二黃灌區(qū)渠道和進(jìn)水池淤積成因分析及處理措施

馬軍杰，楊曉峰，陳 瀟，史楊軍

（渭南市東雷二期抽黃工程管理中心，陜西 渭南 714000）

0 前言

東雷二期抽黃工程渠首位于陜西省渭南市黃河小北干流段，設(shè)計(jì)引水流量40 m3/s，灌區(qū)控制面積126.5 萬(wàn)畝，修建樞紐抽水泵站3 座，分為七個(gè)灌溉系統(tǒng)共建成各級(jí)抽水泵站33 座（原設(shè)計(jì)37 座），泵站分級(jí)最高到八級(jí)。修建支渠以上灌溉渠道67 條，總長(zhǎng)598 km，其中總干渠道85 km，北干渠道45 km。工程自1990 年7 月開(kāi)工建設(shè)，2000 年正式灌溉，二十多年來(lái)，灌區(qū)配套面積達(dá)到69 萬(wàn)畝，年均斗口用水量1.6 億m3，大大改善了渭北旱塬的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，對(duì)促進(jìn)灌區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。但由于黃河含沙量較高，各級(jí)渠道及泵站流道、進(jìn)水池均出現(xiàn)了不同程度的泥沙淤積，清理費(fèi)用較高，沒(méi)有堆放場(chǎng)地，成為制約灌溉生產(chǎn)、工程及機(jī)電設(shè)備安全運(yùn)行的嚴(yán)重問(wèn)題。

1 淤積形成的原因

灌區(qū)以黃河為水源，引水必引沙，經(jīng)年累月，各級(jí)渠道和泵站前池、流道、進(jìn)水池淤積嚴(yán)重，特別是位于塬下總干渠末端的北干二級(jí)站、位于塬上總干渠末端的下寨三級(jí)站、位于北干渠末端的流曲系統(tǒng)三合四級(jí)站，站前淤積尤為嚴(yán)重。

1.1 工程原因

1）渠首沉沙條渠的沉沙功能已消失殆盡，不能在源頭有效沉積泥沙。渠首一級(jí)站抽水經(jīng)沉沙條渠沉沙后流入塬下總干渠，沉沙條渠長(zhǎng)1.4 km，底寬80 m，作用是沉積推移質(zhì)和大部分懸移質(zhì)泥沙，自灌區(qū)開(kāi)灌運(yùn)行至今，淤積厚度已達(dá)4.5 m～5.3 m，總淤積量約60 萬(wàn)m3，失去了沉沙功能，造成大量泥沙被裹挾進(jìn)入塬下總干渠并逐級(jí)落淤。

2）渠道沉陷變形形成淤積。灌區(qū)各級(jí)渠道大多建在黃土臺(tái)塬基礎(chǔ)之上，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基礎(chǔ)具濕陷性，加之早期施工技術(shù)、質(zhì)量控制等原因，運(yùn)行多年來(lái)出現(xiàn)了局部渠道比降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)比降、部分渠段沉陷變形底部起伏等不正常狀況，導(dǎo)致泥沙在沉陷部位淤積。

3）彎道淤積。受地理位置及地形限制，在總干渠和北干渠的彎道處，由于向心力的作用形成淤積，多年累積長(zhǎng)草導(dǎo)致淤積向上下游延伸。

4）泵站進(jìn)水池尺寸過(guò)大。由于進(jìn)水池原設(shè)計(jì)不合理，如劉集系統(tǒng)褚王五級(jí)站進(jìn)水池的秒換水系數(shù)高達(dá)148，泵站運(yùn)行只能抽走進(jìn)水管喇叭口周?chē)骷澳嗌?，其余都淤積在進(jìn)水池中。例如劉集系統(tǒng)褚王站進(jìn)水池，淤積情況見(jiàn)圖1。

