沉沙池结构型式的选取方法

2015-01-04洪振国洪振权

水利规划与设计 2015年9期

关键词：沉沙池型式泥沙

洪振国，洪振权

（1.云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明650021；2.中国水电十四工程局，云南昆明650021）

沉沙池结构型式的选取方法

洪振国1，洪振权2

（1.云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明650021；2.中国水电十四工程局，云南昆明650021）

沉沙池结构型式的选取对其运行效果有非常关键的影响，因此合理选择沉沙池结构型式在设计中非常重要。本文对直线形、曲线形、旋流式（圆筒式）、斜板式、湖泊式、续冲洗式、定期冲洗式沉沙池、沉沙条渠八种结构型式的沉砂池工作原理、适用条件和优缺点进行了详细阐述，并结合工程实例和实践经验，阐明选取合理的沉沙池结构型式的方法。具有一定的实用价值。

沉沙池；结构型式；应用

在无调节的多泥沙河流引水，为了防止水中有害的或过多的泥沙进入渠道，减少渠道淤积或水轮机、水泵的磨损，常修建设计沉沙池。在沉沙池设计中选取恰当的结构型式沉沙池对运行效果的好坏起到关键作用。

1 沉沙池的分类

沉沙池按其平面形态大体可分为直线形沉沙池、曲线形沉沙池、沉沙条渠、旋流式（圆筒式）沉沙池、斜板式沉沙池及湖泊式沉沙池。沉沙池按照冲沙方式不同，可分为连续冲洗式沉沙池和定期冲洗式沉沙池，下面分别介绍如下：

1.1 直线形沉沙池

直线形沉沙池可分为单室、单室带侧渠的、双室和多室四种，一般多为单室和双室，结构见图1。

图1 直线形沉沙池平面示意图

单室沉沙池结构最简单，沉沙和冲沙交替进行。冲洗时须将上部闸孔关闭，停止向渠道供水。当供水流量较大时，单室沉沙池尺寸大，冲洗时间长，冲洗效果也不理想。故一般当供水流量大于15～20m3/s时，可采用双室或多室沉沙池。

单室带侧渠的沉沙池特点是，冲洗时可由侧渠供水，不致于中断灌区用水；其缺点是，水流含沙量较大。为了减少入渠的泥沙，应尽可能在需水量最小时冲洗。

双室沉沙池的设计一般有两种情况，第一种情况是，沉沙池中每个沉沙室都通过总干渠的全部流量，以保证沉沙池在任何时候都能冲洗和供水；第二种情况是，沉沙池的每个沉沙室只通过总干渠流量的一半，当其中一个沉沙室冲洗时，另一个沉沙室则通过超额流量，这时沉沙池冲洗时间必须选在灌区需水量最小时进行。

多室沉沙池的每室过流量，可按每室平分总量来考虑，当一室冲洗时，其余各室通过全部流量。多室沉沙室不仅可连续供水，而且冲沙时所需流量较少。

为节约投资，双室或多室沉沙池在一厢冲沙时，其余各室通过的流量也可按每室平分总量来考虑。这样做可有效减小沉沙池的宽度，而且冲沙时也不间断供水。

1.2 曲线形沉沙池

山溪性河流水流湍急，推移质较多，在取水工程中，一般常用曲线沉沙池对引水进口的推移质泥沙进行二级排沙处理。在新疆多底沙的山溪性河流上修建弯道式引水枢纽时，一般均建有曲线形沉沙池，结构见图2。

曲线形沉沙池，其池厢平面形状为一条具有近90°转角的弯曲渠段，利用弯道水流的横向环流原理，连续不断地将推移质输向凸岸，通过凸岸一侧布置的冲沙设施将泥沙排出。曲线形沉沙池比直线形沉沙池有优越性，它不仅结构简单，造价低廉，施工方便，还可防止推移质泥沙入渠，保证正常引水，提高引水比和延长渠首的使用寿命。曲线形沉沙池的厢内流速与其它类型沉沙池相比，其数值较大（大于0.7m/s），适宜在山区或谷口河段处理中、粗粒径的泥沙和小砾石。

