新疆玛纳斯河总干渠曲线形沉沙池的设计与运行管理探讨

杨文涛

(新疆玛纳斯河流域管理局，新疆 石河子 832000)

1 项目简介

位于新疆的大部分河流由于海拔的原因均来源于高山和冰川，且为山溪性多沙的河流。其中玛纳斯河多年的径流量每年达到12.8×108m3，随河流而推移的泥沙高达40×104t，大约占所有含沙量的15%左右。为了有效解决泥沙入渠的主要问题，在前期修建玛河总干渠时建造了曲线形沉沙池以及弯道式的引水枢纽。但修建完成之后发现，沉沙池存在首端和尾端有淤积以及冲沙廊道上的若干问题，随之对其进行相应的改进。通过改进后，运行效果十分较好。

2 曲线形沉沙池的设计分析

2.1 曲线形沉沙池的作用原理

作用原理主要是以横向环流为基础而建立的。水流在通过弯曲段的过程中，受到时离心力的作用影响而进一步造成横向环流的现象，由此导致渠道中的泥沙以及悬移质的泥沙逐步向凸岸进行移动，而泥沙移动至凸岸时则被原先布置在凸岸坡脚用于泄水排沙的廊道加以吸收，并将其排入至河道之中。

在凹岸向凸岸而推进的环流中，无法避免由河流底部产生的环流逐步形成上升环流，由此造成河流底部的泥沙产生强力的搅动。为了避免这种搅动情况，在主要的结构中运用较小的相对水深(普遍为H/Bcp，但不能超出1/10～1/15)，然后在曲线形沉沙池的池底运用横向逆坡，使曲线形沉沙池的池底泥沙不作向上运动，而是随池底的斜坡往下进行移动，进而避免了由环流向上运动而造成的搅动。与此同时，环流的作用又被横向逆坡所提高，提升了环流的推移能力，最终使泥沙均被推移至凸岸的廊道孔而被冲走。另外需要注意，此种沉沙池只能用在前山河段且推移质泥沙比较多的河流中。泥沙的粒径小于0.25 mm时，泥沙在河流中的状态处于悬浮，如果运用此种沉沙池便降低了实际的效果，所以应当根据实际的情况合理选择沉沙池。

2.2 曲线形沉沙池的主要结构

本工程中的曲线形沉沙池为90°交角的弯曲渠段，且河流渠道的中轴弯曲半径达到沉沙池底宽b的4倍。通过在曲线渠段的前端、后端运用1.6b直线过渡段和渠道间进行连接。在曲线段渠底下无纵坡，只有比例为1∶10的横坡。所以，曲线沉沙池的水位和流速只能依靠沉沙池的末端门槛予以保障。为保证在冬季能够有效输水，在凸岸门槛的附近构建输水孔装置，由此来宣泄冬季的水流。具体详情见图1。

图1 曲线沉沙池的平面布置图

通过依据尼基琴开展的实验表明，曲线沉沙池的池底与边坡的表面应当粗糙，由此可以稳定泥沙在池底的运动，并且提升凸岸的输水力度和提升横向环流的能力。所以，最终在干渠的沉沙池底与边坡运用30 cm长度的卵石进行干砌。

为了确保进入曲线沉沙池中的流速保持均速，在沉沙池的进口处构建导流闸墩和安装均流栅，见图1。

曲线沉沙池对冲沙的流量进行设计时，要求为渠道设计流量的15%～20%。而伴随河水与泥沙的降低则应当将冲沙的流量随之降低到5%～10%。而不需要连续冲沙时，则运用定期冲沙。而定期冲沙的水量不能超出曲线沉沙池的水量1%～2%。

在河流的冲沙廊道出口位置的排沙明渠，应当依据河流的流量产生的变化而设计为变断面渠道。并且该明渠的水流方向应当和沉沙池的水流相反，这是由于头几条廊道中的颗粒较粗且冲沙量十分大，末端的廊道则颗粒细、冲沙量小。因此，将排沙明渠水流与沉沙池呈相反方向可以提高冲沙的水量，以此将头几条的廊道中粗粒泥沙予以排出。

