許盼盼

(運(yùn)城市尊村引黃灌溉服務(wù)中心，山西 運(yùn)城 044000)

沉沙池指的是去除水中自重較大、能自然沉降的較大粒徑砂?；蝾w粒的構(gòu)筑物。一般設(shè)于泵站、倒虹管前，以便減輕無(wú)機(jī)顆粒對(duì)水泵、管道的磨損；也設(shè)于初次沉淀池前，以減輕沉淀池負(fù)荷，以及改善污泥處理構(gòu)筑物的處理?xiàng)l件[1]?，F(xiàn)階段對(duì)于沉沙池的研究主要集中在淤沙工程實(shí)例方面，針對(duì)解決排沙問(wèn)題的研究較少，且沉沙池的設(shè)計(jì)易受地形，地質(zhì)和經(jīng)濟(jì)等多種因素影響，還需要不同的工程實(shí)例以增加人們對(duì)沉沙池的認(rèn)識(shí)，為其推廣應(yīng)用提供可靠的參考數(shù)據(jù)[2]。

1 工程概況

尊村灌區(qū)于2003年修建了湖泊形沉沙池，占地66.67 hm2，容積290萬(wàn)m3，運(yùn)行初期沉沙效果較好，經(jīng)過(guò)十余年運(yùn)行，現(xiàn)池內(nèi)淤積量已達(dá)80%左右，沉沙效果已不明顯，已達(dá)不到原設(shè)計(jì)沉沙能力，現(xiàn)急需對(duì)其清淤改造[3]。針對(duì)灌區(qū)沉沙池存在的問(wèn)題，本次只需要對(duì)原沉沙池作較小改造，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地少、不需要專(zhuān)門(mén)場(chǎng)地，可隨時(shí)適應(yīng)水量，對(duì)排沙地形條件適應(yīng)性好，排沙效率高，維護(hù)管理簡(jiǎn)便，運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。

黃河為多泥沙河道，距離灌區(qū)樞紐一級(jí)站較近的是夾馬口一級(jí)站和上源頭水文站，但這兩個(gè)站僅有20世紀(jì)60～70年代不連續(xù)的泥沙觀測(cè)資料，距今時(shí)間較久遠(yuǎn)，與現(xiàn)階段水沙現(xiàn)狀可比性較差。近年來(lái)，黃河干流天然來(lái)水量有所減小，同期天然來(lái)沙量減幅更大，這與流域水土保持工作的積極開(kāi)展有著密不可分的關(guān)系，未來(lái)依然會(huì)保持這種趨勢(shì)。

本次選取現(xiàn)狀2001—2016年龍門(mén)站實(shí)測(cè)資料系列分析，未來(lái)引黃進(jìn)入沉沙池的水流多年平均含沙量為7.24 kg/m3。該處已建的沉沙池在多年運(yùn)行后，現(xiàn)淤積量已達(dá)80%左右，不能正常發(fā)揮功能，本次提升改造計(jì)劃將部分淤積沙土清除。

2 沉沙池方案及布置情況

2.1 改造方案

尊村灌區(qū)產(chǎn)生泥沙淤積的問(wèn)題主要集中在三個(gè)方面：一是引水調(diào)度和引水口設(shè)置不合理，引沙量大。二是沉沙池淤積嚴(yán)重難以發(fā)揮作用。三是長(zhǎng)期小流量運(yùn)行，輸沙能力不足。針對(duì)上述問(wèn)題，提出引水減沙措施、沉沙池修復(fù)和引水輸沙優(yōu)化調(diào)度三項(xiàng)技術(shù)工程措施，并探索市場(chǎng)機(jī)制，開(kāi)展市場(chǎng)用沙[3]。

2.2 沉沙池平面布置

原沉沙池為湖泊型，形狀呈“梯形”，運(yùn)行初期沉沙效果較好，經(jīng)過(guò)十余年運(yùn)行，淤積量現(xiàn)已達(dá)80%左右。如果繼續(xù)采用湖泊型沉沙池方案，就需要通過(guò)征地新建沉沙池或?qū)⒊辽吵赜偕橙客诔霾⑼膺\(yùn)，需新增占地，投資費(fèi)用較高，現(xiàn)階段實(shí)施難度較大。