圖1 劉集系統(tǒng)褚王站進(jìn)水池淤積照片

5）渠道斷面過(guò)大流量較小形成淤積，流速減小，挾沙能力降低，如北干渠末端三合站前，渠道斷面過(guò)大，設(shè)計(jì)流量9 m3/s，多年來(lái)實(shí)際運(yùn)行最大過(guò)流僅5.8 m3/s，三合站為側(cè)向90°進(jìn)水，加之機(jī)電運(yùn)行人員運(yùn)行求穩(wěn)、水量求足，運(yùn)行水位常常超過(guò)設(shè)計(jì)水位保持高水位運(yùn)行，流速下降大量落淤，該段最大淤積厚度達(dá)1.6 m 以上。這種情況大量存在于各級(jí)支渠末端。

圖2 北干渠末端渠道淤積照片

1.2 灌溉調(diào)度原因

1）渠道、前池水位過(guò)高。灌溉運(yùn)行期間，利用渠道各級(jí)節(jié)制閘攔蓄富余來(lái)水，以確保運(yùn)行平穩(wěn)和節(jié)約水量；泵站運(yùn)行時(shí)延緩開(kāi)機(jī)時(shí)間以抬高水位，確保機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，渠道及前池水位過(guò)高，導(dǎo)致泥沙沉淀形成淤積，淤積厚度達(dá)到渠道襯砌高度的40%以上。

2）汛期、雨后高含沙期間引水。渭北地區(qū)每年春夏旱情嚴(yán)重，為了抗旱保收，在黃河汛期和上游暴雨造成河源來(lái)水含沙量大時(shí)，灌區(qū)卻不能停止抽水抗旱，由此帶來(lái)大量的泥沙淤積。

1.3 人為運(yùn)行原因

這類(lèi)淤積主要發(fā)生在站前渠道、流道和進(jìn)水池。

①總干渠加西退水渠在北干二級(jí)站上游3.5 km、蒲石退水渠在下寨三級(jí)站上游3.8 km，由于要確保泵站運(yùn)行出現(xiàn)突發(fā)事故停機(jī)不致渠道溢水，在修建時(shí)該兩段渠道襯砌上頂沒(méi)有比降，站前渠道襯砌高度高于正常襯砌高度1 m 左右，給運(yùn)行人員一種水位還不到位的錯(cuò)覺(jué)，為了減少機(jī)組振動(dòng)平穩(wěn)運(yùn)行，幾乎一直處于超設(shè)計(jì)水位狀態(tài)運(yùn)行，站前壅水流速降低導(dǎo)致淤積較多。

②各級(jí)泵站運(yùn)行期間，對(duì)沒(méi)有投入運(yùn)行的機(jī)組，不能及時(shí)關(guān)閉流道進(jìn)水閘，導(dǎo)致非運(yùn)行機(jī)組流道進(jìn)水池泥沙大量淤積，給下次開(kāi)機(jī)造成很大問(wèn)題。

2 淤積對(duì)灌區(qū)的影響及危害

（1）渠道輸水功能受限。泥沙的淤積導(dǎo)致渠道過(guò)水?dāng)嗝孀冃。冉底兙?，直接影響了渠道的輸水功能。灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)趨于單一化，需水時(shí)段比較集中，特別是在夏灌時(shí)，不能大流量足額引水，嚴(yán)重影響抗旱生產(chǎn)。

（2）渠道運(yùn)行出現(xiàn)險(xiǎn)情。由于渠道淤積導(dǎo)致正常流量過(guò)水即超過(guò)設(shè)計(jì)水位，甚至溢出渠槽襯砌，溢水浸泡渠道外側(cè)土體，導(dǎo)致砼防滲功能消失，溢水過(guò)大時(shí)極易出現(xiàn)滲漏決口等險(xiǎn)情發(fā)生；在冬季引水期間，溢水浸泡土體反復(fù)凍融，使渠道的使用壽命大大降低；淤積遮蓋渠道過(guò)水?dāng)嗝妫谷粘Ｑ膊闀r(shí)不易發(fā)現(xiàn)工程隱患，襯砌上的裂縫在行水期間發(fā)生滲漏，極有可能造成決口等事故發(fā)生。

