摘要:对尊村引黄沉沙池改造自排沙廊道沉沙池方案、原湖泊型沉沙池清淤加高方案、新建湖泊型沉沙池方案进行了比选。结果表明:自排沙廊道沉沙池方案只需要对原沉沙池作较小改造，具有结构简单、占地少、不需要专门场地，可随时适应水量、泥沙的大范围变化，对排沙地形条件适应性好，排沙效率高、耗水少，维护管理简便，运行成本低等优点。分析了自排沙廊道沉沙池建设中的问题，提出了相应的解决方案，并设计了相关的改造指标等。

关键词: 泥沙; 沉沙池; 方案比选; 尊村引黄灌区

中图分类号: TV673 文献标识码: A doi: 10． 3969 /j． issn． 1000-1379． 2011． 03． 032

1 工程概况

尊村引黄灌区是山西省一座大型多级提水灌区，建设规模为9 级31 站，设计扬程165． 44 m，设计提水流量为46．5 m3 /s，设计灌溉面积为11． 07 万hm2。一级站直接从黄河取水，黄河水泥沙含量大，为了解决泥沙问题，2003 年在一级干渠0 +000—0 + 970 右侧与舜帝湾护岸坝之间，建成一座湖泊型沉沙池，占地65． 7 hm2，总库容为290 万m3，设计运行年限3．7 a，现淤积库容已达200 万m3。目前，沉沙池最高淤泥面高程为346． 2 m，进口附近泥沙淤积高程达345． 75 m，比进水闸底高出2． 426 m，致使沉沙池进水困难，需要经常挖沙，疏通水流通道，增加了灌溉成本，延误了灌溉时机。近年来，沉沙池占地费用陡增，征地以及淤积泥沙后处理(包括堆放和破坏环境) 更加困难，泥沙问题已成为制约尊村引黄灌区发展的“瓶颈”。笔者结合工程实际，对几种沉沙池改造方案进行了比较，推荐采用自排沙沉沙池方案。

2 改造方案比较(1) 自排沙廊道沉沙池方案(方案一) 。沉沙池采用“偏侧进水、侧槽溢流”的布置方式，由引水渠、溢流堰、排沙廊道、控制闸门、增旋排沙孔、导流板及排沙帽组成。在沉沙池进口至舜帝坝之间沿新筑1 号坝南侧修建引渠和沉沙池，引渠长147 m，沉沙池长74． 7 m，设计水面高程为347． 1 m，池深2． 72m; 沉沙池内布设3 条廊道、总长245 m，减速、助沉设施75 座;廊道出口敷设3 条直径为800 mm的输沙钢管，总长69 m; 在沉沙池南边设溢流堰，溢流堰高程为346． 7 m、长92 m。该方案需要投资323 万元。

(2) 原湖泊型沉沙池清淤加高方案(方案二) 。原湖泊型沉沙池位于一级站出水池以南，加高培厚舜帝湾护岸坝989 m、一干渠右渠堤970 m，新筑1 号坝216 m、2 号坝1 250 m，设计库容290 万m3。该方案对原堤坝加高，把最高水位提高到347． 25 m，对应库容为325 万m3，有效库容为125 万m3，可延长使用寿命2． 5 a。沉沙池水位抬高后，一级站出水池水位为347． 69 m，水泵地形扬程为6． 14 m，不超过最大地形扬程7． 55m，水泵还在高效区工作。该方案对3 425 m 长的堤坝加高1． 0m 并培厚，需要填土12． 5 万m3，总投资为236 万元。

(3) 新建湖泊型沉沙池方案(方案三) 。根据原规划报告，利用一级干渠和舜帝湾护岸坝间的黄河一级阶地(长约12km，平均宽3 km，地面高程较低的低凹地带) ，借鉴河南邙山泵站已成的湖泊形沉沙池的经验，每个池的占地面积为100 ～ 133hm2，可修筑近30 个沉沙池。新建湖泊型沉沙池紧邻第一个沉沙池，仍利用第一个池的进水闸，并在其池内距护岸坝30 m左右预留条渠输水，修建桥涵通过2 号新筑堤坝进入第二个池，在池末端的一级干渠上修筑出水闸，将处理过的水返还一级干渠。该方案占用基本农田66． 7 hm2，新建出水闸1 座、桥涵1座，堤坝填筑土方42． 5 万m3，需要投资1 819． 5 万元。