图2 曲线形沉沙池平面示意图

1.3 沉沙条渠

沉沙条渠是利用天然洼地沉沙的带形或棱形渠道，在黄河下游河南、山东等省的黄河两岸运用较多，结构见图3。

沉沙条渠的池厢平面形状为一大的湖泊或为一狭长形渠段，其池厢长度比其它类型池厢长得多，它不仅能沉粗、中粒径的泥沙，而且特别能沉淀部分细泥沙，故适用于平原多泥沙河流的灌溉渠系。这种沉沙条渠沉沙均匀，效果良好。广泛应用于黄河下游引黄灌溉的取水工程中。它是利用背河的天然洼地作为沉沙区，在沉沙区内用围堤和格堤分成若干个条渠，每一条渠淤满后，即可用来耕种。因此，它把放淤改土、淤满种稻、改良沙荒盐碱地以及淤背固堤等结合起来，使河流的水沙资源得到综合利用。

图3 沉沙条渠平面示意图

1.4 旋流式（圆筒式）沉沙池

旋流式沉沙池是利用引水道来的水流在圆筒中形成旋流（立轴旋流）产生的环流力与水面差（压差）使泥沙向中心运动，最后通过在圆筒中心底设置的排沙底孔排除，结构见图4。

云南省镇雄县天生桥电站的沉沙池，就是因场地限制采用旋流式沉沙池，将进入电站取水口的有害粒径进行重力分离并排往暗河。

图4 旋流式沉沙池平面示意图

1.5 斜板式沉沙池

斜板式沉沙池由平流段与斜板区两部分组成。平流段起整流与预沉作用，斜板区为主要沉沙区。结构见图5。

斜板式沉沙池是由许多与水平面成一定倾角（一般60°左右）的斜板组成。按沉沙池中水流方向可分为三种：即上向流—水流自下向上流动；平向流—水流沿水平向流动；下向流—水流自上向下流动。在斜板沉沙池运行过程中，泥沙颗粒将沉于斜板上，当泥沙颗粒累积到一定程度，便会自动下滑到池底，再由排沙系统排出池外。

斜板式沉沙池的特点是沉沙效率较高，占地面积小，尤其是城市工业供水的小型沉沙池采用得较多，多用于少沙水流。近年来，在水利水电工程中，也逐步开始采用。到20世纪90年代中期，首次将斜板式沉沙池应用于高含沙量而且流量不大的黄河中、下游区，如禹门口提水工程沉沙池。

图5 斜板式沉沙池平面示意图

1.6 湖泊式沉沙池

在黄河下游当引水量较大时，常需要足够容量的沉沙场所，它要求能利用周围地形、场地和围堤，以便蓄水沉沙，这就形成了湖泊式沉沙池。其优点是施工快，投资少，沉沙效率可达40%～65%以上，出池泥沙粒径可小于0.03m m，结构见图6。

图6 湖泊式沉沙池平面示意图

1.7 连续冲洗式沉沙池

连续冲洗式沉沙池的特点是沉沙、冲沙及供水可同时进行。连续冲洗式沉沙池中的泥沙沿着沉沙池底部的横向斜坡进入纵向冲沙道，然后调节冲沙道闸门将泥沙由泄水渠排至下游河道。冲沙道的顶部设有带孔的水平盖板，将沉沙池内具有小流速的水流与冲沙道内较大流速的水流分开，以便造成足以冲走冲沙道内泥沙的流速，并能利用较小的流量输送泥沙。因此在沉沙池内不会形成泥沙的沉积，泥浆不断的随水冲洗出去，水流的含泥量比间断冲洗的小很多，在排沙道出口砂堆形成的很慢，这就有可能在洪水时，将砂堆冲去，结构见图7。

对于地形狭窄的地方，水流含沙量较多，泥沙粒径较粗且有足够流量可满足连续冲沙并具备运行管理经验的电站，建议优先用连续冲洗式沉沙池，这样对供水和发电不会造成影响。

图7 连续冲洗式沉沙池平面示意图

1.8 定期冲洗式沉沙池

定期冲洗式沉沙池工作一段时间后，池内泥沙淤积厚度逐渐加大，过水断面逐渐减小，流速渐增，有可能将推移质泥沙带进下游渠道，当出池含沙量达不到设计标准时，就必须停止供水，进行冲沙，结构见图8。

