許盼盼
(運城市尊村引黃灌溉服務中心,山西 運城 044000)
沉沙池指的是去除水中自重較大、能自然沉降的較大粒徑砂?;蝾w粒的構筑物。一般設于泵站、倒虹管前,以便減輕無機顆粒對水泵、管道的磨損;也設于初次沉淀池前,以減輕沉淀池負荷,以及改善污泥處理構筑物的處理條件[1]?,F(xiàn)階段對于沉沙池的研究主要集中在淤沙工程實例方面,針對解決排沙問題的研究較少,且沉沙池的設計易受地形,地質和經濟等多種因素影響,還需要不同的工程實例以增加人們對沉沙池的認識,為其推廣應用提供可靠的參考數據[2]。
尊村灌區(qū)于2003年修建了湖泊形沉沙池,占地66.67 hm2,容積290萬m3,運行初期沉沙效果較好,經過十余年運行,現(xiàn)池內淤積量已達80%左右,沉沙效果已不明顯,已達不到原設計沉沙能力,現(xiàn)急需對其清淤改造[3]。針對灌區(qū)沉沙池存在的問題,本次只需要對原沉沙池作較小改造,具有結構簡單、占地少、不需要專門場地,可隨時適應水量,對排沙地形條件適應性好,排沙效率高,維護管理簡便,運行成本低等優(yōu)點。
黃河為多泥沙河道,距離灌區(qū)樞紐一級站較近的是夾馬口一級站和上源頭水文站,但這兩個站僅有20世紀60~70年代不連續(xù)的泥沙觀測資料,距今時間較久遠,與現(xiàn)階段水沙現(xiàn)狀可比性較差。近年來,黃河干流天然來水量有所減小,同期天然來沙量減幅更大,這與流域水土保持工作的積極開展有著密不可分的關系,未來依然會保持這種趨勢。
本次選取現(xiàn)狀2001—2016年龍門站實測資料系列分析,未來引黃進入沉沙池的水流多年平均含沙量為7.24 kg/m3。該處已建的沉沙池在多年運行后,現(xiàn)淤積量已達80%左右,不能正常發(fā)揮功能,本次提升改造計劃將部分淤積沙土清除。
尊村灌區(qū)產生泥沙淤積的問題主要集中在三個方面:一是引水調度和引水口設置不合理,引沙量大。二是沉沙池淤積嚴重難以發(fā)揮作用。三是長期小流量運行,輸沙能力不足。針對上述問題,提出引水減沙措施、沉沙池修復和引水輸沙優(yōu)化調度三項技術工程措施,并探索市場機制,開展市場用沙[3]。
原沉沙池為湖泊型,形狀呈“梯形”,運行初期沉沙效果較好,經過十余年運行,淤積量現(xiàn)已達80%左右。如果繼續(xù)采用湖泊型沉沙池方案,就需要通過征地新建沉沙池或將沉沙池淤沙全部挖出并外運,需新增占地,投資費用較高,現(xiàn)階段實施難度較大。
根據《水利水電工程沉沙池設計規(guī)范》(SL/T 269—2019)[4],條渠沉沙池布置宜符合以下原則:進口段前宜設置進水閘,與引水渠道相連接。進口段宜采用逐漸擴散型式布置,使進入工作段水流流速均勻分布。出口段宜采用收縮型式布置,尾部不宜過窄,以利后期沉沙。出口宜設置節(jié)制閘或其他壅水建筑物。
通過對沉沙池的清淤方式以及運行管理方法等各方面因素綜合考慮,提出了開挖兩沉沙條渠方案[5],以滿足形成水面景觀的需求;考慮到兩條渠同時運行中可能存在因挖泥船吃水深度不足,無法進行清淤時,也可以通過兩條渠淤積高度變化的差異,形成封堵,以實現(xiàn)兩條渠交替運行,保證灌區(qū)正常持久運行。
(1)條渠斷面設計。依據規(guī)范SL/T 269—2019,初選條渠工作深度2.0~3.5 m,斷面平均流速 0.2~0.4 m/s,已知沉沙池設計流量為24 m3/s。初算條渠沉沙池工作寬度為60 m。考慮干渠的水流挾沙能力,0.05 mm 及以上粒徑的泥沙需在沉沙池基本沉降完,則設計 0.05 mm及以上粒徑的泥沙沉降率大于95%。
由于沉沙池長度的限制,經計算確定了兩條沉沙條渠的最大底寬和長度分別為寬80 m、長 1310 m和寬 144 m、長 570 m,其中沉沙池進口到兩條沉沙條渠的擴散區(qū)長度為200 m,最大寬度 200 m。現(xiàn)設計從渠底到渠底以上2 m邊坡為 1∶3,2 m 以上邊坡為1∶5,總深度 3.9 m。沉沙池橫斷面見圖1。
圖1 沉沙池橫斷面圖(單位:m)
(2)泥沙沉降設計。根據規(guī)范SL/T 269—2019中的泥沙沉降計算方法進行泥沙沉降計算。
