楊文濤

(新疆瑪納斯河流域管理局，新疆 石河子 832000)

1 項目簡介

位于新疆的大部分河流由于海拔的原因均來源于高山和冰川，且為山溪性多沙的河流。其中瑪納斯河多年的徑流量每年達到12.8×108m3，隨河流而推移的泥沙高達40×104t，大約占所有含沙量的15%左右。為了有效解決泥沙入渠的主要問題，在前期修建瑪河總干渠時建造了曲線形沉沙池以及彎道式的引水樞紐。但修建完成之后發(fā)現(xiàn)，沉沙池存在首端和尾端有淤積以及沖沙廊道上的若干問題，隨之對其進行相應(yīng)的改進。通過改進后，運行效果十分較好。

2 曲線形沉沙池的設(shè)計分析

2.1 曲線形沉沙池的作用原理

作用原理主要是以橫向環(huán)流為基礎(chǔ)而建立的。水流在通過彎曲段的過程中，受到時離心力的作用影響而進一步造成橫向環(huán)流的現(xiàn)象，由此導(dǎo)致渠道中的泥沙以及懸移質(zhì)的泥沙逐步向凸岸進行移動，而泥沙移動至凸岸時則被原先布置在凸岸坡腳用于泄水排沙的廊道加以吸收，并將其排入至河道之中。

在凹岸向凸岸而推進的環(huán)流中，無法避免由河流底部產(chǎn)生的環(huán)流逐步形成上升環(huán)流，由此造成河流底部的泥沙產(chǎn)生強力的攪動。為了避免這種攪動情況，在主要的結(jié)構(gòu)中運用較小的相對水深(普遍為H/Bcp，但不能超出1/10～1/15)，然后在曲線形沉沙池的池底運用橫向逆坡，使曲線形沉沙池的池底泥沙不作向上運動，而是隨池底的斜坡往下進行移動，進而避免了由環(huán)流向上運動而造成的攪動。與此同時，環(huán)流的作用又被橫向逆坡所提高，提升了環(huán)流的推移能力，最終使泥沙均被推移至凸岸的廊道孔而被沖走。另外需要注意，此種沉沙池只能用在前山河段且推移質(zhì)泥沙比較多的河流中。泥沙的粒徑小于0.25 mm時，泥沙在河流中的狀態(tài)處于懸浮，如果運用此種沉沙池便降低了實際的效果，所以應(yīng)當根據(jù)實際的情況合理選擇沉沙池。

2.2 曲線形沉沙池的主要結(jié)構(gòu)

本工程中的曲線形沉沙池為90°交角的彎曲渠段，且河流渠道的中軸彎曲半徑達到沉沙池底寬b的4倍。通過在曲線渠段的前端、后端運用1.6b直線過渡段和渠道間進行連接。在曲線段渠底下無縱坡，只有比例為1∶10的橫坡。所以，曲線沉沙池的水位和流速只能依靠沉沙池的末端門檻予以保障。為保證在冬季能夠有效輸水，在凸岸門檻的附近構(gòu)建輸水孔裝置，由此來宣泄冬季的水流。具體詳情見圖1。

圖1 曲線沉沙池的平面布置圖

通過依據(jù)尼基琴開展的實驗表明，曲線沉沙池的池底與邊坡的表面應(yīng)當粗糙，由此可以穩(wěn)定泥沙在池底的運動，并且提升凸岸的輸水力度和提升橫向環(huán)流的能力。所以，最終在干渠的沉沙池底與邊坡運用30 cm長度的卵石進行干砌。

為了確保進入曲線沉沙池中的流速保持均速，在沉沙池的進口處構(gòu)建導(dǎo)流閘墩和安裝均流柵，見圖1。

曲線沉沙池對沖沙的流量進行設(shè)計時，要求為渠道設(shè)計流量的15%～20%。而伴隨河水與泥沙的降低則應(yīng)當將沖沙的流量隨之降低到5%～10%。而不需要連續(xù)沖沙時，則運用定期沖沙。而定期沖沙的水量不能超出曲線沉沙池的水量1%～2%。

在河流的沖沙廊道出口位置的排沙明渠，應(yīng)當依據(jù)河流的流量產(chǎn)生的變化而設(shè)計為變斷面渠道。并且該明渠的水流方向應(yīng)當和沉沙池的水流相反，這是由于頭幾條廊道中的顆粒較粗且沖沙量十分大，末端的廊道則顆粒細、沖沙量小。因此，將排沙明渠水流與沉沙池呈相反方向可以提高沖沙的水量，以此將頭幾條的廊道中粗粒泥沙予以排出。