根據(jù)《水利水電工程沉沙池設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL/T 269—2019)[4]，條渠沉沙池布置宜符合以下原則：進(jìn)口段前宜設(shè)置進(jìn)水閘，與引水渠道相連接。進(jìn)口段宜采用逐漸擴(kuò)散型式布置，使進(jìn)入工作段水流流速均勻分布。出口段宜采用收縮型式布置，尾部不宜過(guò)窄，以利后期沉沙。出口宜設(shè)置節(jié)制閘或其他壅水建筑物。

通過(guò)對(duì)沉沙池的清淤方式以及運(yùn)行管理方法等各方面因素綜合考慮，提出了開(kāi)挖兩沉沙條渠方案[5]，以滿足形成水面景觀的需求；考慮到兩條渠同時(shí)運(yùn)行中可能存在因挖泥船吃水深度不足，無(wú)法進(jìn)行清淤時(shí)，也可以通過(guò)兩條渠淤積高度變化的差異，形成封堵，以實(shí)現(xiàn)兩條渠交替運(yùn)行，保證灌區(qū)正常持久運(yùn)行。

2.3 沉沙條渠斷面設(shè)計(jì)

(1)條渠斷面設(shè)計(jì)。依據(jù)規(guī)范SL/T 269—2019，初選條渠工作深度2.0～3.5 m，斷面平均流速 0.2～0.4 m/s，已知沉沙池設(shè)計(jì)流量為24 m3/s。初算條渠沉沙池工作寬度為60 m?？紤]干渠的水流挾沙能力，0.05 mm 及以上粒徑的泥沙需在沉沙池基本沉降完，則設(shè)計(jì) 0.05 mm及以上粒徑的泥沙沉降率大于95%。

由于沉沙池長(zhǎng)度的限制，經(jīng)計(jì)算確定了兩條沉沙條渠的最大底寬和長(zhǎng)度分別為寬80 m、長(zhǎng) 1310 m和寬 144 m、長(zhǎng) 570 m，其中沉沙池進(jìn)口到兩條沉沙條渠的擴(kuò)散區(qū)長(zhǎng)度為200 m，最大寬度 200 m。現(xiàn)設(shè)計(jì)從渠底到渠底以上2 m邊坡為 1∶3，2 m 以上邊坡為1∶5，總深度 3.9 m。沉沙池橫斷面見(jiàn)圖1。

圖1 沉沙池橫斷面圖(單位：m)

(2)泥沙沉降設(shè)計(jì)。根據(jù)規(guī)范SL/T 269—2019中的泥沙沉降計(jì)算方法進(jìn)行泥沙沉降計(jì)算。

由于細(xì)顆粒泥沙極容易發(fā)生絮凝現(xiàn)象，并且傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)量范圍和精度有限，隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，可以利用高精度儀器記錄細(xì)顆粒泥沙的沉降過(guò)程,隨后對(duì)圖像進(jìn)行分析、計(jì)算得到泥沙的沉降沉速。

3 沉沙條渠疏浚方案比選及設(shè)計(jì)

3.1 沉沙條渠疏浚方案

(1)沉沙池?cái)U(kuò)散區(qū)清淤方案。為了保證灌區(qū)的正常持久運(yùn)行，應(yīng)根據(jù)沉沙池淤積的情況，進(jìn)行清淤工作。設(shè)計(jì)沉沙條渠斷面時(shí)，沉沙池進(jìn)口下游(0+20.0～0+200.0)的擴(kuò)散區(qū)的底高程低于進(jìn)水閘底板高程0.8 m。在設(shè)計(jì)流量下，運(yùn)行13 d，擴(kuò)散區(qū)淤積平均厚度達(dá)到0.8 m，淤積量4.37萬(wàn)m3，總淤積量約13萬(wàn)m3，需要進(jìn)行清淤工作。

(2)沉沙條渠疏浚方案比選和設(shè)計(jì)。對(duì)于灌區(qū)沉沙池的清淤方式一般都是采用放干沉沙池使用挖掘機(jī)械清淤或者使用絞吸式挖泥船進(jìn)行水下清淤，但是淤積泥沙的運(yùn)輸問(wèn)題一直沒(méi)有很好的解決方案[6]。

