河水自压滴灌平流式沉沙池工程设计要点

戴荣富

（博乐农五师全新勘测设计有限公司 新疆博乐 833400）

河水自压滴灌系统在洪水期河道来沙量太多，大量悬移质泥沙对滴灌系统造成严重堵塞破坏，如何处理泥沙堵塞问题,是河水自压滴灌面临的重要问题。从2003年到2007年，在新疆兵团第五师八十七团修建圆形漏斗沉沙池进行沉沙试验，并在全师推广修建圆形漏斗沉沙池 10余座；从2007年在新疆兵团第五师八十八团北三支渠河水自压滴灌工程上利用渠道旁侧自然凹地修建了第一座平流式沉沙池工程以来，到2012年分别在新疆兵团第五师八十四团、八十七团、八十八团、九十一团共修建10座平流式沉沙池。

通过模型试验和实践工程应用效果表明：平流式沉沙池的沉沙效果要优于圆形漏斗沉沙池。平流式沉沙池是解决洪水期悬移质泥沙造成滴灌系统堵塞问题的理想建筑物，只要设计合理，施工质量控制和运行管理工作到位，平流式沉沙池的沉沙效果完全能够满足滴灌工程运行对水质的处理要求。

1 沉沙池设计原则、设计标准及工程位置选择

1.1 设计原则

应坚持喷滴灌共用的设计原则，以满足不同土壤和不同作物对灌水的要求。具体要求是：（1）对河水自压喷滴灌共用系统而言，沉沙池位置在高程上应满足河水自压喷灌运行时对设计压力的要求；（2）沉沙池设计流量应按照喷灌用水量来计算；（3）水质沉淀标准应满足滴灌运行要求。

1.2 设计标准

根据《节水灌溉技术规范》规定，沉沙池的主要功能是将洪水期大于 500μ m即大于0.05mm粒径的泥沙进行沉淀处理，使沉淀处理后的水质能够满足滴灌工程首部过滤器对泥沙处理能力的要求，为河水自压滴灌正常运行创造条件。因此，沉沙池的泥沙沉淀设计标准粒径应该是大于等于0.05mm。

1.3 工程位置选择要点

工程位置要紧靠现有输水渠道，以方便沉沙池工程的引水和布置；地形高程选择要合适。经沉淀处理后的自压喷滴灌共用输水干管进口工作池的设计水位必须满足河水自压喷灌运行时对设计压力的要求；工程地基要稳定干燥。沉沙池工程应避免建在大孔隙土和重盐碱土地基上，防止地基不均匀下沉破坏和盐碱浸蚀破坏；应尽量避免地下水和地表水对工程地基的补给而引发冻胀性破坏；沉沙池应能自流排沙排水。尽量避免机械进入沉沙池清除泥沙导致底板防渗层碾压或铲挖破坏。

2 沉沙池设计水力要素及泥沙参数

平流式沉沙池工程的主要设计参数是流量、表面负荷率、水平流速、沉淀时间、池的长宽比和长深比等。应根据当地河道泥沙产流特征、本工程设计灌溉面积和河道来水的混浊程度综合分析确定。

2.1 设计流量Q

2.2 表面负荷率V0

表面负荷率是沉沙池单位面积的产水量，数值上应等于设计标准粒径泥沙的沉降速度。根据《微灌工程技术规范》规定，沉沙池的表面负荷率不宜大于3mm/s即10.8m/h。

2.3 水平流速V

根据已建工程运行经验，沉沙池设计水平流速一般在10～25mm/s即36～90m/h为宜。若受地形条件限制，在干渠上直接拓宽拓深的沉沙池水平流速可放宽到 30～50mm/s即 108m/h～180m/h，只要进出水流均匀，池内水流顺直，流态良好也能达到理想的沉沙效果。

2.4 沉淀时间T

沉淀时间根据河道来水含沙量大小确定，当含沙量小水质较好时沉淀时间可短些，当含沙量大水质较混浊时沉淀时间可长些。一般取 T＝1～3h。

2.5 沉沙池深H、长宽比、长深比的确定

池深 H＝设计泥沙沉淀厚度 H1+有效水深H2+安全超高 H3；一般情况下，H1＝0.3～0.5m，有效水深 H2＝2.5～3.0m，安全超高 H3＝0.3～0.5m，池深 H＝3.0～4.0m；沉沙池的长宽比应大于4；沉沙池的长深比应大于10。

在具体工程设计时，沉沙池的设计尺寸应在理论计算的基础上，根据以上要求进行复核调整，使其满足设计要求，以保证沉沙效果。

3 沉沙池的水力学计算

在已确定表面负荷率V0和设计流量Q两个参数后，就可以对平流式沉沙池进行水力学计算。沉沙池设计水面面积A2，计算公式为：A2＝Q/V0，其中Q为设计流量，V0为表面负荷率；沉沙池设计水面长度 L，计算公式为：L＝VT，其中V为沉沙池设计水平流速，T为设计沉淀时间；沉沙池设计水面平均宽度B计算公式为：B=A2/L，沉沙池有效设计水深H2计算公式为：H2＝QT/A2。

