禹门口沉沙池优化设计

2011-08-15原玉英

山西水利 2011年8期

关键词：沉沙池排沙平流

原玉英

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024）

禹门口沉沙池优化设计

原玉英

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024）

山西省黄河禹门口沉沙池通过优化设计，提出了平流加斜板（复合型）沉沙池结构。阐述了平流型方案和复合型方案的工程布置，并对两种方案进行技术经济比较，得出复合型沉沙池方案的优点。经过十多年的运行实践，证明了该工程设计的合理性。其成功应用，为处理高含沙水流泥沙提供了新经验，对我国沉沙池设计技术的发展具有积极的推动作用。

沉沙池；平流型；复合型；优化设计；禹门口

1 工程概况

黄河禹门口提水工程是向工业和农业综合供水的大型水利枢纽工程，担负着向山西铝厂、大型火电厂、王家岭煤矿等工业供水，同时解决运城地区河津、稷山、新绛3县及汾河以北台地的3.321万hm2农业灌溉用水问题。

枢纽工程包括一级泵站、二级泵站和沉沙池。沉沙池位于山西省河津县禹门口下游300m处黄河滩地。其主要任务是沉淀、净化自一级站引来的黄河浑水，保证向二级站及工业用户供水。设计最大引水流量26m3/s，工作流量20m3/s。

根据水利水电枢纽工程等级划分及设计标准，沉沙池为3等3级，防洪标准为100年一遇洪水设计，500年一遇洪水校核。地震烈度按7度设防。

技施设计阶段进行了优化，通过模型试验确定采用平流加斜板的复合型沉沙方案，使沉沙池有效沉淀面积增大，泥沙的沉降距离缩短，将原初步设计的平流型池厢长度由220m缩短至118m，节省投资，减少了沉降时间，提高了泥沙沉降率，减少了冲沙时间和冲沙用水量。通过现场振冲碎石桩试验，使沉沙池液化地基处理深度由原初步设计的12.5m减小到10m，达到了基础处理安全经济的目的。

2 沉沙池调度运用方式

2.1 运用条件

第一，沉沙池入池含沙量控制在120kg/m3以下，若含沙量大于120kg/m3，因无法达到设计处理标准，停止使用；第二，当黄河汛期洪水位高于381.55m时，排沙渠因排沙不畅停止运行；第三，冬季结冰期，沉沙池停止工作，此时含沙量一般较小，可通过分水渠直接供水。

2.2 调度方式

当黄河含沙量小于80kg/m3时，沉沙池同时向工农业供水，设计最大供水流量20m3/s（其中工业6m3/s，农业14m3/s）；当黄河含沙量在80～100kg/m3时，向工业及部分农业供水，供水流量14～16m3/s（保证工业6m3/s）；当黄河含沙量为 100～120kg/m3时，只向工业供水，供水流量6m3/s。

2.3 运行操作

沉沙池运行操作方式为：两厢同时进水沉沙，第三厢进行冲洗，交替运用。

3 沉沙池总体布置

禹门口沉沙池布置在禹门口外黄河东岸的滩地上，大致为东南至西北方向，来水自禹门口一级泵站经引渠至沉沙池，泥沙在池厢内自然下沉（即不加药），采用定期轮流泄空冲沙方式，把泥沙排掉，泥沙通过池末排沙洞、排沙支渠汇入排沙渠，通过排沙渠在黄河大堤第一号丁坝上游侧排入黄河；当排沙渠出口受黄河水位顶托，而又必须启用沉沙池时，沉沙池泥沙可由淤滩排沙闸排入滩地。为排泄引渠淤泥，在引渠中设排沙闸及排沙渠，在引渠尾沉沙池分水闸处设有排沙涵管。处理后的清水通过纵横向集水槽汇合后，流入出水渠，经十字闸分别送至二级站和工业用水泵站，供工农业之用。

4 优化设计

4.1 初步设计方案

沉沙池由分水闸、进水闸、沉沙厢、清水集水槽系统、冲沙闸、排沙道等组成。

沉沙池的池厢分为三厢，两厢工作，一厢冲沙。每厢首部设一分水闸，分水闸内又设3个分水道，每个分水道内设进水闸，进水闸直接与沉沙厢相连。每厢内设两道隔墙，将一厢分为三格，每格与厢首部的进水闸相通。在厢的尾段下部设冲沙闸及异重流排泥管，每厢设冲沙闸一座及排泥管一个。冲沙闸后接排沙道，排沙道将泥沙排入黄河。在沉沙厢的尾段上部设收集清水的集水槽。通过集水槽将清水送入渠道，分别供工农业用水。