所以，本文根據(jù)已廣泛運(yùn)用于礦粉礦渣輸送領(lǐng)域的管道水力輸送技術(shù)，提出了適用于本工程的管道水力輸沙方案。

管道水力輸送的優(yōu)點(diǎn)在于：①可進(jìn)行不間斷運(yùn)輸，不考慮返程問(wèn)題，工作效率高。②初期投資少，建設(shè)工期短。③運(yùn)輸路線較易選擇，拐彎繞道情況較少，受天然地形地貌影響較小。

管道水力輸送的局限性在于：①沿途地區(qū)無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步輸送功能。②需要水為載體，無(wú)水源保證的地域受限較大。③輸送過(guò)程容易造成部分物料碎化現(xiàn)象，使最終脫水難度加大。

3.2 水泵揚(yáng)程確定

查閱《水泵產(chǎn)品目錄》中的參數(shù)表，選取泥漿泵型號(hào)為 YNB-300/50，配套電機(jī)功率為 110 kW。目前國(guó)內(nèi)常用的挖泥船主要有水動(dòng)力式的耙吸式挖泥船和絞吸式挖泥船等[6]，兩者都可以形成高濃度泥漿，但由于耙吸式挖泥船自帶裝運(yùn)倉(cāng)，船體吃水深度一般在3～4 m，并不適合在本工程中使用，而絞吸式挖泥船吃水深度一般在1 m左右，最大挖深在5～6 m左右，成漿濃度一般在10%～30%，可以滿足本工程的使用需求[7]。

3.3 沉沙條渠及沙堆邊坡穩(wěn)定分析

(1)典型邊坡選取。沉沙條渠開(kāi)挖邊坡為1∶3～1∶5；堆沙體邊坡為1∶3，各選取一個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算范圍從坡腳向上下游各延伸1.5～2倍坡高。沉沙條渠和堆沙體典型邊坡分別見(jiàn)圖2和3。

圖2 沉沙條渠典型邊坡(單位：m)

圖3 堆沙體典型邊坡(單位：mm)

(2)土性參數(shù)。沉沙池內(nèi)淤積物的主要成分為粉細(xì)砂和粉質(zhì)黏土，根據(jù)沉沙池淤積物的實(shí)測(cè)資料和工程類(lèi)比給出沉沙池淤積物的物理力學(xué)參數(shù)：天然密度1.45～1.50 g/cm3，承載力70～90 kPa，變形模量3～5 MPa，抗剪強(qiáng)度黏聚力取15 kPa 、內(nèi)摩擦角15°～20°。本次計(jì)算，堆積體和基礎(chǔ)的C、Φ等物理力學(xué)指標(biāo)選取值見(jiàn)表2[8-9]。

表1 淤沙的物理力學(xué)指標(biāo)建議值

(3)穩(wěn)定計(jì)算方法。參照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2020)推薦的畢肖普法進(jìn)行計(jì)算。

(4)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。根據(jù)規(guī)范SL 274—2020，確定邊坡的允許最小安全系數(shù)。正常運(yùn)用條件下以及工程等級(jí)為3的情況下，最小安全系數(shù)為1.30，工程等級(jí)為4、5的情況下，最小安全系數(shù)為1.25。根據(jù)以上所述的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所選取的典型斷面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析。穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2[10]。

表2 穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

由以上計(jì)算分析可知，沉沙條渠和堆沙體邊坡的設(shè)計(jì)滿足穩(wěn)定要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從灌區(qū)沉沙池具體問(wèn)題出發(fā)，以尊村引黃灌區(qū)為例，針對(duì)尊村灌區(qū)泥沙淤積問(wèn)題，提出選用管道水力輸沙方案的改造方案，延長(zhǎng)了沉沙池的使用壽命，采用技術(shù)成熟、排沙可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管理方便可靠，對(duì)周?chē)h(huán)境影響也較小。同時(shí)也能提高灌區(qū)的灌溉保證率，提升了灌區(qū)用水調(diào)度、決策和管理水平，確定了沉沙池方案及規(guī)模，并提出了沉沙池泥沙處理方案。鑒于泥沙淤積問(wèn)題的復(fù)雜性，還應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，不斷完善運(yùn)行方式，為工程的高效輸水提供保障。