在河流第一條廊道的出口位置下游布設(shè)在排沙明渠中一組排沙節(jié)制閘，在有必要的時候，其可以替換廊道入口的閘門，由此對排沙明渠的水位和沖洗的流量加以控制和調(diào)節(jié)。另外，在排沙明渠出口位置建立有陡坡跌水，將其和河流的河底予以連接，由此利用河水將泥沙沖走。

2.3 確定沉沙池的尺寸

曲線沉沙池的過水斷面主要由流量以及平均的流速來決定其大小。對于平均流速的選擇，則主要由沉降的泥沙其顆粒粒徑和數(shù)量所決定。因河流在沉沙池的下游存在兩座水電站，而水電站對泥沙的粒徑要求不能大于0.4 mm。依據(jù)尼基琴所開展的實驗表明，當沉沙池的平均流速為1.5 m/s時便可以達到以上的要求。沉沙池最大的流量是140 m3/s，因此沉沙池斷面應(yīng)當為：

河流曲線沉沙池的相對水深為HcpBcp，定為1/10，因此沉沙池的平均寬度Bcp為Bcp=10Hcp，將其融入上述公式中而得出：

A=HcpBcp=10H2cp=93.3 m2

經(jīng)過計算得出沉沙池的平均水深為：

而曲線沉沙池底寬度b則為：

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

所以，河流曲線沉沙池的兩端直線段長度l則是沉沙池池底寬b的1.6倍，l=1.6b=41.6 m。

2.4 計算沉沙池的長度和池底橫坡

為提高橫向環(huán)流的推移能力，對曲線沉沙池的池底運用0.1橫坡。而沉沙池彎曲的半徑R則是池底寬度b的4倍(R=4×26=104 m)。沉沙池的長度L則是1/4圓(L=Dπ/4=2×104π/4=163.36 m)。

上游過渡段的樁號從0+837→0+878為止(該段內(nèi)的邊坡底部橫向高差應(yīng)當依據(jù)距離而均勻地變化，凸岸從0→-1.3 m，凹岸從0→+1.3 m，凸岸-1.3 m，凹岸+1.3 m)。而曲線沉沙池的樁號從0+878→1+042，下游過渡段的樁號為1+042→1+083。

2.5 沉沙池的沖沙廊道

依據(jù)尼基琴的實驗表明，沖沙廊道的數(shù)目為：沉礫池為6～8個左右；沉沙池則為10～12個左右。而本研究的河流為沉礫池，并且該池的流量較大，以及池身長度較長等原因，因此使用9個沖沙廊道。

設(shè)置沖沙廊道時要求間距基本相同。受沉沙池首段的泥沙比較多所造成的影響，因此在首端廊道比例要比尾端稍密。

沖沙廊道的孔口大小由沖沙的流量大小以及沉沙池水深所決定。由于河流沉沙池的最大流量140 m3/s，因此沖沙水是最大流量的15%(21 m3/s)，所以每一個孔廊道的平均流量為2.33 m3/s。由此結(jié)果可以看出，廊道較小，無法有效滿足維修人員對其進行檢修的標準要求，所以在設(shè)計時適當加大廊道的大小為：首末兩孔的寬和高分別為0.8和1.5 m，而其它的孔則為寬0.8 m和高1.2 m。在每孔的進口均設(shè)計閘門，由此對沖沙的水量進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

2.6 進口導(dǎo)流洞和尾部門檻

曲線沉沙池的導(dǎo)流洞設(shè)立在進口的銜接段最末端的位置。該銜接段主要的功能是為了確保流速能夠平緩降低，并且對進入沉沙池的流速予以均勻地分配，而導(dǎo)流洞的作用則主要是調(diào)整流速。河流沉沙池總設(shè)立5處導(dǎo)流洞。每孔的凈寬度為4.56 m，在運行期可以安裝均流柵，由此保證流速和泥沙可以平均分布，同時均流柵還能攔截雜草等物質(zhì)，確保沖沙廊道不會產(chǎn)生堵塞。在曲線沉沙池的底部由于無縱坡，因此在沉沙池的尾部和下游渠道間需要利用陡坡或者跌水加以連接。在此種情況下，水位高程需要依靠沉沙池的尾部門檻予以保障。當河流的流量降低時水深同時隨其降低。實驗表明，當流量出現(xiàn)變化時，沉沙池中的流速所發(fā)生的變化不大。本曲線沉沙池運用跌水加以銜接，并且同時設(shè)立漿砌卵石和鋼筋混凝土的門檻。門檻的高和寬分別為1.2和0.5 m，下游的斷面為垂直，而上游的面為傾斜，邊坡的系數(shù)為0.415。為確保在冬季時沉沙池中的輸水流速大于1.2 m/s，在位于凸岸邊的門檻上建立寬為6.5 m的閘孔，由此確保水流可以順利的通過。而在冬季過后，可以使用迭梁插板將閘孔予以關(guān)閉。