方案三距渠首较远，引渠泥沙淤积严重，若提水流量过小，需要不断停水清淤，疏通渠道，且会占用基本农田66． 7 hm2，投资额最大。方案二投资最省，但使用年限短，泵站扬程还需要提高0． 5 m，按年提水7 200 万m3 计，每年要增加电费4． 2 万元。但是，仍存在原沉沙池进水口附近泥沙累积性淤积现象，需要经常挖渠引水，且沉沙池的施工影响一级站正常上水。方案一采用具有3 个发明专利的自排沙廊道技术［1 － 2］，新建自排沙沉沙池，只需要对原沉沙池做较小改造即可与主体工程结合为一体，结构简单、占地少、不需要专门场地，可随时适应水量、泥沙的大范围变化，对排沙地形条件适应性好，排沙效率高、耗水少，排沙过程不使用任何机械，维护管理简便，运行成本低，投资虽比方案二大，但使用年限为10 a以上，因此推荐方案一。

3 自排沙廊道沉沙池设计

3． 1 存在的问题

(1) 原沉沙池进水闸底高程为343． 32 m，距离进水口250m的舜帝坝外的排沙出口高程为343． 83 m，较进水闸底高出0． 5 m，形成了负落差。

(2) 运行时间长(每年300 多d) ，流量小，泥沙含量大，泥沙粒径粗，形成严重的累积性淤积。

(3) 沉沙池水面高程受一级站扬程限制，总深度为2． 52m，淤泥高度为1． 22 m，水头较小。

(4) 进水闸附近泥沙淤积高程达345． 75 m(即淤泥高出进水闸底2． 426 m) ，沉沙池最高淤积面高程为346． 2 m，泥沙淤积影响进水。

3．2 采取的措施

尊村引黄沉沙池地形条件不利于沉沙排沙，设计采取以下措施。

(1) 在自排沙廊道沉沙池中，排沙孔呈网络状布设在水下的淤泥下。廊道排沙孔之间自然形成的沙墙相当于在沉沙池底部设置了一个个倒锥形静水沉沙漏斗，水流下部的粗泥沙和高含沙水以异重流形式随着涡流快速旋入锥形底部，加快泥沙沉降速度。倒锥形漏斗内的相对静水沉沙效率相当于动水的1． 3 ～ 1． 7 倍。

(2) 偏侧进水的形式，使沉沙池水流旋转具有带动沉沙的功能，进一步提高粗泥沙沉淤效率: 一是相当于延长了沉沙池长度; 二是使粗泥沙在弯道环流的作用下远离溢流堰，在沉沙池中部集聚。

(3) 侧槽溢流，延长溢流长度，减少溢流水深，相当于提高了溢流高度，有效地阻隔了下层含沙水，增大了上层清水沿溢流堰输出的比例。

(4) 根据黄河泥沙的悬沙不均匀分布特性，运用减速消能助沉技术和设施，使水流下层的高含沙浑水及粗泥沙分布层的流速减慢，促进粗泥沙下沉。也可以使上层水流速度加快，即提高处理水流能力和效率，减小沉沙池规模，节约建设资金。

(5) 增能措施。①充分利用沉沙池水头、泥沙重力等自然能量增能; ②真空增能; ③利用地转偏向力增能，利用水锤能量和疏根垂向起动技术起动淤泥; ④力矩增能; ⑤系统优化增能，理顺各旋转、直线、交叉汇合等水流的矢量方向，做到矢量耦合，达到相互促进(防止抵消) 、耦合增强(1 + 1 ＞ 2) 的目的; ⑥均衡补充能量增能，降低廊道流速，减少能量消耗，增大廊道的整体挟沙能力; ⑦优化结构增能，运用U 形结构构成廊道主体，有利于螺旋流形成和运行; ⑧创造螺旋流增大挟沙能力; ⑨转化利用能量、消除紊流，减少能量消耗。

