多泥沙環(huán)境下渠首站排沙設(shè)計(jì)及其優(yōu)化

魯兵

(新疆金溝河流域管理局，新疆 烏魯木齊 832100)

1 金溝河泥沙環(huán)境及其特征

金溝河流域位于新疆塔城地區(qū)沙灣縣境內(nèi)，金溝河發(fā)源于天山北坡的哈比爾尕山，主要水源由天山融化的雪水和地下溫泉水組成。水流由南向北，最終流入瑪納斯湖，全程194.00 km。正是由于此發(fā)源特征導(dǎo)致了金溝河及其匯水區(qū)內(nèi)流量強(qiáng)度存在極大的波動(dòng)性，無(wú)論對(duì)于當(dāng)?shù)氐乃帘３诌€是對(duì)于流域內(nèi)的泥沙隱患均具有一定的不利影響。從歷年對(duì)于金溝河流域泥沙的監(jiān)控情況來(lái)看，金溝河流域泥沙主要由推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙組成。推移質(zhì)粒徑分為塊石(>200 mm)、卵石(60～200 mm)；懸移質(zhì)分為砂、粉粒和黏粒，粒徑在0.01～2.00 mm不等。其中，推移質(zhì)年平均輸沙量83.53萬(wàn)t，懸移質(zhì)泥沙年平均含沙量1.85 kg/m3，最大月平均含沙量221.00 kg/m3，最小月平均含沙量15.60 kg/m3，懸移質(zhì)年平均輸沙量66.03萬(wàn)t。

從其泥沙環(huán)境的角度來(lái)看，金溝河具備如下三方面特征：其一是泥沙質(zhì)地結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但流量波動(dòng)較大。金溝河內(nèi)含砂的粒徑分部交廣，但是不同粒徑之間以及推移與懸移砂礫之間的比例相對(duì)穩(wěn)定，這對(duì)于形成穩(wěn)定的排沙結(jié)構(gòu)具有積極意義。其二是金溝河泥沙來(lái)源單一，但與周圍環(huán)境互動(dòng)關(guān)系顯著。金溝河的泥沙主要來(lái)源于周圍匯水區(qū)的降雨沖刷，進(jìn)而言之是周邊生態(tài)環(huán)境遭受破壞，形成嚴(yán)重的水土流失而造成的。根據(jù)近年來(lái)的生態(tài)環(huán)保數(shù)據(jù)監(jiān)控顯示，得力于封山育林及有限城鎮(zhèn)化開(kāi)發(fā)等政策，水土流失現(xiàn)象在金溝河主要匯水范圍內(nèi)已經(jīng)得到了一定的緩解與改善。其三是金溝河農(nóng)業(yè)灌溉任務(wù)較重，泥沙治理前置需求明顯。與一般河流相比，金溝河承擔(dān)了沿岸近40%的灌溉任務(wù)，且與之相連的多為淺水位人工灌渠，這就決定了與金溝河相連的灌渠無(wú)法采用傳統(tǒng)河道的逐級(jí)排沙的方式來(lái)進(jìn)行，渠首排沙是一種必然選擇。

2 金溝河渠首站排沙設(shè)計(jì)

金溝河渠首的多級(jí)排沙設(shè)計(jì)可以有效消除金溝河高含沙量對(duì)下游水利設(shè)施的沖擊，其各部分設(shè)計(jì)主要如下：

2.1 防砂坎設(shè)計(jì)

防砂坎是渠首構(gòu)建排沙防砂的首道防線，其根本目的是通過(guò)構(gòu)建一定高度的擋沙墻將水體中的大顆粒推移質(zhì)泥沙進(jìn)行有效隔離，進(jìn)而去除引水涵洞及入水口處河水中的大粒徑泥沙含量。按照對(duì)于金溝河泥沙粒徑的監(jiān)控與分析，此部分設(shè)施能夠有效去除水體中的泥沙大約在20%左右。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中有兩個(gè)方面因素需要考量。其一是需要考慮推移質(zhì)泥沙的有效推移高度，該高度與水流推力及不同粒徑模式下的懸浮系數(shù)相關(guān)。按照水利工程的基礎(chǔ)性經(jīng)驗(yàn)，三者的關(guān)系遵循如下公式：