在河流第一条廊道的出口位置下游布设在排沙明渠中一组排沙节制闸，在有必要的时候，其可以替换廊道入口的闸门，由此对排沙明渠的水位和冲洗的流量加以控制和调节。另外，在排沙明渠出口位置建立有陡坡跌水，将其和河流的河底予以连接，由此利用河水将泥沙冲走。

2.3 确定沉沙池的尺寸

曲线沉沙池的过水断面主要由流量以及平均的流速来决定其大小。对于平均流速的选择，则主要由沉降的泥沙其颗粒粒径和数量所决定。因河流在沉沙池的下游存在两座水电站，而水电站对泥沙的粒径要求不能大于0.4 mm。依据尼基琴所开展的实验表明，当沉沙池的平均流速为1.5 m/s时便可以达到以上的要求。沉沙池最大的流量是140 m3/s，因此沉沙池断面应当为：

河流曲线沉沙池的相对水深为HcpBcp，定为1/10，因此沉沙池的平均宽度Bcp为Bcp=10Hcp，将其融入上述公式中而得出：

A=HcpBcp=10H2cp=93.3 m2

经过计算得出沉沙池的平均水深为：

而曲线沉沙池底宽度b则为：

b=Bcp-mHcp=10Hcp-1.5Hcp=26 m

所以，河流曲线沉沙池的两端直线段长度l则是沉沙池池底宽b的1.6倍，l=1.6b=41.6 m。

2.4 计算沉沙池的长度和池底横坡

为提高横向环流的推移能力，对曲线沉沙池的池底运用0.1横坡。而沉沙池弯曲的半径R则是池底宽度b的4倍(R=4×26=104 m)。沉沙池的长度L则是1/4圆(L=Dπ/4=2×104π/4=163.36 m)。

上游过渡段的桩号从0+837→0+878为止(该段内的边坡底部横向高差应当依据距离而均匀地变化，凸岸从0→-1.3 m，凹岸从0→+1.3 m，凸岸-1.3 m，凹岸+1.3 m)。而曲线沉沙池的桩号从0+878→1+042，下游过渡段的桩号为1+042→1+083。

2.5 沉沙池的冲沙廊道

依据尼基琴的实验表明，冲沙廊道的数目为：沉砾池为6～8个左右；沉沙池则为10～12个左右。而本研究的河流为沉砾池，并且该池的流量较大，以及池身长度较长等原因，因此使用9个冲沙廊道。

设置冲沙廊道时要求间距基本相同。受沉沙池首段的泥沙比较多所造成的影响，因此在首端廊道比例要比尾端稍密。

冲沙廊道的孔口大小由冲沙的流量大小以及沉沙池水深所决定。由于河流沉沙池的最大流量140 m3/s，因此冲沙水是最大流量的15%(21 m3/s)，所以每一个孔廊道的平均流量为2.33 m3/s。由此结果可以看出，廊道较小，无法有效满足维修人员对其进行检修的标准要求，所以在设计时适当加大廊道的大小为：首末两孔的宽和高分别为0.8和1.5 m，而其它的孔则为宽0.8 m和高1.2 m。在每孔的进口均设计闸门，由此对冲沙的水量进行相应的调节。

2.6 进口导流洞和尾部门槛

曲线沉沙池的导流洞设立在进口的衔接段最末端的位置。该衔接段主要的功能是为了确保流速能够平缓降低，并且对进入沉沙池的流速予以均匀地分配，而导流洞的作用则主要是调整流速。河流沉沙池总设立5处导流洞。每孔的净宽度为4.56 m，在运行期可以安装均流栅，由此保证流速和泥沙可以平均分布，同时均流栅还能拦截杂草等物质，确保冲沙廊道不会产生堵塞。在曲线沉沙池的底部由于无纵坡，因此在沉沙池的尾部和下游渠道间需要利用陡坡或者跌水加以连接。在此种情况下，水位高程需要依靠沉沙池的尾部门槛予以保障。当河流的流量降低时水深同时随其降低。实验表明，当流量出现变化时，沉沙池中的流速所发生的变化不大。本曲线沉沙池运用跌水加以衔接，并且同时设立浆砌卵石和钢筋混凝土的门槛。门槛的高和宽分别为1.2和0.5 m，下游的断面为垂直，而上游的面为倾斜，边坡的系数为0.415。为确保在冬季时沉沙池中的输水流速大于1.2 m/s，在位于凸岸边的门槛上建立宽为6.5 m的闸孔，由此确保水流可以顺利的通过。而在冬季过后，可以使用迭梁插板将闸孔予以关闭。