3． 3 设计指标

(1) 泥沙处理标准。依据《水利水电工程沉沙池设计规范》(SL269—2001) 中泥沙处理标准［3］确定: ①出池粒径不大于0． 1 mm; ②大于等于泥沙允许粒径的泥沙沉降率取80% ～85%，粒径为0． 05 ～ 0． 1 mm 沉降率为60%，粒径0． 05 mm 以下不处理; ③根据尊村灌区近几年运行情况，确定沉沙池设计流量为10 ～ 20 m3 /s，平均耗水率为3%。

从灌区运行特点看，原沉沙池淤沙粒径大于0． 05 mm 的泥沙占99． 75%，粒径大于0． 1 mm 的泥沙占71． 96%，该部分泥沙的悬—推转换最为敏感，流速一旦下降就会迅速下沉，这是渠道和原沉沙池淤积影响进水的关键。所以，选择粒径0． 1 mm作为沉沙池最小沉淤粒径。

(2) 两期工程设计指标［4］。沉沙池计划分两期建设，一期设计流量为10 ～ 20 m3 /s。二期在一期的基础上向左岸扩大，设计流量40 m3 /s，加大流量46． 5 m3 /s。

一期沉沙池采用“偏侧进水、侧槽溢流”的布置方式，在沉沙池进口至舜帝坝之间沿新筑1 号坝南修建引渠和沉沙池，引渠长度为147 m，设计比降为1 /1 200，边坡1 ∶ 4; 设计水面高程为347． 1 m，池深为2． 72 m，其中包括沉沙高度1． 22 m，沉沙池长74． 7 m，平均底宽22． 64 m，边坡1 ∶ 4，廊道与闸台之间的输沙廊道长6． 44 m，舜帝坝和新筑1 号坝高程增加至347． 6 m; 3条廊道总长245 m，采用现浇C25 混凝土; 建3 个闸台; 池内设置减速、助沉消能塔75 座(2 250 根消力梁) ，为现浇C20 混凝土; 采用顶管施工修建3 条直径为800 mm的输沙钢管，总长69m; 设计排沙流量0． 826 ～ 2． 80 m3 /s，排沙耗水比为3% (即排沙水量与输水总量之比) 左右; 排沙出口的消力采用铅丝笼石槽;在沉沙池南边(左岸) 为溢流堰，高程为346． 7 m，长度为92m。廊道、闸台基础为M7． 5 水泥砂浆砌石。

二期在一期自排沙沉沙池的基础上向左岸扩大，设计宽度为73 m，长度为86 m，同时增加自排沙廊道、减速消能助沉设施、闸台、输沙管、消力池等设施。

4 结语

尊村引黄灌区选用自排沙廊道沉沙池改造方案，延长了湖泊型沉沙池的使用寿命，采用技术成熟、排沙可靠，投资省、结构简单，运行、管理方便可靠，节能减排效果明显，对周围环境影响也较小。

参考文献:

［1］ 谭培根．“自排沙廊道”专利技术在东雷抽黄灌区的应用［J］． 中国水利，2006(8) : 39 － 40．

［2］ 谭培根． 自排沙廊道排沙技术及其应用［J］． 南水北调与水利科技，2006，4(5) : 28 － 30．

［3］ 中华人民共和国水利部． SL269—2001 水利水电工程沉沙池设计规范［S］．北京: 中国水利水电出版社，2001．

［4］ 国家质量技术监督局，中华人民共和国建设部． GB50288—99 灌溉与排水工程设计规范［S］． 北京: 中国计划出版社，1999．

作者简介:徐睿(1970—) ，男，山西万荣人，工程师，主要从事水利设计工作。