（3）加劇泵站機(jī)組磨損。進(jìn)水池集中的大量淤積易造成回流漩渦等不良的水流流態(tài)，引起振動(dòng)、汽蝕等現(xiàn)象，泵體磨蝕加劇，過(guò)流部件磨損嚴(yán)重，降低了水泵各部件的使用壽命，加大了運(yùn)行維護(hù)成本。

（4）清淤難度大費(fèi)用高。為保障正常灌溉，對(duì)于骨干工程渠道，每間隔兩到三個(gè)灌季，特別是要對(duì)北干二級(jí)站、下寨三級(jí)站及流曲三合站的進(jìn)水池及站前渠道進(jìn)行清淤，清淤工程量達(dá)到近8 萬(wàn)m3，費(fèi)用高達(dá)150 萬(wàn)元以上，而且很難找到淤積物的堆放場(chǎng)地，一些支渠的渠堤已被清上來(lái)的泥沙覆蓋很高，造成人員巡護(hù)無(wú)法通行。待灌溉開(kāi)機(jī)運(yùn)行又形成新的淤積，周而復(fù)始，費(fèi)工耗財(cái)，給灌區(qū)的運(yùn)行和管理帶來(lái)了很大壓力，制約著灌區(qū)的良性發(fā)展。

3 減少淤積的思考和對(duì)策

（1）恢復(fù)太里一級(jí)站沉沙渠沉沙功能，做到清水上塬，為下游渠道減少淤積從源頭上解決問(wèn)題。一是沉沙渠道沒(méi)有比降，可利用上游的東雷一級(jí)站提水經(jīng)太里聯(lián)合閘向沉沙渠進(jìn)行反沖，將沉沙渠的淤積退入黃河。為避免退沙造成的挑流對(duì)太里一級(jí)站取水的影響，應(yīng)當(dāng)在黃河流量大于1000 m3/s 的時(shí)段進(jìn)行，此設(shè)想受黃委會(huì)“不能只引水不引沙”的限制。二是新修建一條沉沙渠，兩條沉沙渠交替使用，嘗試對(duì)淤積泥沙進(jìn)行諸如制作人工防汛石材、燒結(jié)磚、蒸養(yǎng)磚，建筑沙、型砂以及進(jìn)行改土造地等方面的開(kāi)發(fā)利用。

（2）因工程原因造成的淤積，一是爭(zhēng)取資金逐步實(shí)施改造，特別是改造容積過(guò)大的進(jìn)水池、比降過(guò)緩的渠道等工程缺陷，達(dá)到少淤積甚至不淤積；二是針對(duì)當(dāng)前的工程現(xiàn)狀，盡可能運(yùn)行較大流量進(jìn)行輪溉，并在行水期間對(duì)淤積進(jìn)行人工或機(jī)械擾動(dòng)，利用水力拉淤；三是對(duì)于彎道和沉陷段以及橋梁、架管的支墩，要及時(shí)清理垃圾雜物，堅(jiān)決清理淤積體上生長(zhǎng)的雜草灌木等，杜絕垃圾、植物掛淤；四是針對(duì)斷面較大而長(zhǎng)期運(yùn)行較小流量的渠道，開(kāi)挖形成穩(wěn)定的過(guò)水小斷面，以提高流速。