H=ap3/V

(1)

其中：H為有效高度；a為粒徑系數(shù)；p為粒徑數(shù)值；v為最大水流速。

不同粒徑系數(shù)查表可得，0.10～0.20 mm間為0.53，以此類推。金溝河防砂坎的去除目標(biāo)為0.05以上推移質(zhì)泥沙，將這一數(shù)值帶入公式1可得防砂坎高度最低不低于1.50 m，考慮到設(shè)計(jì)高度應(yīng)該具有10%以上的富裕空間，設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)高度選擇為1.70 m。

2.2 泄洪閘、沖砂閘設(shè)計(jì)

泄洪閘與沖砂閘屬于金溝河應(yīng)急水流通道的重要組成部分，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中主要是保障在特殊時(shí)期如洪峰過(guò)境或河道沖砂階段確保其內(nèi)的砂礫符合客觀標(biāo)準(zhǔn)。為了消除水體泥沙的影響多采用彎道的設(shè)計(jì)方式來(lái)避免泥沙的大量沖擊，這就需要特別注意彎道的寬度設(shè)計(jì)。其寬度的具體計(jì)算方式如下：

B=0.52A1.06Q0.71D0.085/n0.41G0.11

(2)

H=0.55n0.23Q0.48D0.076/A0.57G0.1

(3)

V=N0.18G0.21/0.286A0.48Q0.19D0.16

(4)

J=N2.08G0.55/0.037A0.25Q1.06D0.45

(5)

其中：B為彎道的水面寬度，渠道上下寬度不一致的應(yīng)該以豐水期的平均水面為計(jì)算基準(zhǔn)；A為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與水體泥沙豐度相關(guān)；J為水面高度差；Q單位水流量；D為泥沙平均粒徑；H為斷面水深，以豐水期的平均水面為計(jì)算基準(zhǔn)；V為斷面平均流速；N為渠道糙度；G為含沙量。

通過(guò)上述公式可以對(duì)B、H、V、J等相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而設(shè)定渠道的具體設(shè)計(jì)參數(shù)。在金溝河內(nèi)，將水體的泥沙檢測(cè)數(shù)據(jù)代入上述公式中，可以計(jì)算得出泄洪閘的參數(shù)為：B=32.50 m，H為3.40 m，V為4.10 m/s，J為0.04 m；沖砂閘的參數(shù)為：B=19.90 m，H為2.60 m，V為2.30 m/s，J為1.27 m。

2.3 進(jìn)水閘設(shè)計(jì)

與泄洪閘、進(jìn)水閘等結(jié)構(gòu)類似，進(jìn)水閘的防砂設(shè)計(jì)是采用了引水彎道設(shè)計(jì)與排沙漏斗共同作用的方式來(lái)進(jìn)行的。其中排沙漏斗在下文設(shè)計(jì)分析中進(jìn)行詳細(xì)介紹，引水彎道依舊采用公式2到公式5來(lái)進(jìn)行計(jì)算。在金溝河內(nèi)，將水體的泥沙檢測(cè)數(shù)據(jù)代入上述公式中，可以計(jì)算得出進(jìn)水閘的參數(shù)為：B=19.60 m，H為5.20 m，V為1.90 m/s，J為0.26 m。

2.4 排沙漏斗設(shè)計(jì)

排沙漏斗工程為金溝河渠首站排沙的主體結(jié)構(gòu)，其排沙功能與原理已經(jīng)在業(yè)內(nèi)得到了廣泛的認(rèn)可，在此不再進(jìn)行贅述。按照一般設(shè)計(jì)要求，由于排沙需要，通過(guò)排沙漏斗后水體會(huì)形成沖砂損耗，此損耗應(yīng)該控制在5%以內(nèi)，避免對(duì)下游水利需求造成一定的困擾。按照這一要求，其最終的設(shè)計(jì)規(guī)模按照如下公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

M=Q×a×100%

(6)

