黄花滩水利骨干工程压力管道进口沉沙池设计分析

王明锋

（甘肃省水利水电勘测设计研究院 甘肃兰州 730000)

1 概述

古浪县地处甘肃省河西走廊东端，祁连山北部，地理坐标为东经 102°38′～103°54′，北纬37°09′～37°54′之间。全县南北宽 68km，东西长88km，总面积5103km2，耕地面积7.53万hm2。黄花滩项目区主要位于古浪县城东北部的黄花滩、西靖两乡，地势相对平坦，土地资源丰富，开发潜力较大。黄花滩乡位于古浪县城东北部40 km处，东邻西靖、井泉乡，南靠黄羊川乡，西连定宁、土门、永丰滩乡，北靠腾格里沙漠并与凉洲区接壤，辖区总面积 280km2。现状耕地面积0.43万hm2，是一个井灌为主、河灌为辅的农业综合开发乡。

黄花滩项目在不增加景电二期灌区提水规模，不影响民勤输水及古浪灌区灌溉用水的前提下，充分利用景电二期工程古浪灌区节水改造富余水量，在已有灌区设施基础上，进行部分扩建延伸，合理开发黄花滩土壤条件优越的部分土地，发展灌溉面积0.57万hm2，移民4万人。在改善古浪县南部山区生态环境的同时，充分利用黄花滩相对优越的自然地理条件，建一个新的生态移民及扶贫开发移民区，用来安置南部山区自条件差、经济文化落后贫困群众，达到生态移民及扶贫开发的目的，实现人与自然的共赢。

黄花滩灌区骨干工程渠系由干渠、分干渠、支渠 3级渠道组成，灌区骨干工程渠道全长114.15km，其中黄花滩干渠30.56km，南分干渠14.93km，北分干渠 24.92km，提灌分干渠8.63km，南分干所属3条支渠16.07km，北分干所属 2条支渠 19.44km。控制灌溉面积 0.57万hm2。项目从景电灌区南北分水闸取水，需改建原景电灌区渠道14.06km，其中北干渠3.23km，北一支渠 10.83km，从北一支尾端新修干渠16.50km延伸至灌区，沿途新修2座提水泵站。改建段及新修段统称黄花滩干渠，总长30.56km。黄花滩干渠除原景电灌区渠道改建为明渠外，新建段均为压力管道输水。本文针对干渠压力输水管道泥沙淤积分析，在干渠管道不淤运行情况下确定新建段渠首沉砂池型式。

2 黄花滩干渠压力管道不淤运行分析

黄花滩干渠压力输水管道全长16.18km，此段设两级泵站提水，最小流量1.17m3/s，设计流量 3.21m3/s，加大流量 4.17m3/s。管材为预应力钢筋混凝土管，管径分别为φ1600mm、φ 1800mm和φ2000mm3三种。黄花滩干渠压力输水管道参数见表1。

表1 黄花滩干渠压力输水管道参数表

黄花滩干渠新建管道段为单管有压输水，经各段管道水力计算，管道设计流速满足规范规定的设计经济流速，但最小流量时管道流速较低。为分析小流量时管道泥沙淤积问题，委托泥沙检测单位对景电二期北一支渠做渠水泥沙分析试验。试验成果表明，景电二期北一支渠下段即黄花滩干渠新建段进口处渠水总固体含量为4323mg/l，溶解性固体含量为428mg/l，悬浮性固体含量为3895mg/l。

根据 GB50288—99《灌溉与排水工程设计规范》表G.0.1-2中查得，泥沙粒径0.2mm，止动幺速为 0.36m/s。本工程干管在最小流量1.17m3/s运行工况下，最小流速为0.37m/s，故理论上泥沙粒径≤0.2mm的均可由管道水流携带走，干渠管道各管段不会产生泥沙淤积。

为避免渠水中泥沙粒径＞0.2mm的泥沙颗粒进入输水管道，需在管道进口前设置沉沙池，沉淀0.2mm以上粒径的泥沙，为管道不淤运行提供保障。

3 渠首沉砂池设计

按照SL 269—2001《水利水电工程沉沙池设计规范》的规定，水利灌溉工程沉沙池泥沙沉降设计标准为出池泥沙允许粒径不宜大于0.05mm.为此，在结合工程实际地形等情况下，本设计中考虑两种条渠沉沙池方案，即出池泥沙粒径小于0.05mm的长池方案和出池泥沙粒径小于 0.2mm的短池方案。经综合比较后选择适宜本项目的沉沙池方案。