定期冲洗式沉沙池的冲洗过程分为泄空冲洗、溯源冲洗和沿程冲洗三个过程。

冲洗前，将沉沙池进出口闸关闭，在沉沙池畜水的情况下测量淤积体形态后，开启冲沙闸门进行泄空冲洗，池内部分泥沙尚未充分浓缩固结，利用池内水位快速下降而使部分淤积泥沙被冲刷下泄，最终被泄空水流挟带出池，直至水体泄空出露新的洲面。泄空冲洗的特点是发展速度快、强度大，可在较短时间内将池内部分淤积干密度较小（这部分泥沙大多集中在池末端）的泥沙排出池外。泄空过程中，排沙含沙量一般是由小变大，即开始泄空时，出池含沙量较小，随着冲刷的发展，出池含沙量逐渐增大，当水位降到接近淤沙面时，出池含沙量最大。这时再开启进水口闸门至一定值，使冲洗流量固定，同时全开沉沙池冲沙闸，开始计时，池内蓄水缓缓降落至冲沙道进口出现明流时，池中水位在此突然跌落，溯源冲刷即开始，溯源冲洗沿着新的洲面从下游至上游的水面线出现明显折坡点，水面有较大跌落，继而此跌落逆流而上，迅速发展，根据水面坡折点上溯的位置，测量各断面的水位、床面变化和取冲沙道流出的水样并记录时间。折坡点上游后坡的水面比降小于池底比降，远离折点的上游洲面变化较小；折坡点下游坡陡流急，发生强烈冲刷，使折点位置不断向上游发展，三角洲面徐徐降低，最终淤沙洲面不断切割调平至前后坡趋于一致，即标志着由下而上的溯源冲洗转变为由上而下的沿程冲洗。由于该沉沙池底坡较大，因而，依靠湍急水流冲击淤积体，在顶冲处产生水脊抛起淤沙随水流挟往下游，达到清洗的目的。对水脊下移位置进行沿程冲刷的上述内容进行量测记录，试验持续进行到沉沙池基本清洗完为止。

水利水电工程沉沙池设计规范指出，定期冲洗式沉沙池和连续冲洗式沉沙池相比具有运行可靠、结构简单、便于施工等特点，所以在地形开阔的地方应优先考虑使用。

但是，间断冲洗的沉沙池和连续冲洗的沉沙池相比具有较大的尺寸，虽然构造简单但沉淀泥沙的斗槽容量很快被泥沙淤满，为了清除泥沙就需要经常冲洗，而且冲洗历时长，耗水量大。冲洗时对供水或发电会造成不利影响，在使用上不如连续冲洗沉沙池简单，而且定期冲洗式沉沙池的泥沙排泄对环境有影响，在排沙道出口处可能形成沙堆，使沉沙池的继续冲洗发生困难。特别是在洪水时期，由于沉沙池内泥沙沉积很快，要经常冲洗，这样就使得沉沙池的使用复杂化。

图8 定期冲洗式沉沙池平面示意图

2 工程实例

六合水电站位于云南省鹤庆县东南面六合乡河尾村附近的漾弓江下游峡谷河段。六合水电站装机规模为2×15m w，额定水头235m，引用流量14.48m3/s，是一座以发电为单一任务径流式电站。六合水电站工程规模为小（1）型，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物按4级设计，次要建筑物按5级设计，临时建筑物按5级建筑物设计。工程枢纽由拦河滚水坝、沉沙池、引水隧洞、前池、压力钢管道、电站厂房组成及升压站组成。

六合水电站水轮机额定水头Hr=235m，过机多年平均含沙量Sp=1600g/m3，按照《水利水电工程沉沙池设计规范》设置沉沙池的初步判别条件知，水轮机额定水头与过机多年平均含沙量的交点处于C区，宜设置沉沙池。

