山東引黃工程沉沙池淤積特性計算分析

李云勛 林 曄 于曉龍

(1.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計有限公司，山東 濟(jì)南 250100；2.山東黃河職工中等專業(yè)學(xué)校，山東 濟(jì)南 250013；3.山東黃河河務(wù)局工程建設(shè)中心，山東 濟(jì)南 250011)

山東是全國經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)大省，但人均水資源占有量卻不到全國人均占有量的1/6。近年來，隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人民生活水平逐步提高，城市用水量急劇上升。目前，供需水矛盾日益突出。限制地下水開采、開辟新的水源已成為當(dāng)務(wù)之急。通過修建引黃供水工程，將有效地緩解地下水源不足、供需水日益突出的矛盾及地面沉陷問題，實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置和高效利用。

黃河是多泥沙河流，在引調(diào)黃河水的同時也引進(jìn)了大量泥沙，對引用高含沙水的泥沙處理通常采用條渠沉沙池、湖泊式沉沙池。條渠沉沙池在黃河引水工程中已有廣泛運用，1952年在河南人民勝利渠引水最早運用，山東省引黃工程有潘莊、位山、蘇泗莊等多處。

1 沉沙池主要型式

沉沙池是用以沉降挾沙水流中泥沙顆粒大于設(shè)計沉降粒徑的懸移質(zhì)泥沙，降低水流中含沙量的建筑物。沉沙池按其平面形態(tài)主要分為湖泊型和條渠型兩種常見型式。條渠沉沙池是利用天然洼地、灘涂筑成的長度較長的寬淺土渠沉沙池，廣泛應(yīng)用于黃河下游河南、山東等地的引黃取水工程中；條渠沉沙池淤滿后可還耕或清淤后可重復(fù)利用，也可應(yīng)用于堤防淤培，使河流的水沙資源得到綜合利用，實際運用效果較好。湖泊型沉沙池是利用周圍地形、圍堤和足夠容量的場地對較大引水量進(jìn)行蓄水沉沙的沉沙結(jié)構(gòu)；湖泊型沉沙池需占用大量土地，適宜于低凹地帶結(jié)合淤改洼地的需要。

2 沉沙池泥沙沉降與淤積形態(tài)分析

2.1 泥沙基本資料分析

以濟(jì)南鵲山水庫沉沙池為例。泥沙顆粒組成，選定近期實測懸移質(zhì)泥沙多年平均顆粒級配，作為分析該工程引沙量的計算依據(jù)。泥沙粒徑共分7組。水溫采用濼口站各月平均水溫的實測多年平均值，泥沙各粒徑組沉速根據(jù)我國水溫測驗統(tǒng)一規(guī)定，粒徑d≤0.1mm，呈滯性狀態(tài)時，采用斯托克斯公式計算沉速：

μ=ρ′ν(ρ′為水的密度)

當(dāng)泥沙粒徑在0.15～1.5mm呈過渡狀態(tài)時，采用岡查諾夫公式計算：

基本粒徑組平均沉速采用其上下限粒徑沉速的幾何平均值：

濼口站水溫、泥沙沉速、顆粒級配見表1。

表1 濼口站水溫、泥沙沉速、粒徑級配

引水含沙量采用濼口站多年平均月含沙量資料進(jìn)行頻率分析后的調(diào)整值，根據(jù)人民勝利渠及陳垓等引黃灌區(qū)實測資料采用沉沙渠渾水糙率，對比關(guān)系見表2。

表2 引水含沙量與沉沙渠糙率對比

由表2可見，渾水糙率與含沙量成反比。

2.2 泥沙沉降理論

沉沙池主要利用過流斷面小、流速慢、水流挾沙能力低的特點，實現(xiàn)泥沙的沉降。目前計算水利工程沉沙池泥沙沉降的方法有準(zhǔn)靜水沉降法、沉降概率法及超飽和輸沙法，超飽和輸沙法分為一度流超飽和輸沙法和二度流超飽和輸沙法。二度流超飽和輸沙法是根據(jù)均勻流擴(kuò)散理論，在假設(shè)流速和擴(kuò)散系數(shù)沿垂線方向為常數(shù)的前提下進(jìn)行的，而沉沙池泥沙沿垂直分布為紊流且為不均勻流，故該計算方法存在一定缺陷。一度流超飽和輸沙法是建立在泥沙連續(xù)方程基礎(chǔ)上的一種計算方法，考慮了懸移質(zhì)泥沙不平衡輸沙和挾沙水流超飽特點。在我國多沙河流上的沉沙池的設(shè)計中，準(zhǔn)凈水沉降法和一度流超飽和輸沙法被廣泛采用?！端姽こ坛辽吵卦O(shè)計規(guī)范》(SL/T 269—2019)(以下簡稱《規(guī)范》)推薦的方法為一度流超飽和輸沙法。在實際的設(shè)計工作中，沉沙計算采用超飽和輸沙理論，經(jīng)山東引黃灌區(qū)實測資料驗證，計算結(jié)果與實測值也較為吻合。

一度流超飽和輸沙法基本微分方程為

(1)

非均勻流時，式(1)的解為

(2)

均勻流時，式(1)的解為

(3)

