大宁县割麦沿黄提水灌溉工程取水方案设计分析与研究

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原030024）

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本文结合大宁县割麦沿黄提水灌溉工程设计对利用大口井群从黄河河漫滩取水和利用浮船泵站直接引取黄河水取水方案进行了分析研究，结合站址处地形、地质、黄河水不同时段的泥沙含量、淤积形态等多方面分析，最终确定选用浮船泵站取水方案，有效解决了水源的泥沙问题。该取水方式可供工程技术人员借鉴。

黄河水泥沙含量淤积浮船泵站大口井群

1 工程概况

大宁县割麦沿黄提水灌溉工程位于黄河北干流碛口至禹门口河段，工程任务为向割麦灌区的2.58万亩耕地提供灌溉用水，设计引水流量0.55m3/s。提水工程从黄河岸边提水，经四级加压泵站后进入出水池，通过自重流方式向割麦灌区供水。输水线路全长约8.78km，总设计扬程677m，总装机容量5540 kW。

2 大口井取水方案

2.1 工程布置

大口井取水方案是在黄河东侧的河漫滩地开凿10眼临河大口井，顺水流方向单线布置，中心距离黄河水面线约30m，井内径12m，深12m，井间净距离150m。

2.2 水源地水文地质条件

水源地选址于马头关黄河大桥北约1km处的黄河东侧河漫滩地，西侧毗邻沿黄公路。场地南北长约1400m，东西宽50～120m，较为开阔，地面高程501.0～503.5m，地形较为平缓。

水源地表层为第四系全新统洪冲积（Q4pal）粉土质砂、含细粒土砂，分选性较好，结构松散～稍密，厚约0.2～2.0m，由东向西逐渐变薄，其下主要为卵石混合土、混合土卵石等巨粒土层，局部夹有级配不良砂透镜体。

地下水主要储存于卵石混合土、混合土卵石层中，属松散岩类孔隙水，地下水位受黄河水位影响较大，枯水期地下水由水源地补给黄河水，丰水期黄河水补给水源地。水源地覆盖层渗透性呈不均匀性，8m以上土层渗透性明显弱于8m以下土层，平行黄河流向渗透性强于垂直黄河流向渗透性。

2.3 大口井出水量计算

利用傍河取水公式（2-1）估算大口井单井出水量。根据地层岩性情况，计算取井深7m和井深12m计算出水量，计算结果见表2-1。

表2-1 大口井出水量计算成果表

式中：Q—大口井出水量，（m3/d）；k—渗透系数，（m/d）；S—降深，（m）；h0—静止水位至井底高度，（m）；R—影响半径，（m）；r—井半径，（m）；R′—影响半径与井半径之和，即R′=R+r，（m）；m—井底至基岩面高度，（m）；H—静止水位高度或潜水层厚度，（m）。

分析表2-1计算结果，大口井开挖深度小于7m时，属黄河河漫滩上部卵石混合土层，含泥量较大，其渗透性较下部卵石混合土层小，出水量较小。设计取水量0.55m3/s，即1956.6m3/h，需要布置口径12m的大口井约44眼以上；当采用井深12m、井径12m的大口井时，需布置8眼以上。

由于水源地可使用面积仅0.22km2，沿河长度仅1.4km，若考虑井间不互相影响，按傍河取水公式计算，仅能布置5眼井深12m、井径12m的大口井，不能满足设计取水要求，因此需考虑井间干扰抽水布井，干扰系数与井间距关系估算见表2-2。考虑水源地可使用面积，干扰系数取0.15，井间净距150m时，10眼大口井总出水量2082m3/h，可满足设计要求。

表2-2 大口井间距与干扰系数关系估算表

2.4 大口井设计

大口井采用C25钢筋混凝土结构，内径12m，净深12m，井筒高13m，壁厚0.8m。为防止洪水进入井内，井顶设0.2m厚的钢筋混凝土盖板封闭。为保证渗井水量，井壁浇筑前预留φ150PVC进水管。进水管为向内倾斜的斜管，水平夹角30°，梅花形布设，间排距0.2m，孔隙率22%。为防止井外泥沙进入井内，孔内填塞反滤包。为便于井底进水，在井底铺设1.0m厚的反滤层。大口井结构见图2-1。