其中：M為沖砂耗水量，決定了排沙漏斗的建設(shè)規(guī)模與具體參數(shù)；Q為引水量；a為耗水系數(shù)。

引水量取決于引水渠的具體規(guī)模，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)算金溝河引水量為18.60 m3/s，耗水系數(shù)按照5%來(lái)進(jìn)行計(jì)算，可以求得M=0.93 m3/s。結(jié)合這一耗水量指標(biāo)，排沙漏斗的最終設(shè)計(jì)參數(shù)為：偃高1.62 m，堰長(zhǎng)為19.00 m，采用混凝土澆筑的方式一次成型，厚度控制在0.80～1.00 m之間。沖刷后的排沙通過(guò)單獨(dú)通道排入下游，避免對(duì)水利設(shè)施造成影響。

3 金溝河渠首站排沙優(yōu)化

在實(shí)際的應(yīng)用中上述設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了豐碩的成效，為保障渠首站下游水利設(shè)施的安全與有效提供了重要保障。但是，上述設(shè)計(jì)依舊存在一定的問(wèn)題與可優(yōu)化空間，具體則分為如下幾個(gè)方面：

在防砂坎設(shè)計(jì)方面：防砂坎設(shè)計(jì)有效地去除了金溝河水體中的推移質(zhì)砂礫，但是此種去除的本質(zhì)上是一種隔離，避免砂礫對(duì)于下游水利設(shè)施沖擊的同時(shí)也造成了砂礫在防砂坎前的堆積針對(duì)這一問(wèn)題需要采用定期清砂的方式來(lái)消除影響，否則防砂坎則會(huì)在長(zhǎng)期泥沙堆積的情況下而失效。為了進(jìn)一步解決這一問(wèn)題有兩方面建議。其一是引入沖刷系統(tǒng)，通過(guò)開(kāi)辟?zèng)_刷通道的方式形成防砂坎與排沙漏斗的聯(lián)動(dòng)，選擇空余豐水期對(duì)防砂坎前的堆積泥沙予以沖刷清除。其二是采用分級(jí)防砂坎的方式來(lái)予以設(shè)計(jì)，此種設(shè)計(jì)可以將清砂作業(yè)進(jìn)行有效分級(jí)，從而降低單次的清砂強(qiáng)度，縮短清砂周期，達(dá)到有效維護(hù)的根本目的。

在排沙漏斗方面：實(shí)際的耗水量與設(shè)計(jì)耗水量之間存在一定的差距，實(shí)際耗水量?jī)H為3%左右，不足設(shè)計(jì)量的60%，這說(shuō)明排沙漏斗在實(shí)際使用中依舊存在一定的效能空閑，可以更為有效地進(jìn)行排沙工作。針對(duì)這一問(wèn)題建議將排沙漏洞在內(nèi)的一系列措施形成整體效益，如：降低防沙坎的設(shè)計(jì)高程，將更多的泥沙通過(guò)排沙漏斗的方式予以去除，進(jìn)一步提高排沙漏斗的設(shè)計(jì)效能。

與此同時(shí)，現(xiàn)階段通過(guò)排沙漏斗或其他方式去除的泥沙均采用沖刷的方式排入下游，不利于下游河道的治理，也造成了一定的浪費(fèi)。建議在排沙漏斗的排沙通道下游建立獨(dú)立的平緩河道作為采沙區(qū)。一方面其形成的河道凹陷可以有助于水體中推移質(zhì)進(jìn)一步去除；另一方面也可以產(chǎn)生部分經(jīng)濟(jì)效益為當(dāng)?shù)氐乃帘３旨昂拥乐卫硖峁┵Y金保障。

4 總結(jié)

河道泥沙一直是水利系統(tǒng)的“天敵”，如何對(duì)河道泥沙進(jìn)行有效地清除是水利設(shè)計(jì)的首要關(guān)鍵任務(wù)。文章在研究過(guò)程中，首先對(duì)金溝河泥沙環(huán)境與特征進(jìn)行分析；其次對(duì)渠首站的排沙設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)介紹；最后從有消息、經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)角度對(duì)其可能進(jìn)行優(yōu)化加以分析。希望通過(guò)文章的研究能夠?yàn)榻窈蟮南嚓P(guān)設(shè)計(jì)提供必要依據(jù)，也為國(guó)內(nèi)外類似相關(guān)工程提供必要參考。