3.1 沉沙池长池方案

针对沉降粒径0.05mm以上泥沙颗粒进行沉沙池设计。沉沙池以新建段渠首前渠道设计流量3.81m3/s，水温20℃为条件进行水力计算。沉沙池的平均流速取0.2m/s，根据GB 50288—99《灌溉与排水工程设计规范》表D中查得，泥沙粒径0.05mm在水温20℃时沉降速度为1.67mm/s。参照水工设计手册以及规范公式计算，沉沙池长池方案计算成果见表2。

表2 沉沙池长池方案计算成果表

据渠水泥沙试验分析成果，试验取样渠水中的泥沙总固体含量为 4323mg/l，粒径≥0.05mm的颗粒占29.3%，即1267mg/l。沉沙池进口含沙量S0为4.3kg/m3，出口含沙量S为3.1kg/m3，满足规范要求。黄花滩灌区渠首断面需水量为3120万 m3，经计算每年沉沙池沉淀泥沙量约为 6.05万 m3。

因沉淀泥沙量较大，水力冲沙条件不足，且沉沙池沉淀容积很难满足一个灌溉期的沉沙量，故为考虑人工或机械清沙，沉沙池需做两厢式结构。沉沙池主要结构尺寸拟定为：单厢宽度10m，池厢长度400m，池厢深度3m。

3.2 沉沙池短池方案

针对沉降粒径 0.2mm以上泥沙颗粒进行沉沙池设计，沉沙池设置位置同长池方案。沉沙池以干管设计流量3.81m3/s，水温20℃为条件进行水力计算。根据SL269—2001《水利水电工程沉沙池设计规范》及《水工设计手册》（灌区建筑物)规定，沉沙池沉淀泥沙粒径≥0.2mm时，沉沙池的平均流速可取0.2m/s。根据GB50288—99《灌溉与排水工程设计规范》表D中查得，泥沙粒径 0.2mm 在水温 20℃时沉降速度为17.9mm/s。参照水工设计手册以及规范公式计算。沉沙池计算成果见表3。

表3 沉沙池短池方案计算成果表

通过计算确定设置一座两厢式沉沙池，沉沙池主要结构尺寸拟定为：池厢长度50m，单厢宽度 10m，池厢深度 3m，沉沙池采用螺旋涡管冲沙和人工或机械清沙两种方式，两池厢均设有3m宽清淤下渠通道。

3.3 沉沙池方案比选

综合考虑两种沉沙池设计方案，沉沙池长池方案出池泥沙粒径虽可满足规范要求，极大程度降低管道水流含沙量，但因其无法利用水力冲沙、清淤量大、清淤困难、占地多、施工期长、投资大和不便管理等缺点，本项目不宜采用。沉沙池短池方案占耕地少，工程投资不大，可以保证施工工期，且经管道不淤运行分析，粒径0.2mm以下的泥沙颗粒均可经管道水流带入田间，可有效改良田间土壤。参照黄河流域已建大型灌区经验，本项目推荐沉沙池短池设计方案。

4 结语

黄花滩项目特点是干渠前段为已有明渠改扩建，后段均为有压输水管道。灌区采用长距离、大口径有压输水管道方案在甘肃省尚属首例，且水源为黄河水，渠水泥沙含量大，有压输水管道淤积问题为本项目技术关键点，在本项目开展设计工作期间，对黄河流域已建大型灌区泥沙处理进行了大量调研，吸取各灌区已有经验，通过泥沙淤积计算分析，在有压输水管道进口前设置沉沙池。沉沙池沉降设计标准以管道最小流速为泥沙止动幺速选择沉降最小粒径。本工程干管在最小流量 1.17m3/s运行工况下，最小流速为0.37m/s，泥沙粒径0.2mm止动幺速为0.36m/s，故沉沙池沉降设计标准按泥沙粒径＞0.2mm设计，泥沙粒径≤0.2mm的均可由管道水流携带走，干渠管道各管段正常运行不会产生泥沙淤积，沉沙池选择短池方案是可行的。

1 GB50288－99灌溉与排水工程设计规范［S］，北京：中国计划出版社，1999.

2 左东启，顾兆勋，王文修.水工设计手册（灌区建筑物)［Z］，北京：水利电力出版社，1984.

3 吴持恭.水力学［M］.北京：高等教育出版社，1982.

4 SL269－2001水利水电工程沉沙池设计规范［S］.北京：中国水利水电出版社，2001.