2.7 排沙閘

排沙閘是全部沖沙廊道的一個總門戶，其功能主要是對排沙明渠的水位以及通過廊道時排水的流量進行有效調(diào)節(jié)，并對輔助廊道閘門在操作時存在的一些缺陷。排沙閘設(shè)立位于1號廊道的出口下游位置，而其高度則根據(jù)上游壅水的水位予以確定。另外，為了減少閘門的實際高度，所以運用鋼筋混凝土的胸墻。

2.8 排沙明渠

排沙明渠主要根據(jù)沿程的流量變化，而進一步設(shè)計為變斷面梯形的相應(yīng)渠道。排沙渠道的流速不能高于總干渠的實際流速，以此確保可以把廊道排出的泥沙全部送進河道之中。

3 形沉沙池的改進

前期修建瑪河總干渠時，建造了曲線形沉沙池以及彎道式的引水樞紐。但在修建完成之后便發(fā)現(xiàn)沉沙池存在首端和尾端有淤積以及沖沙廊道上的若干問題，然后隨之對其進行相應(yīng)的改進：

1) 增加沖沙廊道。由于曲線沉沙池的首端和尾端均有淤積出現(xiàn)，因此在1號廊道的上游位置添加兩個沖沙廊道，并在尾端9號廊道的下部添加一個沖沙廊道，使有原9孔總計達到12孔。通過實際的運行來看，首端無淤積產(chǎn)生，而在尾端則表現(xiàn)稍有淤積，沉沙池則沒有淤積出現(xiàn)。

2) 改進廊道閘門的升降方式為垂直式。由于廊道的閘門安裝位于進口的斜坡之上，并且是轉(zhuǎn)動門蓋，當門蓋在轉(zhuǎn)動時其軸經(jīng)常被卡住而對啟閉造成不利的影響，因此改為垂直升降式，改進后整體運行狀態(tài)良好。

3) 在廊道的下部位置添加鑄鐵板護砌。廊道自身的流速過大，經(jīng)常挾帶較粗的顆粒泥沙，因此在早期就將漿砌卵石的廊道下部予以沖毀。而通過對其進行改進，在廊道的底板及邊墻下0.5 m的范圍之內(nèi)均使用厚5 cm的鑄鐵板加以護砌，通過運行表明狀態(tài)良好。

4 河流曲線沉沙池的運行管理分析

對于沉沙池來講，其運行管理同樣十分的重要，如果沒有有效的管理則不能將沉沙池的作用得到有效的發(fā)揮。通過對實際工作的經(jīng)驗加以總結(jié)，管理應(yīng)當做到以下幾點。

1) 完善的管理規(guī)程。在沉沙池正式運行時，應(yīng)當依據(jù)設(shè)計的精神與要求編制出科學合理的管理規(guī)程，主要有泥沙的觀測和排沙的方式等等，然后經(jīng)過實際的運行不斷地對其進行補充和完善。

2) 水文泥沙觀測。對河流的水文泥沙進行觀測是進行管理的重要項目。而觀測的范圍主要有引水樞紐、上游渠道、沉沙池等。管理部門在運行中應(yīng)在渠首的上游整治段中建立4個觀測點，在總干渠中設(shè)立1個，在沉沙池中設(shè)立5個，在排沙明渠中設(shè)立1個，總共11個觀測點。管理人員根據(jù)水沙的實際狀況選擇排沙的方式。

3) 沉沙池和渠首的排沙相互配合。引水樞紐主要為彎道式，具體見圖2。當渠首進行集中的排沙過程中，沉沙池則必須停止進行排沙，確保把流量全部集中于渠首中，提升渠首在集中沖沙時的實際效果。而在渠首集中沖沙間歇時期內(nèi)，可以提高沉沙池的排沙流量。

圖2 引水樞紐平面布置圖

4) 將排沙明渠當作節(jié)制閘運用。當需要利用排沙明渠作為節(jié)制閘使用時，閘前的水位勢必會提升，由此導(dǎo)致沉沙池的環(huán)流進一步惡化。所以，不到萬不得已的時候不能運用該閘。

5 結(jié) 語

通過研究表明，曲線形沉沙池的結(jié)構(gòu)比較簡單，實際的排沙效果較高，特別應(yīng)用在泥沙過多的前山河段引水渠道中，效果更好。在本研究中，通過實際應(yīng)用于瑪河總干渠中表明效果十分理想。另外，對于曲線形沉沙池的管理也同樣的重要，需要保證具有完善的管理和操作的相應(yīng)制度，以及對水文泥沙的有效檢測，同時保證管理人員具有較強的責任心。