乡宁县谭坪沿黄提水灌溉工程沉沙池设计

李冠卿

（乡宁县水利局，山西 乡宁 042100）

乡宁县谭坪沿黄提水灌溉工程，位于山西省乡宁县城西部，距乡宁县城约45 km。工程任务是向谭坪、驮涧、马涧、临河、掷沙、神底等24个村庄的1633.33 hm2耕地提供灌溉水源。工程属中型水利工程，等别为Ⅲ等，主要建筑物泵站、引水管道为3级，相应洪水标准为30年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核，沉沙池是取水泵站的一部分。

1 沉沙池布置

沉沙池布置在一级泵站前，位于一级泵站厂区内，依据地形沿东南方向布置。排沙廊道垂直于沉沙池，出口于厂区南侧天然冲沟内。由于引水流量较小，沉沙池设计为定期冲洗式，按沉沙与冲洗交替进行、连续供水设计。由进水段、闸室段、联接段、工作段、排沙系统五部分组成。

1.1 进水段

沉沙池进水段接取水泵站出水管，为侧向进水，长10.6 m，宽1.9 m。底高程403.5 m，边墙顶高程406.8 m，底板厚1.0 m，边墙厚0.7 m，C25钢筋混凝土结构。为平稳池中水流，保证入池水流分布均匀，在高程404.6～404.8 m处设置调流格栅。

1.2 闸室段

闸室位于进水段下游，长1.8 m，为便于单池冲沙，每个池箱设一扇铸铁闸门，共3扇，采用螺杆启闭机，孔口宽2.4 m，底高程405.2 m，闸墩厚0.8 m，侧墙厚0.9 m，顶高程406.8 m。在闸室下游侧设工作桥，桥面高程408.7 m，宽1.2 m。

1.3 联接段

连接段位于闸室段和工作段之间，长6.3 m，净宽8.8~9.8 m，两侧扩散角5.4°，底坡1∶3，底高程403.5~401.0 m，边墙顶高程同进水段，底板厚1.0 m，池室边墙及池箱隔墙顶宽0.9~0.4 m，距离底板2 m高处设1∶0.3贴角，C25钢筋混凝土结构。

1.4 工作段

工作段长68 m，底坡为1∶40，共设三个池箱，每个池箱宽3.0 m，池室边墙及池箱隔墙高8.8～5.8 m。工作段尾部设溢流堰和集水槽，溢流堰采用宽顶堰，顶高程406.0 m；集水槽断面为梯形，底宽分别为0.3 m、0.6 m，顶宽0.35 m、0.7 m，均为C25钢筋混凝土结构。集水槽通过集水渠和输水渠同一级泵站前池连接。为方便管理房与厂区内交通，在工作段的下游侧布置交通桥1座，桥面高程406.8 m，桥面宽5.0 m，C25钢筋混凝土结构。

1.5 排沙系统

沉沙池末端横墙底部设置DN 700排沙管，每个池箱设一个排沙阀，共3个，布置于阀室廊道。阀室廊道断面为矩形，宽3.0 m，高5.2 m，底板高程397.3 m，底板厚0.8 m，侧墙及顶板厚0.6 m，为C25混凝土结构。阀室廊道通过竖井楼梯接地面检修室，检修室为砖混结构，平面尺寸5.8 m×6.0 m，层高3.8 m，检修平台高程406.2 m。泥沙通过排沙阀进入排沙廊道，排沙廊道长76.8 m，底坡为1/100，进口底高程397.3 m，出口底高程396.64m，廊道断面为矩形，宽0.8~1.2 m，高2.4 m，底板厚0.8 m，侧墙厚0.6 m，顶板厚0.3 m，C25混凝土结构。

2 入池含沙量、颗粒级配及泥沙沉积设计标准

工程对引水含沙量的要求：水泵叶轮对泥沙磨蚀的敏感性高，特别是大于等于0.05 mm、石英含量高的泥沙，其磨蚀尤其严重。出水池为易于泥沙淤积地下结构，一旦淤积很难清理。工程供水用于农业灌溉。

根据上述各项要求，本工程对沉沙的要求是尽可能多地沉积引水中的泥沙。但设计泥沙沉降率和出池含沙量标准越高，沉沙池规模就越大，规模太大时，经济上也渐趋不合理，所以设计泥沙沉降率和出池含沙量标准不宜太高。本阶段参考类似工程，确定本工程设计出池泥沙粒径不宜大于0.05mm，大于等于0.05mm的泥沙沉降率达到80%以上，汛期出池含沙量为12 kg/m3。

实测黄河来水汛期含沙量高且颗粒细，非汛期含沙量低而粒径粗，年内各月含沙量变幅较大。本工程主要是农业灌溉，引水时段主要是3月、5—11月，要遭遇含沙量较高的汛期，根据黄河龙门站1986年—2006年泥沙统计资料，上述8个月多年平均含沙量为23.2 kg/m3，其中汛期多年平均含沙量40.4 kg/m3。本次设计入池含沙量采用多年平均含沙量23.2 kg/m3，设计入池泥沙粒径采用75%年份平均泥沙粒径，见表1。