沉沙池池长220m，宽61m，为钢筋混凝土结构。该处地表以下15～20m之内为第四系全新统松散的粉砂土、粉砂、细砂、局部有含砾粗中砂，地下水埋深2～3m，属7°地震液化沙层，承载力不能满足沉沙池荷重要求。为此，初设时选用振冲碎石桩加固措施，处理深度12.5m，加固面积1.87万m2。

4.2 优化设计方案

在深入设计工作的基础上，通过调研、方案论证咨询会、优化设计竞赛等方式，提出了改用复合型沉沙池的设想。

复合型沉沙池结构包括引水系统、进水系统、沉沙系统、集水系统和排沙系统五部分：引水系统包括总干和引渠，其中总干长168.46m，引渠（包括一座枢纽闸）长93m，设计最大引水流量26m3/s。进水系统包括整流段、分水闸段、水平扩散段、冲沙闸段和斜坡扩散段，共计54.75m长，底宽由4m逐渐扩至47.7m。沉沙系统即池厢，是沉沙池的主体，分为三厢九格，每格净宽6m，池厢底坡1/70，设计水深5.32～6.99m。池厢总长118m，其中平流段长59m，斜板段长59m。在斜板区内，从水面沿水深由上至下分别为0.8m集水区、1.3m斜板区、1.94m配水区和2.1～2.95m淤积区。斜板间的垂直净距为5.4cm，倾角60°，采用玻璃纤维增强水泥组装构件安装。集水区设有横向集水槽81条，每条长约6m，分别汇流入10条纵向集水槽，由纵向集水槽汇流入池厢末端的总横向集水槽，由此经出水渠和十字闸分别输入一级干渠和工业供水泵站。在池厢末端，相应布置了九孔排沙闸，轮流冲沙时，单厢内三孔排沙闸的闸门同时提起相同开度，进行泄空冲沙，然后逐格集中冲刷清除淤沙，淤沙经排沙渠排沙泄水入堤内滩地或黄河。

4.3 方案比较

经沉沙池技术经济比较，平流加斜板方案比平流型方案有以下几方面的优越性：

一是提高了沉沙池的沉降率。根据整体模型试验，在不同供水流量下，即供水流量分别为20m3/s，16m3/s，6m3/s，相应入池含沙量分别为 80kg/m3，100kg/m3，120kg/m3时，平流型沉沙池的沉沙效率分别为44.0%，46.24%和59.92%，复合型沉沙池的效率分别为51.1%，55%和70.6%，大于0.05mm粒径的沉降率在85%左右，较平流型效率有明显提高。

二是缩短了池长，减少了工程占地面积及工程量。由于复合型沉沙池采用了斜板沉淀理论，使得泥沙有效沉淀面积增大，不仅缩短了泥沙的沉降距离，减少了沉淀时间，而且提高了泥沙的沉降效率。复合型沉沙池方案使池室工作段的长度由原设计的220m缩短至118m，缩短了102m，从而使沉沙池占地面积及工程量减少。

三是缩短了冲沙时间，减少了冲沙用水量。在不同水沙条件下，平流型沉沙池单室冲洗时间分别为4.9h，4.6h和6.85h，冲沙流量分别为4.1m3/s，4.45m3/s和3.91m3/s。而复合型沉沙池单室冲洗时间分别为2h，2h和2.4h，冲沙流量均为5m3/s。即单室冲洗时间减少了50%，节省冲沙用水量约1/2。

四是进口联接段优化布置，保证了沉沙池正常工作。由于黄河水沙变化大，引渠与工作段宽度相差大，整体布置满足了不同水沙状况下的水流要求，保证了入池水流稳定均匀，为提高沉沙效率创造了条件。

五是通过现场振冲桩试验，使得沉沙池基础设计经济合理。根据振冲桩试验成果，在满足基础承载力的条件下，将振冲桩长度由原设计的12.5m减小为10.0m，使地基处理费用得以降低。

六是缩短了工期，减少了工程投资。通过优化设计，节约了工程量，缩短了工期，总计节省工程直接投资417万元（1988年修编概算），取得了显著的经济效益和社会效益。