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平均徑流量達(dá)到12.8 億m3，隨河流而推移的泥沙高達(dá)40 萬t，大約占據(jù)所有含沙量的15%左右。為了有效解決泥沙入渠的問題，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。但是修建完成之后便發(fā)現(xiàn)沉沙池存在首端和尾端淤積現(xiàn)象，以及沖沙廊道上的若干問題。隨后對其進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，改進(jìn)后運(yùn)行效果較好。

2 曲線形沉沙池的設(shè)計(jì)分析

（1）曲線形沉沙池的作用原理

曲線形沉沙池的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，受到離心力的作用進(jìn)一步造成橫向環(huán)流，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。

在凹岸向凸岸推進(jìn)的環(huán)流中，易造成河流底部的泥沙產(chǎn)生強(qiáng)力的攪動(dòng)。為避免這樣的攪動(dòng)情況，在主要的結(jié)構(gòu)中運(yùn)用較小的相對水深，然后在曲線形沉沙池的池底運(yùn)用橫向逆坡。由此造成曲線形沉沙池的池底泥沙不會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，而是隨池底的斜坡往下進(jìn)行移動(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，最終導(dǎo)致泥沙均被推移至凸岸的廊道孔被沖走。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，因此運(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)際的情況合理的選擇沉沙池。

（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，并且河流渠道的中軸彎曲半徑達(dá)到沉沙池底b的4倍寬。通過在曲線渠段的前端、后端運(yùn)用1.6 b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的輸水，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，見圖1。

圖1 曲線沉沙池的平面布置圖

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

為確保進(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。

曲線沉沙池的對沖沙的流量進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要求為渠道設(shè)計(jì)流量的15%～20%。伴隨河水與泥沙的降低將沖沙的流量降低到5%～10%；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%。

在河流沖沙廊道出口位置的排沙明渠，應(yīng)當(dāng)依據(jù)河流流量產(chǎn)生的變化而設(shè)計(jì)為變斷面渠道。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，未端的廊道則顆粒細(xì)、沖沙量小。因此，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)一卒排沙節(jié)制閘，其可替換廊道入口的閘門，由此對排沙金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陡坡跌水，將其和河流的河底予以連接，由此利于河水將泥沙沖走。

（3）確定沉沙池的尺寸

曲線沉沙池的過水?dāng)嗝嬷饕闪髁考捌骄魉賮頉Q定。對平均流速的選擇，主要由沉降的泥沙顆粒粒徑和數(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)，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水深設(shè)為1/10，沉沙池的平均寬度為Bcp，取Bcp=10 Hcp，沉沙池的平均水深為Hcp，將其融入上述公式中而得出：

而曲線沉沙池底寬度b則為：

所以河流曲線沉沙池的兩端直線段長度1則是沉沙池池底寬b的1.6倍，t=1.6b=41.6 m。

（4）計(jì)算沉沙池的長度和池底橫坡

為提高橫向環(huán)流的推移能力，曲線沉沙池的池底橫向坡比為1/10。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)距離而均勻的變化，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。

（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個(gè)～8個(gè)左右；沉沙池則為10個(gè)～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，以及池身長度較長等原因，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?。菏啄﹥煽椎膶捄透叻謩e為0.8 m、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，由此對沖沙的水量進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

（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)口的銜接段最未端的位置。該銜接段主要的功能是為確保流速能夠平緩的降低，并且對進(jìn)入沉沙池的流速予以均勻的分配，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。與此同時(shí)，均流柵還能具有攔截雜草等物質(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 m、0.5 m，下游的斷面為垂直，而上游的面為傾斜，邊坡系數(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，因此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，在冬季過后可以使用迭梁插板將閘孔予以關(guān)閉。

（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)行有效的調(diào)節(jié)，并對廊道閘門在操作時(shí)存在的一些缺陷進(jìn)行輔助操作。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，為減少閘門的實(shí)際高度，運(yùn)用了鋼筋混凝土的胸墻。

（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，而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，隨之對其進(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，由此含有原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，由此在早期就將漿砌卵石的廊道下部予以沖毀。對其進(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5 cm厚的鑄鐵板加以護(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予以有效的發(fā)揮。

（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)與要求編制出科學(xué)合理的管理規(guī)程，主要有泥沙的觀測和排沙的方式等，然后經(jīng)過實(shí)際的運(yùn)行不斷的對其進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

（2）水文泥沙觀測。對河流的水文泥沙進(jìn)行觀測是進(jìn)行管理的重要項(xiàng)目；觀測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)觀測點(diǎn)，以及在總干渠中設(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)觀測點(diǎn)。最后管理人員根據(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。渠首進(jìn)行集中的排沙過程中，沉沙池必須停止進(jìn)行排沙，由此確保流量全部集中于渠首中，進(jìn)而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)，閘前的水位勢必會(huì)提升，由此致使沉沙池的環(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

曲線形沉沙池的結(jié)構(gòu)比較簡單，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。另外，對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，以及對水文泥沙的有效檢測，并保證管理人員具有較強(qiáng)的責(zé)任心。