shè)計(jì)閘門，由此對(duì)沖沙的水量進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

2.6 進(jìn)口導(dǎo)流洞和尾部門檻

曲線沉沙池的導(dǎo)流洞設(shè)立在進(jìn)口的銜接段最末端的位置。該銜接段主要的功能是為了確保流速能夠平緩降低，并且對(duì)進(jìn)入沉沙池的流速予以均勻地分配，而導(dǎo)流洞的作用則主要是調(diào)整流速。河流沉沙池總設(shè)立5處導(dǎo)流洞。每孔的凈寬度為4.56 m，在運(yùn)行期可以安裝均流柵，由此保證流速和泥沙可以平均分布，同時(shí)均流柵還能攔截雜草等物質(zhì)，確保沖沙廊道不會(huì)產(chǎn)生堵塞。在曲線沉沙池的底部由于無縱坡，因此在沉沙池的尾部和下游渠道間需要利用陡坡或者跌水加以連接。在此種情況下，水位高程需要依靠沉沙池的尾部門檻予以保障。當(dāng)河流的流量降低時(shí)水深同時(shí)隨其降低。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)流量出現(xiàn)變化時(shí)，沉沙池中的流速所發(fā)生的變化不大。本曲線沉沙池運(yùn)用跌水加以銜接，并且同時(shí)設(shè)立漿砌卵石和鋼筋混凝土的門檻。門檻的高和寬分別為1.2和0.5 m，下游的斷面為垂直，而上游的面為傾斜，邊坡的系數(shù)為0.415。為確保在冬季時(shí)沉沙池中的輸水流速大于1.2 m/s，在位于凸岸邊的門檻上建立寬為6.5 m的閘孔，由此確保水流可以順利的通過。而在冬季過后，可以使用迭梁插板將閘孔予以關(guān)閉。

2.7 排沙閘

排沙閘是全部沖沙廊道的一個(gè)總門戶，其功能主要是對(duì)排沙明渠的水位以及通過廊道時(shí)排水的流量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，并對(duì)輔助廊道閘門在操作時(shí)存在的一些缺陷。排沙閘設(shè)立位于1號(hào)廊道的出口下游位置，而其高度則根據(jù)上游壅水的水位予以確定。另外，為了減少閘門的實(shí)際高度，所以運(yùn)用鋼筋混凝土的胸墻。

2.8 排沙明渠

排沙明渠主要根據(jù)沿程的流量變化，而進(jìn)一步設(shè)計(jì)為變斷面梯形的相應(yīng)渠道。排沙渠道的流速不能高于總干渠的實(shí)際流速，以此確?？梢园牙鹊琅懦龅哪嗌橙克瓦M(jìn)河道之中。

3 形沉沙池的改進(jìn)

前期修建瑪河總干渠時(shí)，建造了曲線形沉沙池以及彎道式的引水樞紐。但在修建完成之后便發(fā)現(xiàn)沉沙池存在首端和尾端有淤積以及沖沙廊道上的若干問題，然后隨之對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)：

1) 增加沖沙廊道。由于曲線沉沙池的首端和尾端均有淤積出現(xiàn)，因此在1號(hào)廊道的上游位置添加兩個(gè)沖沙廊道，并在尾端9號(hào)廊道的下部添加一個(gè)沖沙廊道，使有原9孔總計(jì)達(dá)到12孔。通過實(shí)際的運(yùn)行來看，首端無淤積產(chǎn)生，而在尾端則表現(xiàn)稍有淤積，沉沙池則沒有淤積出現(xiàn)。

2) 改進(jìn)廊道閘門的升降方式為垂直式。由于廊道的閘門安裝位于進(jìn)口的斜坡之上，并且是轉(zhuǎn)動(dòng)門蓋，當(dāng)門蓋在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其軸經(jīng)常被卡住而對(duì)啟閉造成不利的影響，因此改為垂直升降式，改進(jìn)后整體運(yùn)行狀態(tài)良好。

3) 在廊道的下部位置添加鑄鐵板護(hù)砌。廊道自身的流速過大，經(jīng)常挾帶較粗的顆粒泥沙，因此在早期就將漿砌卵石的廊道下部予以沖毀。而通過對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，在廊道的底板及邊墻下0.5 m的范圍之內(nèi)均使用厚5 cm的鑄鐵板加以護(hù)砌，通過運(yùn)行表明狀態(tài)良好。

4 河流曲線沉沙池的運(yùn)行管理分析

對(duì)于沉沙池來講，其運(yùn)行管理同樣十分的重要，如果沒有有效的管理則不能將沉沙池的作用得到有效的發(fā)揮。通過對(duì)實(shí)際工作的經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，管理應(yīng)當(dāng)做到以下幾點(diǎn)。

1) 完善的管理規(guī)程。在沉沙池正式運(yùn)行時(shí)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)設(shè)計(jì)的精神與要求編制出科學(xué)合理的管理規(guī)程，主要有泥沙的觀測(cè)和排沙的方式等等，然后經(jīng)過實(shí)際的運(yùn)行不斷地對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

2) 水文泥沙觀測(cè)。對(duì)河流的水文泥沙進(jìn)行觀測(cè)是進(jìn)行管理的重要項(xiàng)目。而觀測(cè)的范圍主要有引水樞紐、上游渠道、沉沙池等。管理部門在運(yùn)行中應(yīng)在渠首的上游整治段中建立4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，在總干渠中設(shè)立1個(gè)，在沉沙池中設(shè)立5個(gè)，在排沙明渠中設(shè)立1個(gè)，總共11個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。管理人員根據(jù)水沙的實(shí)際狀況選擇排沙的方式。

3) 沉沙池和渠首的排沙相互配合。引水樞紐主要為彎道式，具體見圖2。當(dāng)渠首進(jìn)行集中的排沙過程中，沉沙池則必須停止進(jìn)行排沙，確保把流量全部集中于渠首中，提升渠首在集中沖沙時(shí)的實(shí)際效果。而在渠首集中沖沙間歇時(shí)期內(nèi)，可以提高沉沙池的排沙流量。

圖2 引水樞紐平面布置圖

4) 將排沙明渠當(dāng)作節(jié)制閘運(yùn)用。當(dāng)需要利用排沙明渠作為節(jié)制閘使用時(shí)，閘前的水位勢(shì)必會(huì)提升，由此導(dǎo)致沉沙池的環(huán)流進(jìn)一步惡化。所以，不到萬不得已的時(shí)候不能運(yùn)用該閘。

5 結(jié) 語

通過研究表明，曲線形沉沙池的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，實(shí)際的排沙效果較高，特別應(yīng)用在泥沙過多的前山河段引水渠道中，效果更好。在本研究中，通過實(shí)際應(yīng)用于瑪河總干渠中表明效果十分理想。另外，對(duì)于曲線形沉沙池的管理也同樣的重要，需要保證具有完善的管理和操作的相應(yīng)制度，以及對(duì)水文泥沙的有效檢測(cè)，同時(shí)保證管理人員具有較強(qiáng)的責(zé)任心。