图2-1 大口井结构图

2.5 大口井方案合理性分析

2.5.1 出水量合理性分析

利用公式计算出单井出水量208.2m3/h。工程勘察期间，本工程水源地下游约6km处正在进行大宁县古镇提水工程，对其5个抽水井进行了反推出水量计算，其计算出水量与实际出水量接近。另外，据调查，柳林县某近河大口井井径12m，降深0.5m，渗透系数120m/d，其出水量可达380m3/h，本工程井深12m时，降深8m，渗透系数20m/d，类比后估算得单井出水量可达200m3/h，因此计算结果可作为取水方式的依据。

2.5.2 结构合理性分析

大口井井壁预埋穿孔管，内设反滤包，井底铺设反滤层，可以有效引取黄河清水，满足水泵运行要求。井壁反滤包如果被泥沙淤堵，可以取出更换。

3 浮船泵站取水方案

3.1 工程布置

浮船泵站是在黄河岸边设置浮船泵站直接引取黄河水，浮船泵站后设置沉沙池，黄河水经沉沙池澄清后进入一级泵站进水池。取水口位于大宁县境内马头关黄河大桥北约1km处的凹岸段。

3.2 浮船泵站设计

浮船泵站设计扬程5.08～12.82m，装机容量90kW。趸船长15m，宽6.2m，为钢结构，采用锚索固定于河道岸边，船内布置2台轴流泵、电气柜及值班室，机组间距4.0m。浮船泵站出水管为DN400钢管和软管，双管布置，泵船和岸坡陡直段管道为明设钢管，台地段软管挖槽明设，软管非运行期拆卸保管。管道出口为自由出流，管径0.4m，管中心高程509.44m，高于沉沙池设计水位0.2m。

3.3 沉沙池设计

3.3.1 沉沙池布置

沉沙池设1厢，采用C25钢筋混凝土矩形结构，设计水位507.37m，池顶高程508.37m。池深3.1m，宽20m，长100m。池底高程505.27m，底板厚0.5m，边墙厚0.4m。

沉沙池末端设溢流堰和清水渠。溢流堰宽10m，堰顶高程507.17m，堰顶水头0.2m。清水渠为C25钢筋混凝土矩形结构，设计纵坡1:1000，末端与一级泵站引水渠相接。清水渠顶高程为508.37m，渠底高程506.37m，渠深1.64m，渠底宽度1.5m。渠内设计水深0.44m。渠底厚0.5m，边墙厚0.4m。

3.3.2 沉沙池结构尺寸

沉沙池结构尺寸是在满足淤积量的情况下，综合考虑沉降速度率、允许流速、工作水深等因素确定的。

3.3.2.1 淤积量计算

沉沙池淤积量按一次灌溉期15天淤满考虑，含沙量采用黄河1986年6月~2006年7月多年平均含沙量（全年）21.9kg/m3计算，泥沙容重为1.65t/m3。根据《水利水电工程沉沙池设计规范》（SL269-2001），沉沙池出池泥沙允许粒径不宜超过0.05 mm。该段河道大于0.05mm的粒径占39.6%，0.05mm泥沙粒径允许流速为0.15m/s，泥沙沉降率取80%。

淤积量按式（3-1）计算。

3.3.2.2 沉沙池长度计算

沉沙池长度按式（3-2）计算。

式中Lp——池厢工作长度（m）；Hp——池厢工作水深（m），取0.5m；V——池厢平均流速（m/s），取0.15m/s；ω——泥沙的沉降速度（mm/s），根据附录D，粒径0.05mm，水温10℃时的沉降速度为1.29mm/s；ξ——安全系数取1.5，规范一般采用1.2～1.5。