由于細顆粒泥沙極容易發(fā)生絮凝現(xiàn)象,并且傳統(tǒng)測量方法測量范圍和精度有限,隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展,可以利用高精度儀器記錄細顆粒泥沙的沉降過程,隨后對圖像進行分析、計算得到泥沙的沉降沉速。
(1)沉沙池擴散區(qū)清淤方案。為了保證灌區(qū)的正常持久運行,應根據沉沙池淤積的情況,進行清淤工作。設計沉沙條渠斷面時,沉沙池進口下游(0+20.0~0+200.0)的擴散區(qū)的底高程低于進水閘底板高程0.8 m。在設計流量下,運行13 d,擴散區(qū)淤積平均厚度達到0.8 m,淤積量4.37萬m3,總淤積量約13萬m3,需要進行清淤工作。
(2)沉沙條渠疏浚方案比選和設計。對于灌區(qū)沉沙池的清淤方式一般都是采用放干沉沙池使用挖掘機械清淤或者使用絞吸式挖泥船進行水下清淤,但是淤積泥沙的運輸問題一直沒有很好的解決方案[6]。
所以,本文根據已廣泛運用于礦粉礦渣輸送領域的管道水力輸送技術,提出了適用于本工程的管道水力輸沙方案。
管道水力輸送的優(yōu)點在于:①可進行不間斷運輸,不考慮返程問題,工作效率高。②初期投資少,建設工期短。③運輸路線較易選擇,拐彎繞道情況較少,受天然地形地貌影響較小。
管道水力輸送的局限性在于:①沿途地區(qū)無法實現(xiàn)同步輸送功能。②需要水為載體,無水源保證的地域受限較大。③輸送過程容易造成部分物料碎化現(xiàn)象,使最終脫水難度加大。
查閱《水泵產品目錄》中的參數表,選取泥漿泵型號為 YNB-300/50,配套電機功率為 110 kW。目前國內常用的挖泥船主要有水動力式的耙吸式挖泥船和絞吸式挖泥船等[6],兩者都可以形成高濃度泥漿,但由于耙吸式挖泥船自帶裝運倉,船體吃水深度一般在3~4 m,并不適合在本工程中使用,而絞吸式挖泥船吃水深度一般在1 m左右,最大挖深在5~6 m左右,成漿濃度一般在10%~30%,可以滿足本工程的使用需求[7]。
(1)典型邊坡選取。沉沙條渠開挖邊坡為1∶3~1∶5;堆沙體邊坡為1∶3,各選取一個典型斷面進行計算,計算范圍從坡腳向上下游各延伸1.5~2倍坡高。沉沙條渠和堆沙體典型邊坡分別見圖2和3。
圖2 沉沙條渠典型邊坡(單位:m)
圖3 堆沙體典型邊坡(單位:mm)
(2)土性參數。沉沙池內淤積物的主要成分為粉細砂和粉質黏土,根據沉沙池淤積物的實測資料和工程類比給出沉沙池淤積物的物理力學參數:天然密度1.45~1.50 g/cm3,承載力70~90 kPa,變形模量3~5 MPa,抗剪強度黏聚力取15 kPa 、內摩擦角15°~20°。本次計算,堆積體和基礎的C、Φ等物理力學指標選取值見表2[8-9]。
表1 淤沙的物理力學指標建議值
(3)穩(wěn)定計算方法。參照《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL 274—2020)推薦的畢肖普法進行計算。
(4)穩(wěn)定計算結果。根據規(guī)范SL 274—2020,確定邊坡的允許最小安全系數。正常運用條件下以及工程等級為3的情況下,最小安全系數為1.30,工程等級為4、5的情況下,最小安全系數為1.25。根據以上所述的設計標準,對所選取的典型斷面進行邊坡穩(wěn)定分析。穩(wěn)定計算結果見表2[10]。
表2 穩(wěn)定計算結果
由以上計算分析可知,沉沙條渠和堆沙體邊坡的設計滿足穩(wěn)定要求。
本文從灌區(qū)沉沙池具體問題出發(fā),以尊村引黃灌區(qū)為例,針對尊村灌區(qū)泥沙淤積問題,提出選用管道水力輸沙方案的改造方案,延長了沉沙池的使用壽命,采用技術成熟、排沙可靠、結構簡單,管理方便可靠,對周圍環(huán)境影響也較小。同時也能提高灌區(qū)的灌溉保證率,提升了灌區(qū)用水調度、決策和管理水平,確定了沉沙池方案及規(guī)模,并提出了沉沙池泥沙處理方案。鑒于泥沙淤積問題的復雜性,還應加強觀測,不斷完善運行方式,為工程的高效輸水提供保障。