以上式中s0、s0*——某計算段進(jìn)口斷面的平均含沙量和平均水流挾沙能力，kg/m3；

s、s*——某計算段出口斷面的平均含沙量和平均水流挾沙能力，kg/m3；

α——綜合系數(shù)；

ω——泥沙平均沉速，m/s；

x——計算池段長度，m；

q——計算段單寬流量，m3/(s·m)。

因沉沙池內(nèi)流速甚小，水流挾沙能力可忽略不計，式(2)、式(3)可簡化為

(4)

因水流含沙的不均勻性，計算時將泥沙分組，式(4)可寫為

(5)

式中s0i、si——某計算段進(jìn)、出口斷面分組含沙量，kg/m3；

ωi——某粒徑組泥沙平均沉速，m/s。

2.3 條渠各階段淤積形態(tài)

從沉沙池進(jìn)口到出口的沿程淤積物粒徑變化來看，粗粒徑組呈沿程減小，細(xì)顆粒組呈沿程增加，說明出池泥沙粒徑較小，而淤積泥沙粒徑較大。沉沙池運行就是沉粗排細(xì)的過程，運行中會優(yōu)先沉積大顆粒的泥沙，小顆粒的泥沙隨著時間的增加會慢慢逐漸沉積。

根據(jù)沉沙條渠淤積規(guī)律，沉沙池在運用過程中，淤積自上而下發(fā)展，淤積形態(tài)多呈三角洲分布，沉沙池首部因三角洲的推進(jìn)，泥沙淤積較快，三角洲下游段泥沙淤積相對較慢。頂坡段形成自然比降，在淤積發(fā)展過程中，水流自然調(diào)整形成輸水溜溝，維持一定過流能力，溜溝縱比降即是沖淤平衡比降。就三角洲以下淤積情況來說，在沉沙池運行的起始階段，因沉沙池沿程水深增大，泥沙淤積深度沿程增加，三角洲以下泥沙淤積面高程基本接近水平，之后沉沙池淤積面基本平行抬高(見圖1)。

圖1 鵲山水庫沉沙池淤積形態(tài)縱剖面

3 出池含沙量控制

《水利水電工程沉沙池設(shè)計規(guī)范》(SL/T 269—2019)規(guī)定，由河流取水的工業(yè)和城市供水工程直接向下級水處理廠供水時，供水工程沉沙池出池含沙量及設(shè)計最小沉降粒徑應(yīng)滿足下級水處理廠的入池要求；通過調(diào)蓄水庫(池)供水時，應(yīng)滿足下級調(diào)蓄水庫(池)的入庫(池)要求。根據(jù)山東黃河引黃供水工程要求，同時考慮水庫的二次沉淀作用，出條渠口含沙量的控制標(biāo)準(zhǔn)為：非汛期不超過2kg/m3，汛期不超過2.5kg/m3。山東黃河引黃灌區(qū)沉沙池出口粒徑宜控制在0.025～0.03mm以內(nèi)。

4 沉沙池的運用方式

在沉沙池規(guī)劃與設(shè)計過程中，一般規(guī)劃兩個或兩個以上條渠型沉沙池。當(dāng)老條渠型沉沙池達(dá)到使用年限而啟用新條渠型沉沙池時，先在老條渠型沉沙池的中段破口，由其中段口門放水進(jìn)入新條渠型沉沙池，這樣使老條渠型沉沙池上段沉積的粗泥沙能夠沖到新條渠型沉沙池的下段淤積。為了滿足條渠型沉沙池多沉沙的要求，通常通過條渠型沉沙池的末端閘門來調(diào)節(jié)水位。在條渠型沉沙池的使用中期，降低尾水位形成溯源沖刷，則可以把上段較粗的淤沙帶到下段；使用到后期水位壅高，沉沙池內(nèi)便能夠達(dá)到淤平和淤細(xì)的效果。沉沙池調(diào)控主要是指沉沙池出口水位的控制，水沙調(diào)控受進(jìn)口水沙條件，沉沙池過流斷面形態(tài)、沉沙池長度，沉沙池糙率，水溫、泥沙沉降特性以及泥沙顆粒分組成等多種因素制約和影響，如何通過控制出口水位來達(dá)到沉粗排細(xì)的目的是水沙調(diào)控的關(guān)鍵。

隨著條渠型沉沙池的運行，落淤量不斷增加，當(dāng)條渠型沉沙池進(jìn)口的實際水位達(dá)到控制水位時，表明該條渠型沉沙池正常運行周期結(jié)束，需要進(jìn)行清淤或使用另一沉沙池。沉沙池的使用年限可根據(jù)不同的用途做出相應(yīng)的規(guī)劃。灌溉和工農(nóng)業(yè)用水的沉沙池，要求使用年限長，因此就要盡量把細(xì)沙送往田間或下游，池內(nèi)只沉粗沙。在有條件退水退沙的地方，可采用沖洗的辦法，定期放大水，降低尾水位，將沉沙池內(nèi)淤積物排出，以恢復(fù)沉沙庫容，繼續(xù)沉沙。

5 結(jié) 語

作為以黃河為供水水源的山東引黃工程，充分發(fā)揮沉沙池的作用是延長引黃水庫使用壽命、發(fā)揮水庫效益的重要因素。因此，沉沙池設(shè)計應(yīng)充分考慮黃河泥沙情況及水庫運行邊界條件，以此提出合理的設(shè)計運行方案。