（3）因調(diào)度和運(yùn)行組合造成的淤積，一是在黃河含沙量大的汛期和雨季，要嚴(yán)格監(jiān)測(cè)太里一級(jí)站取水含沙量，當(dāng)含沙率超過(guò)5%并有上漲趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)關(guān)閘停機(jī)，待含沙率降至6%以下并有下降趨勢(shì)再啟閘抽水，做到源頭控制。二是提高調(diào)度組合水平，各級(jí)渠道都應(yīng)該在最小流量以上運(yùn)行；如利用節(jié)制閘進(jìn)行渠道蓄水，應(yīng)當(dāng)避免在灌溉后期進(jìn)行。在灌溉即將結(jié)束干渠水位下降流速臨近淤積流速時(shí)，要果斷開(kāi)啟退水閘退水。三是控制各級(jí)泵站前池水位。灌溉運(yùn)行期間，非特殊原因，泵站前池和流道水位要保持在最低水位與設(shè)計(jì)水位之間。四是做好機(jī)電設(shè)備的日常保養(yǎng)與維護(hù)。灌溉運(yùn)行期間，盡可能的使各級(jí)泵站達(dá)到設(shè)計(jì)流量引水，以提高挾沙能力。各級(jí)泵站的進(jìn)水閘應(yīng)該啟閉靈活止水嚴(yán)密，運(yùn)行機(jī)組的進(jìn)水閘可每隔一到兩天壓閘運(yùn)行以提高流速拉走淤積；非運(yùn)行機(jī)組的進(jìn)水閘應(yīng)當(dāng)保持關(guān)閉狀態(tài)，各機(jī)組須經(jīng)常輪換運(yùn)行，防止進(jìn)水池淤積。泵站停機(jī)前，要使用高壓水槍、泥漿泵等設(shè)備將流道和非運(yùn)行進(jìn)水池淤積沖入運(yùn)行機(jī)組進(jìn)水池，利用水泵拉走淤積。

4 成功經(jīng)驗(yàn)

（1）根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB T50265-2010）的規(guī)定，“進(jìn)水池的水下容積可按共用該進(jìn)水池的水泵30～50 倍設(shè)計(jì)流量確定”，二期抽黃大部分泵站進(jìn)水池都存在容積過(guò)大的問(wèn)題。如段家塬系統(tǒng)三級(jí)站和四級(jí)站進(jìn)水池的秒換水系數(shù)分別為90 和146，運(yùn)行時(shí)進(jìn)水池水流紊亂，流態(tài)惡化，水泵機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)，并產(chǎn)生大量淤積。經(jīng)過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)，確定了縮小圓形進(jìn)水池尺寸以對(duì)水利條件進(jìn)行改善的改造方案，將段家塬三級(jí)站、四級(jí)站8 個(gè)進(jìn)水池均進(jìn)行縮小，秒換水系數(shù)分別調(diào)整為33 和44，流態(tài)得到了很好的改善，機(jī)組振動(dòng)基本消失，進(jìn)水池也沒(méi)有發(fā)生淤積。在此基礎(chǔ)上，近年來(lái)對(duì)孫鎮(zhèn)系統(tǒng)西窯八級(jí)站、白家塬八級(jí)站、興鎮(zhèn)系統(tǒng)紀(jì)村四級(jí)站、李家八級(jí)站、劉集系統(tǒng)南陽(yáng)四級(jí)站、褚王五級(jí)站等19 個(gè)進(jìn)水池進(jìn)行了縮容改造，改善了泵站的進(jìn)水條件，進(jìn)水池、流道、前池及站前渠道的淤積不同程度的大大減少，效果十分明顯。部分泵站進(jìn)水池改造前后對(duì)比見(jiàn)表1，泵站改造示意圖見(jiàn)圖3，改造后的李家站進(jìn)水池見(jiàn)圖4。

表1 部分泵站進(jìn)水池改造前后數(shù)據(jù)對(duì)照表

圖3 泵站進(jìn)水池改造示意圖

圖4 改造后的李家站進(jìn)水池

（2）利用2016 年國(guó)家大型灌區(qū)續(xù)建配套節(jié)水改造項(xiàng)目，對(duì)塬上總干渠下寨三級(jí)站前3.8 km 渠道進(jìn)行了徹底改造，渠底加寬了80 cm～86 cm，渠道比降由原來(lái)的1/4000 提高到1/3500，渠道襯砌上平的比降與渠底比降相同，降低了站前渠道襯砌高度，使得運(yùn)行水位降低，在運(yùn)行期間及時(shí)開(kāi)機(jī)，保證在較高于設(shè)計(jì)水位狀態(tài)下運(yùn)行，大大減少了站前渠道淤積。