表1 泥沙粒径组成表

3 沉沙池主要尺寸拟定

本工程选用定期式冲洗沉沙池，根据有关规范初步确定其尺寸：

3.1 工作段进口水深

工作段进口水深，应满足下式：

式中：H——工作段进口水深，m；

ΔZ——工作段进口水位与排沙沟出口的水面落差Z为5 m；

q——排沙道出口单宽冲沙流量，m3/s·m；

vc——排沙道出口冲沙流速，m/s；

i——沉沙池工作段底坡；

i0——排沙道底坡；

Lw——沉沙池工作长度，m；L0——排沙道长度，m。

经计算，工作段进口水深为5.0 m。

3.2 工作段进口工作深度

工作段进口工作深度按下式计算：

式中：Hε——工作段进口工作深度，m；

H——工作段进口水深，m；

ΔHk——工作段进口设计泥沙淤积高度（m），取0.5H为2.5 m。

经计算，工作段进口工作深度为1.6 m。

3.3 沉沙池工作宽度

沉沙池工作宽度计算公式如下：

式中：Q——工作流量，m3/s；

Hw——工作段的平均工作深度，m；

v——工作段平均流速，m3/s。

经计算，工作宽度为9 m。

3.4 沉沙池的工作长度

根据地形条件，参考类似工程取70 m，由计算的泥沙沉降率和出池含沙量是否达到设计标准来确定长度。

4 泥沙沉降计算和淤积容积确定

4.1 恢复饱和系数的计算

式中：αik——k池段粒径组的恢复饱和系数；

ϖi——平均沉降速度；

u*k——摩阻流速

——k池段平均水力半径；

4.2 沉降率

式中：ηik——池段i组粒径沉降率；

Sik、Si(k+1)——k池段上、下断面分组含沙量，kg/m3；

aik——k池段粒径组的恢复饱和系数；

——粒径组的平均沉速，m/s；

qk——k池段单宽流量，m3/s·m；

i——粒径组编号，按粒径由小到大排序，i=1，2…，m；

η1——大于i组粒径沉降率；

ηik——池段i组粒径沉降率；

ΔPi——第i组粒径的沙重百分比。

4.3 淤积计算

式中：Vk——k池段淤积体积，m3；

Q——工作流量，m3/s；

tj——计算时段历时长，h；

Sk、Sk+1——k池段上断面、下端面含沙量，kg/m3；

Sik、Si（k+1）——k池段上断面、下端面含沙量，kg/m3。

4.4 冲洗周期

当池室淤积到一定程度后，出池含砂量及其粒径超过泥沙沉降标准时，及时进行冲洗，以恢复沉沙容积，冲洗周期Ts按下式计算：

计算结果见表2。

表2 泥沙沉降及淤积计算结果

从计算结果可以看出，拟定尺寸基本满足泥沙沉降率及出池含沙量设计标准，即沉沙池工作宽度9 m，沉沙池首端深度5.80 m，尾端深度为7.30 m，沉沙池长度68 m。因沉沙池计算有许多经验性的因素，建议进行模型试验，以验证计算出池含沙量和泥沙沉降率是否达到设计要求。

5 冲洗计算

5.1 冲沙流量

冲沙流速一般不小于2~2.5 m/s，本次设计取2 m/s，那么按单池室冲沙的话需要的冲沙流量太大，因此每个池室分3个池箱，每个池箱宽3 m，参考已建工程池箱单宽冲沙流量取0.3 m3/s·m，冲沙流量为0.9 m3/s。

5.2 冲洗时间

根据《水利水电工程沉沙池设计规范》（SL 269-2001）附录C，定期冲洗式沉沙池的冲洗过程分为泄空冲洗、溯源冲洗和沿程冲洗三个阶段。计算结果见表2。

6 结语

沉砂池排沙廊道出口处为一天然沟道，有常年的清流水，到汛期有较大的洪水，为了防止水流不断冲刷河沟对排沙廊道造成安全威胁，同时便于工程运行时清理泥沙，对此段沟道的沟底进行清淤、整治，采用C15混凝土护底，并在上下游各设10m长格宾石笼防护。

一级站站址北侧滑坡体类型为一切层滑坡，形成的主要因素是坡脚砂质泥岩层，岩性软弱，受降雨入渗软化，以及两沟交汇处雨季洪水冲刷坡脚影响，上部岩体失去稳定产生切层滑动而形成。滑坡后缘及滑坡平台地等特征明显。现坡脚部分长度约130 m，坡面最大长度约100 m，滑床埋深不详。由于设计方案变更，现沉沙池等建筑物临近坡脚，需要重新考虑滑坡体对建筑物安全的影响。考虑到滑坡体坡脚取料后部分临空，以及滑坡体结构为松散块石土体等特点，降雨入渗、冲刷，滑坡体有可能再次失稳，将影响沉沙池等水工建筑物安全。因此，建议对坡面进行整治处理，开挖坡比1∶1.75。沉沙池北侧坡脚可设置挡墙等工程措施，防止塌落块石破坏建筑物安全。