禹门口沉沙池优化设计

原玉英

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

禹门口沉沙池优化设计

原玉英

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

山西省黄河禹门口沉沙池通过优化设计，提出了平流加斜板（复合型）沉沙池结构。阐述了平流型方案和复合型方案的工程布置，并对两种方案进行技术经济比较，得出复合型沉沙池方案的优点。经过十多年的运行实践，证明了该工程设计的合理性。其成功应用，为处理高含沙水流泥沙提供了新经验，对我国沉沙池设计技术的发展具有积极的推动作用。

沉沙池；平流型；复合型；优化设计；禹门口

1 工程概况

黄河禹门口提水工程是向工业和农业综合供水的大型水利枢纽工程，担负着向山西铝厂、大型火电厂、王家岭煤矿等工业供水，同时解决运城地区河津、稷山、新绛3县及汾河以北台地的3.321万hm2农业灌溉用水问题。

枢纽工程包括一级泵站、二级泵站和沉沙池。沉沙池位于山西省河津县禹门口下游300m处黄河滩地。其主要任务是沉淀、净化自一级站引来的黄河浑水，保证向二级站及工业用户供水。设计最大引水流量26m3/s，工作流量20m3/s。

根据水利水电枢纽工程等级划分及设计标准，沉沙池为3等3级，防洪标准为100年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。地震烈度按7度设防。

技施设计阶段进行了优化，通过模型试验确定采用平流加斜板的复合型沉沙方案，使沉沙池有效沉淀面积增大，泥沙的沉降距离缩短，将原初步设计的平流型池厢长度由220m缩短至118m，节省投资，减少了沉降时间，提高了泥沙沉降率，减少了冲沙时间和冲沙用水量。通过现场振冲碎石桩试验，使沉沙池液化地基处理深度由原初步设计的12.5m减小到10m，达到了基础处理安全经济的目的。

2 沉沙池调度运用方式

2.1 运用条件

第一，沉沙池入池含沙量控制在120kg/m3以下，若含沙量大于120kg/m3，因无法达到设计处理标准，停止使用；第二，当黄河汛期洪水位高于381.55m时，排沙渠因排沙不畅停止运行；第三，冬季结冰期，沉沙池停止工作，此时含沙量一般较小，可通过分水渠直接供水。

2.2 调度方式

当黄河含沙量小于80kg/m3时，沉沙池同时向工农业供水，设计最大供水流量20m3/s（其中工业6m3/s，农业14m3/s）；当黄河含沙量在80～100kg/m3时，向工业及部分农业供水，供水流量14～16m3/s（保证工业6m3/s）；当黄河含沙量为 100～120kg/m3时，只向工业供水，供水流量6m3/s。

2.3 运行操作

沉沙池运行操作方式为：两厢同时进水沉沙，第三厢进行冲洗，交替运用。

3 沉沙池总体布置

禹门口沉沙池布置在禹门口外黄河东岸的滩地上，大致为东南至西北方向，来水自禹门口一级泵站经引渠至沉沙池，泥沙在池厢内自然下沉（即不加药），采用定期轮流泄空冲沙方式，把泥沙排掉，泥沙通过池末排沙洞、排沙支渠汇入排沙渠，通过排沙渠在黄河大堤第一号丁坝上游侧排入黄河；当排沙渠出口受黄河水位顶托，而又必须启用沉沙池时，沉沙池泥沙可由淤滩排沙闸排入滩地。为排泄引渠淤泥，在引渠中设排沙闸及排沙渠，在引渠尾沉沙池分水闸处设有排沙涵管。处理后的清水通过纵横向集水槽汇合后，流入出水渠，经十字闸分别送至二级站和工业用水泵站，供工农业之用。

4 优化设计

4.1 初步设计方案

沉沙池由分水闸、进水闸、沉沙厢、清水集水槽系统、冲沙闸、排沙道等组成。

沉沙池的池厢分为三厢，两厢工作，一厢冲沙。每厢首部设一分水闸，分水闸内又设3个分水道，每个分水道内设进水闸，进水闸直接与沉沙厢相连。每厢内设两道隔墙，将一厢分为三格，每格与厢首部的进水闸相通。在厢的尾段下部设冲沙闸及异重流排泥管，每厢设冲沙闸一座及排泥管一个。冲沙闸后接排沙道，排沙道将泥沙排入黄河。在沉沙厢的尾段上部设收集清水的集水槽。通过集水槽将清水送入渠道，分别供工农业用水。