（3）新建了北干站退水渠，確保北干二級(jí)站出現(xiàn)事故能夠迅速啟動(dòng)退水。下一步擬改造北干二級(jí)站站前3.5 km 渠道，降低襯砌高度，確保在設(shè)計(jì)水位上下運(yùn)行，將有效減少該段渠道淤積。

（4）流曲系統(tǒng)三合四級(jí)站位于北干渠末端，站前渠道底寬2.5 m，渠深2.3 m，過(guò)水流量9 m3/s，在實(shí)際運(yùn)行中最大過(guò)流僅5.8 m3/s，加之三合站進(jìn)水閘為90°直彎、泵站長(zhǎng)年雍水運(yùn)行，導(dǎo)致渠道淤積達(dá)1.6 m 以上。2015 年冬灌前對(duì)渠道淤積部位沿右側(cè)開(kāi)挖底寬1 m、左側(cè)邊坡整修為1∶1.5 的小斷面，使渠道流速由原來(lái)的0.82 m/s 增加到了0.98 m/s，限定運(yùn)行期間將進(jìn)水流道水位由原來(lái)的1.6 m 降低到1.2 m。冬灌結(jié)束后對(duì)該段渠道進(jìn)行檢查，沒(méi)有新增并且減少了約25%左右的淤積泥沙，效果十分明顯。2016 年對(duì)滑塌的淤積體重新進(jìn)行了整修，2017 年春灌進(jìn)一步將進(jìn)水流道水位降至1.05 m，逐年修整，逐步拉淤，已經(jīng)形成了穩(wěn)定的過(guò)水?dāng)嗝?。北干渠末端開(kāi)挖小斷面前后數(shù)據(jù)對(duì)照見(jiàn)表2，北干渠末端形成穩(wěn)定小斷面的行水情況見(jiàn)圖5。

表2 北干渠末端開(kāi)挖小斷面前后數(shù)據(jù)對(duì)照表

圖5 北干渠末端形成穩(wěn)定小斷面的行水照片

（5）興鎮(zhèn)系統(tǒng)位于灌區(qū)中段，支渠淤積較為嚴(yán)重，人工、機(jī)械清淤費(fèi)用大且損傷渠道，采用大流量輪灌的方法減少淤積，因部分渠道沉陷、反比降等原因效果也不明顯。經(jīng)過(guò)管理人員多次試驗(yàn)，在每次灌溉結(jié)束前采用旋耕機(jī)、振動(dòng)棒等機(jī)械擾動(dòng)，配合大流量運(yùn)行，可有效減少淤積30%左右。支渠行水期間利用機(jī)械擾動(dòng)見(jiàn)圖6。

圖6 支渠行水期間利用機(jī)械擾動(dòng)拉淤

5 結(jié)語(yǔ)

抽黃灌區(qū)運(yùn)行期間造成各級(jí)渠道和泵站進(jìn)水池、前池等多處不同程度的淤積。淤積原因，除了河源來(lái)水含沙量較大以外，還有渠道沉陷變形、泵站進(jìn)水池尺寸設(shè)計(jì)不合理、運(yùn)行水位人為控制不力等因素。工程運(yùn)行多年來(lái)，通過(guò)采取進(jìn)水池改造、渠道改造、灌溉結(jié)束前機(jī)械擾動(dòng)配合大流量運(yùn)行等工程技術(shù)措施，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)和成績(jī)，可為類(lèi)似的灌區(qū)治理提供借鑒。