六合水电站的沉沙池受地形条件限制，考虑了3种结构型式：（1）双厢定期冲洗式沉沙池。双厢型式可一室冲洗，一室供水，但隧洞和取水口之间距离短，沉沙池的设计长度受限，联接段和闸室段布置困难，沉沙效果将得不到满足；（2）单厢定期冲洗式沉沙池。虽然宽度可以缩窄些，但长度仍难于满足沉沙要求。沉沙池冲沙时，水从旁侧渠道不经沉沙池直接进入引水道，水质达不到要求；（3）连续冲洗式沉沙池。这种结构型式上游联接段不设闸门，加设配水墩缩短上游联接段。下游联接段不设闸门，只在冲沙道汇合后设一道冲沙闸，长度可缩短，这就避免了地形条件的限制。

3 实践经验

（1）水电工程沉沙池宜采用定期冲洗式或连续冲洗式沉沙池，沉沙池的布置由地形、地质、冲沙水头等条件以及和各建筑物之间的关系来确定。若地形开阔，宜选用定期冲洗式沉沙池；地形狭窄，宜选用连续冲洗式沉沙池。

（2）沉沙池轴线宜与其进口前的引渠轴线重合，这样可避免水流偏斜使沉沙池之间的流量分配不均匀，从而造成沉沙池内形成减速区及死水区。

（3）沉沙池的进口水流须平顺，流速要分布均匀，且不可形成回流或集中的底流，以免影响泥沙正常沉淀，为达到此目的，应使沉沙池进口渠道、进出口为直线，引入水流应平行于沉沙池轴线。一般沉沙池的进出口用渐变段与上下游渠道采用对称扩散型式时，单侧扩散角或收缩角不宜大于12°，以此确定扩散段和收缩段的长度。采用非对称扩散时，两侧扩散角不宜大于24°。当接近或大于上述角度时，应采取工程措施，加设配水墩，整流栅防止涡流和泥沙淤积发生。

（4）沉沙池联接段底板与工作段底板应以竖横比缓于1∶4的斜坡联接，使水流均匀扩散。

（5）沉沙池设计中以不同水深、宽度、长度的组合，均可得到满足设计要求的沉降率，但是宽深比过大，会使水流不均匀，冲沙单宽流量过小，池底泥沙淤积易形成滩槽，沉沙效果明显降低。因此，沉沙池的宽度不宜过大，最好不超过沉沙池工作长度10～20%，否则流速太小使沉沙效率过高而减少沉沙池的使用寿命，同时还可能使横向落淤不均匀而影响沉沙池的运用效果。水电工程沉沙池的工作段宽深比不宜大于4.5。沉沙池的工作水深应尽可能浅些，这样竖向沉距小，常可大大提高沉降率，降低造价。总之，在设计沉沙池时要注意沉沙池的长度和宽度要相适应，长度偏短沉沙效率达不到要求，而过长时沉沙池下段落淤量很少，有效容积不能充分利用。

（6）沉沙池的横断面为便于冲沙及节水而把底部（1m左右高）收缩成梯形，但其边坡不宜缓于1∶0.1，否则坡上淤沙不易冲洗。

（7）冲沙廊道设于沉沙池尾部，冲沙廊道底坡大于沉沙池底坡，其末端应与河道有一定的跌差，这样，沉沙池冲洗较顺利，且沉沙池可保持较长寿命。一般冲沙闸进口明流为好，这样闸前沉沙池中水深较浅，淤沙易冲除。

（8）在沉沙池工作段、引渠或输水道适当部位设置旁侧溢流堰，通常设在沉沙池尾部，目的在于宣泄进水口闸门操作不当及机组丢负荷时，进入沉沙池超过设计流量的水量。为提高沉沙池的沉降效率，堰顶水深不宜大于0.1m，确定泄流量后再按堰流公式确定溢流堰的宽度。

（9）定期冲洗式沉沙池为多厢时，为保证各池室交替运行，各池室边墙和隔墙应与相应的池室进口闸墩联接，墙顶高于正常运行水位0.5～0.7m，以便逐池厢集中进行泄空冲洗和溯源冲洗，防止水流串厢。

（10）连续冲洗式沉沙池中冲沙道的流量是逐渐增加的，横断面应相应增大，以保证必需的输沙能力，避免过多的水量损失。冲沙道的进水最好成斜向，以便形成横向环流，提高冲沙道的输沙能力。