沉沙池池长220m，宽61m，为钢筋混凝土结构。该处地表以下15～20m之内为第四系全新统松散的粉砂土、粉砂、细砂、局部有含砾粗中砂，地下水埋深2～3m，属7°地震液化沙层，承载力不能满足沉沙池荷重要求。为此，初设时选用振冲碎石桩加固措施，处理深度12.5m，加固面积1.87万m2。

4.2 优化设计方案

在深入设计工作的基础上，通过调研、方案论证咨询会、优化设计竞赛等方式，提出了改用复合型沉沙池的设想。

复合型沉沙池结构包括引水系统、进水系统、沉沙系统、集水系统和排沙系统五部分：引水系统包括总干和引渠，其中总干长168.46m，引渠（包括一座枢纽闸）长93m，设计最大引水流量26m3/s。进水系统包括整流段、分水闸段、水平扩散段、冲沙闸段和斜坡扩散段，共计54.75m长，底宽由4m逐渐扩至47.7m。沉沙系统即池厢，是沉沙池的主体，分为三厢九格，每格净宽6m，池厢底坡1/70，设计水深5.32～6.99m。池厢总长118m，其中平流段长59m，斜板段长59m。在斜板区内，从水面沿水深由上至下分别为0.8m集水区、1.3m斜板区、1.94m配水区和2.1～2.95m淤积区。斜板间的垂直净距为5.4cm，倾角60°，采用玻璃纤维增强水泥组装构件安装。集水区设有横向集水槽81条，每条长约6m，分别汇流入10条纵向集水槽，由纵向集水槽汇流入池厢末端的总横向集水槽，由此经出水渠和十字闸分别输入一级干渠和工业供水泵站。在池厢末端，相应布置了九孔排沙闸，轮流冲沙时，单厢内三孔排沙闸的闸门同时提起相同开度，进行泄空冲沙，然后逐格集中冲刷清除淤沙，淤沙经排沙渠排沙泄水入堤内滩地或黄河。

4.3 方案比较

经沉沙池技术经济比较，平流加斜板方案比平流型方案有以下几方面的优越性：

一是提高了沉沙池的沉降率。根据整体模型试验，在不同供水流量下，即供水流量分别为20m3/s，16m3/s，6m3/s，相应入池含沙量分别为 80kg/m3，100kg/m3，120kg/m3时，平流型沉沙池的沉沙效率分别为44.0%，46.24%和59.92%，复合型沉沙池的效率分别为51.1%，55%和70.6%，大于0.05mm粒径的沉降率在85%左右，较平流型效率有明显提高。

二是缩短了池长，减少了工程占地面积及工程量。由于复合型沉沙池采用了斜板沉淀理论，使得泥沙有效沉淀面积增大，不仅缩短了泥沙的沉降距离，减少了沉淀时间，而且提高了泥沙的沉降效率。复合型沉沙池方案使池室工作段的长度由原设计的220m缩短至118m，缩短了102m，从而使沉沙池占地面积及工程量减少。

三是缩短了冲沙时间，减少了冲沙用水量。在不同水沙条件下，平流型沉沙池单室冲洗时间分别为4.9h，4.6h和6.85h，冲沙流量分别为4.1m3/s，4.45m3/s和3.91m3/s。而复合型沉沙池单室冲洗时间分别为2h，2h和2.4h，冲沙流量均为5m3/s。即单室冲洗时间减少了50%，节省冲沙用水量约1/2。

四是进口联接段优化布置，保证了沉沙池正常工作。由于黄河水沙变化大，引渠与工作段宽度相差大，整体布置满足了不同水沙状况下的水流要求，保证了入池水流稳定均匀，为提高沉沙效率创造了条件。

五是通过现场振冲桩试验，使得沉沙池基础设计经济合理。根据振冲桩试验成果，在满足基础承载力的条件下，将振冲桩长度由原设计的12.5m减小为10.0m，使地基处理费用得以降低。

六是缩短了工期，减少了工程投资。通过优化设计，节约了工程量，缩短了工期，总计节省工程直接投资417万元（1988年修编概算），取得了显著的经济效益和社会效益。

5 结语

山西省黄河禹门口沉沙池工程1996年12月施工完成，2000年10月竣工验收。十几年来运行状况良好，复合型沉沙池结构的成功应用可为处理高含沙水流沉沙提供宝贵经验。

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1004-7042（2011）08-0039-02

原玉英（1964-），女，1986年毕业于华北水利水电学院农田水利工程专业，高级工程师。

2011-06-13；

2011-07-18