4 平流式沉沙池工程平面布置及设计高程控制

4.1 平面布置要点

沉沙池要按窄长形布置，出口溢流堰尽量远离进口溢流堰，使泥沙的沉淀路径和沉淀时间满足设计要求，确保沉沙效果；进出口溢流堰的布置应充分考虑满足进出口水流均匀和池内流态稳定的要求，宜对称均衡布置；为节约工程投资，沉沙池的横断面以梯形为宜，边坡系数 m值取2～2.5较合适，边坡太陡不方便施工；要取表层清水。出口溢流堰宽度应比进口溢流堰略宽一些，溢流堰顶水深应控制在0.1m左右；排沙闸应布置在沉沙池底板前三分之一左右的位置上，以利于提高自流排沙效果。

4.2 四个设计高程控制要点

（1）要控制好沉沙池进出口溢流堰的堰顶高程。使沉沙池的水力坡降控制在沉沙池设计水平流速范围内，确保沉沙效果；（2）要控制好溢流堰出口后自压喷滴灌共用输水干管进口工作池的设计水位，以满足自压喷灌运行时的压力要求；（3）要控制好沉沙池排水闸底板的设计高程。建议排水闸设在下距沉沙池底板0.7m左右的位置上，排水道出口要与下游引水干渠或自压输水干管连接，尽量利用沉淀后的最后一池清水，避免水量浪费；（4）要控制好沉沙池排沙闸底板的设计高程。为方便自流排沙，建议沉沙池底板按大于 20‰的漏斗形纵坡来设计，漏斗底部高程就是排沙闸底板高程，当排沙闸开启后通过人工进池搅动淤沙在水流作用下实现自流排沙。闸后排沙道要尽量裁弯取直，纵坡应大于沉沙池底坡，设计流速应大于2.5m/s，以提高排沙效果。

5 沉沙池防渗结构设计要点

沉沙池开挖后的基槽尺寸要规矩，地基要碾压或浸泡预沉密实，表面要十分平整并没有大于4cm的卵石裸露，防止地基因不密实或不平整造成防渗土工膜撕裂或水压击穿破坏；在基槽表面铺一层15cm厚的粘壤土或细沙土垫层，垫层中应不含石块、树根、草根等尖锐杂物。对边坡要求洒水拍打密实整平，对底板要求压实整平。铺设防渗土工膜之前，必须捡掉垫层表面的一切穿刺物，确保铺设的防渗土工膜不被穿刺漏水；在粘壤土或细沙土垫层上铺设一层厚度为 0.5mm的黑色 PE复合土工膜，一布一膜，无纺布的单位面积重量要在 300g/m2以上。按膜在下布在上铺设，使沉沙池底板和边坡形成完整封闭的防渗体。

施工时要严格按照《聚乙烯（PE）土工膜防渗工程技术规范》（SL/T231-98）控制土工膜铺设和焊接质量，确保防渗土工膜的完整和接头的严密，确保防渗效果；沉沙池衬砌护面应根据当地建筑材料来源情况确定，沉沙池衬砌护面可采用混凝土现浇和浆砌卵石两种结构。如果采用混凝土现浇结构，若不需要机械进入沉沙池清除泥沙时，根据《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》（SL/T225-98）5.2.2（2）规定，底板和边坡可不设细沙土垫层直接在复合土工膜上浇筑混凝土板；若需要机械进入沉沙池清除泥沙时，为防止机械对防渗土工膜的碾压破坏，底板在浇筑混凝土前，必须先铺一层厚20cm细沙土垫层予以保护。混凝土护面最小衬砌厚度底板不得小于12cm，边坡不得小于10cm。混凝土板伸缩缝应按“┷”形缝做好止水设计，在伸缩缝底部铺设一层宽50cm的SBS水平止水压板，每侧混凝土板下搭压宽度约25cm,以截断伸缩缝下渗的水流，伸缩缝下部用高密度苯板嵌填，上部3cm灌塑料胶泥止水。如果采用浆砌卵石衬砌护面，为防止防渗膜破坏，必须先在复合土工膜上铺一层厚 20cm的细沙土保护层，洒水拍打密实整平后，再铺水泥砂浆砌筑卵石。

在沉沙池护面施工过程中，为严防施工操作对下部防渗土工膜造成破坏，要求所有施工人员必须穿平底胶鞋，运输车道和堆放砂石料等重物下部必须铺放木板，所有材料只能用手推车运输。

6 结束语

新疆兵团第五师严格按照上述设计要点建设河流滴灌平流式沉沙池，有效解决了洪水期悬移质泥沙造成滴灌系统堵塞问题，为农作物、经济果木林灌溉提供重要水源保障，使土地资源得到合理开发利用，农村产业结构得到匹配调整，对促进全师农业增产、增收发挥非常积极的作用。

1 裴云, 杨晋营. 灌溉沉沙池泥沙设计标准研究[J]. 水利水电技术, 2007, 38(5): 12-15.

2 黄蔚萍, 薛瑞, 陈东运. 某水电站沉沙池方案比选设计研究[J]. 西北水电, 2011(5): 17-19.

3 刘燕, 刘晓侠, 吕景秋. 沉沙池在谢寨引黄灌区的具体设计及运用[J]. 地下水, 2006, 28(2): 79-80.