2.7 排沙闸

排沙闸是全部冲沙廊道的一个总门户，其功能主要是对排沙明渠的水位以及通过廊道时排水的流量进行有效调节，并对辅助廊道闸门在操作时存在的一些缺陷。排沙闸设立位于1号廊道的出口下游位置，而其高度则根据上游壅水的水位予以确定。另外，为了减少闸门的实际高度，所以运用钢筋混凝土的胸墙。

2.8 排沙明渠

排沙明渠主要根据沿程的流量变化，而进一步设计为变断面梯形的相应渠道。排沙渠道的流速不能高于总干渠的实际流速，以此确保可以把廊道排出的泥沙全部送进河道之中。

3 形沉沙池的改进

前期修建玛河总干渠时，建造了曲线形沉沙池以及弯道式的引水枢纽。但在修建完成之后便发现沉沙池存在首端和尾端有淤积以及冲沙廊道上的若干问题，然后随之对其进行相应的改进：

1) 增加冲沙廊道。由于曲线沉沙池的首端和尾端均有淤积出现，因此在1号廊道的上游位置添加两个冲沙廊道，并在尾端9号廊道的下部添加一个冲沙廊道，使有原9孔总计达到12孔。通过实际的运行来看，首端无淤积产生，而在尾端则表现稍有淤积，沉沙池则没有淤积出现。

2) 改进廊道闸门的升降方式为垂直式。由于廊道的闸门安装位于进口的斜坡之上，并且是转动门盖，当门盖在转动时其轴经常被卡住而对启闭造成不利的影响，因此改为垂直升降式，改进后整体运行状态良好。

3) 在廊道的下部位置添加铸铁板护砌。廊道自身的流速过大，经常挟带较粗的颗粒泥沙，因此在早期就将浆砌卵石的廊道下部予以冲毁。而通过对其进行改进，在廊道的底板及边墙下0.5 m的范围之内均使用厚5 cm的铸铁板加以护砌，通过运行表明状态良好。

4 河流曲线沉沙池的运行管理分析

对于沉沙池来讲，其运行管理同样十分的重要，如果没有有效的管理则不能将沉沙池的作用得到有效的发挥。通过对实际工作的经验加以总结，管理应当做到以下几点。

1) 完善的管理规程。在沉沙池正式运行时，应当依据设计的精神与要求编制出科学合理的管理规程，主要有泥沙的观测和排沙的方式等等，然后经过实际的运行不断地对其进行补充和完善。

2) 水文泥沙观测。对河流的水文泥沙进行观测是进行管理的重要项目。而观测的范围主要有引水枢纽、上游渠道、沉沙池等。管理部门在运行中应在渠首的上游整治段中建立4个观测点，在总干渠中设立1个，在沉沙池中设立5个，在排沙明渠中设立1个，总共11个观测点。管理人员根据水沙的实际状况选择排沙的方式。

3) 沉沙池和渠首的排沙相互配合。引水枢纽主要为弯道式，具体见图2。当渠首进行集中的排沙过程中，沉沙池则必须停止进行排沙，确保把流量全部集中于渠首中，提升渠首在集中冲沙时的实际效果。而在渠首集中冲沙间歇时期内，可以提高沉沙池的排沙流量。

图2 引水枢纽平面布置图

4) 将排沙明渠当作节制闸运用。当需要利用排沙明渠作为节制闸使用时，闸前的水位势必会提升，由此导致沉沙池的环流进一步恶化。所以，不到万不得已的时候不能运用该闸。

5 结 语

通过研究表明，曲线形沉沙池的结构比较简单，实际的排沙效果较高，特别应用在泥沙过多的前山河段引水渠道中，效果更好。在本研究中，通过实际应用于玛河总干渠中表明效果十分理想。另外，对于曲线形沉沙池的管理也同样的重要，需要保证具有完善的管理和操作的相应制度，以及对水文泥沙的有效检测，同时保证管理人员具有较强的责任心。