经计算Lp=97.6m，确定池长L=100m。

3.3.2.3 沉沙池宽度计算

横断面为矩形的沉沙池，工作宽度按式（3-3）计算。

式中Bp——池厢工作宽度（m）；Qp——通过池厢的工作流量（m3/s）,为0.56 m3/s；V——池厢平均流速（m/s），取0.15m/s；Hp——池厢工作水深（m），取0.5m；经计算，B=7.47m。

3.3.2.4 沉沙池池深确定

根据计算的工作长度和淤积量，反算池厢工作宽度和泥沙淤积深度，经试算，确定池厢工作宽度20m，淤积深度1.6m，池厢平均流速实际为0.015m/s，更有利于沉沙。

沉沙池兼作浮船泵站出水池，池深高度综合考虑淤积深度、工作水深、超高和出水管安装要求等因素，确定为3.1m。

3.3.3 出口含沙量的计算

出口含沙量按《灌溉与排水设计工程设计规范》（GB50288-99）中的公式计算。

式中S——沉沙池出口含沙量（kg/m3）；So——沉沙池进口口含沙量（kg/m3），21.79kg/m3；e——常数，e=2.71828；α——与泥沙粒径、水力要素有关的系数，淤积时α＜0.5，冲沙时α=1.0；α取0.45；z——泥沙悬浮指数；L——沉沙池总长度（m）；h——沉沙池平均水深（m）；ν——沉沙池平均流速（m/s）。

经计算，沉沙池出口含沙量为2.75kg/m3，满足水泵运行要求。

3.4 浮船泵站方案合理性分析

引黄提灌工程的特点是流量小，扬程高，一般采用离心泵。但黄河水平均含沙量较大，对离心泵特性影响较大。高速含沙水流通过水泵时，产生相当大的冲磨力，减弱了泵壳和叶轮等过流部件的强度。含沙量越大，水泵效率降低，流量减小，扬程也相应减少，功率相应增大，泥沙磨损严重降低了水泵使用寿命和安全性。泥沙磨损成为水泵选型的制约因素。泥沙磨损对轴流泵的影响较小，浮船泵站采用低扬程轴流泵直接抽取黄河水可以有效解决这一问题。

浮船泵站后设置沉沙池，沉沙池入池含沙量21.9kg/m3，出池含沙量2.75kg/m3，沉沙率达到87%，有效地降低了水流的含沙量，保证了泵站的安全运行。

4 方案比选分析

经上述计算分析，浮船泵站取水方案和大口井取水方案在技术上都是合理可行的，但在施工、投资、运行管理等方面存在差异。

浮船泵站取水方案优点：浮船泵站可以选用低扬程水泵直接抽取黄河水，并且可以适应不同水位的取水要求，不受黄河河势摆动的影响，取水保证率较高。沉沙池采用半挖半填式堤坝结构，施工简单。工程直接投资约560.6万元，比较经济。缺点：沉沙池采用机械清淤，后期运行管理费用较高。

大口井取水方案优点：可以直接引取黄河清水，不需要设置沉沙设置，运行管理方便。缺点：施工采用沉井施工，施工难度大。井壁和井底的反滤层容易被泥沙淤堵，清淤比较困难，长期运行后，影响进水量，取水保证率降低。工程直接投资约1038万元，投资较大。

经综合经济技术比较，选定浮船泵站取水方案为推荐方案。

5 结语

为了解决水资源贫乏问题，建国以来，我省沿黄河兴建了多座提水泵站，大宁县割麦沿黄提水灌溉工程借鉴已建成类似工程的经验，采取浮船泵站取水，有效解决了黄河水源泥沙含量大的问题，最大程度地保障工程的顺利实现。

大宁县割麦沿黄提水灌溉工程取水方案设计分析与研究

■薛俊玲

TV[文献码]A

1000-405X（2016）-10-215-2

薛俊玲（1974～），女，毕业于太原理工大学水利水电建筑工程专业，本科，高级工程师，研究方向为水工专业设计。