玉清湖水库补水工程防治泥沙措施研究

2016-09-07张灵真赵培青韩凤来

山东水利 2016年4期

关键词：沉沙池含沙量干渠

张灵真，赵培青，韩凤来

（山东省水利勘测设计院，山东济南 250013）

玉清湖水库补水工程防治泥沙措施研究

张灵真，赵培青，韩凤来

（山东省水利勘测设计院，山东济南 250013）

通过分析黄河来水来沙情况、田山提灌站、济平干渠运用条件，对向玉清湖水库补水方案三种运行工况下的沉沙池沉沙、济平干渠挟沙能力及相关控制指标分别进行分析计算。提出了利用南水北调济平干渠补水泥沙含量控制指标，防止补水期间对济平干渠造成泥沙淤积。并经充分论证后，提出补水结束调水冲渠，置换济平干渠内黄河水的处理措施，防止在静水状态下渠内可能产生的落淤影响。

泥沙淤积；挟沙能力；引黄；泥沙含量；控制指标

玉清湖水库补水工程是指利用输水暗涵将田山沉沙池与济平干渠连通，在南水北调非输水期（汛期6～9月），通过田山一级站引黄、田山沉沙池沉沙后，进入济平干渠，经济平干渠玉清湖分水闸向玉清湖水库补水，或经济平干渠末端睦里庄跌水为济南市小清河生态补源。通过补水工程利用济平干渠的控制运行条件、控制指标确定及补水工程沉沙池沉沙计算等措施研究，对类似引水工程有着重要的借鉴意义。

1　工程概况

补水工程位于济南市平阴县城东北方向约2.6 km，连通田山沉沙池和济平干渠。通过在田山沉沙池东条渠东堤济平干渠以南约100 m处新建沉沙池出口引水闸，闸后接输水暗涵，向东17.2 m后折向北并进入济平干渠渠道。按同时向玉清湖水库（设计补水流量为5.9 m3/s）和济南市区小清河补水（设计补水流量5 m3/s），并考虑沿程输水损失确定最大补水流量12 m3/s。

2　补水工程含沙量指标确定

2.1汛期利用田山一级站可引黄天数分析

根据2000—2011年田山灌区实测黄河含沙量资料统计，6～9月份平均含沙量为3.38 kg/m3，与年平均含沙量相等。根据田山渠首引黄控制条件和2000—2011年田山灌区实测渠首黄河含沙量资料，经统计分析，汛期利用田山提灌站多年平均可引黄河水天数有87 d。

2.2沉沙池出入口含沙量允许值分析

2.2.1运行工况

考虑田山灌区汛期为满足灌区用水需引水5.0 m3/s，加上补水水量，确定三种运行工况条渠流量分别为：1）工况1：同时向玉清湖水库和小清河补水，补水流量12.0 m3/s。东条渠出水12.0 m3/s，西条渠进水17.0 m3/s；2）工况2：向玉清湖水库补水，补水流量6.5 m3/s。东条渠出水6.5 m3/s，西条渠进水11.5 m3/s；3）工况3：向小清河补水，补水流量5.5 m3/s。东条渠出水5.5 m3/s，西条渠进水10.5 m3/s。

2.2.2沉沙池断面要素

西条渠入口至东条渠出水闸全长6 950 m，平均宽132.6 m，平均底高程35.73 m。条渠宽度分布较为合理，前半段窄，流速较大，可以沉下大部分粗沙，后半段宽，流速较小，可以沉下细沙。

根据《水利水电工程泥沙设计规范》条池宽度与流量的关系要求，过水流量17、11.5、10.5 m3/s时，条池宽度应分别达到170、115、105 m。田山沉沙条渠平均宽132.6 m，小于流量17 m3/s要求的170 m，考虑到分流到东条渠最大只有12 m3/s，而东条渠又较西条渠宽，平均宽204 m，长度有3 245 m，可以满足条池宽度要求。

2.2.3沉沙池沉排沙分析

引沙量采用田山渠首实测的逐月含沙量平均值作为引沙量的计算依据，经计算，年引沙量36.19万m3，引水期平均含沙量为3.4 kg/m3。引水天数、引水量、引沙量、沉沙池糙率、各月水温等计算参数选用见表1。

表1　田山泵站引黄天数引水量、沙量统计

各引水月份泥沙颗粒级配采用艾山站多年平均悬移质颗粒级配作为计算依据。泥沙颗粒分组及沙重百分数见表2。

表2　艾山站多年平均悬移质泥沙分组及沙重百分数

泥沙的沉速按照《水电水利工程沉沙池设计规范》（DL/T 5107-1999）有关规定，选用相应的计算公式。计算时考虑细颗粒泥沙絮凝现象，据黄委会水利科学研究所等单位试验资料，絮凝团粒径采用0.01 mm的常值，泥沙分组分为8组。

条渠的沉排沙计算是用西、东沉沙条渠串联计算，东沉沙条渠出口闸控制水位38.67 m，根据条渠的断面指标以及条渠的水力计算公式，从下游向上游各断面依次计算，并根据条渠出口含沙量计算式及条渠淤积后断面改正计算方法，用分段控制沉沙率与淤积体相平衡的办法进行计算，按条渠运用一个周期年计，时段以日为单位，逐日进行循环计算，计算出条渠运用过程中沉沙条渠的出口含沙量、拦排沙的数量：

1）工况1：沉沙条渠年引水量为12 778.56万m3，引沙量36.19万m3，沉沙量31.80万m3，排沙量4.39万m3，排沙比12.1%；2）工况2：沉沙条渠年引水量为8 644.32万m3，引沙量24.48万m3，沉沙量22.72万m3，排沙量1.76万m3，排沙比7.2%；3）工况3：沉沙条渠年引水量为7 892.64万m3，引沙量22.35万m3，沉沙量20.97万m3，排沙量1.38万m3，排沙比6.2%。经计算，不同补水工况沉沙池入、出口含沙量见表3。

表3　不同工况沉沙池入、出口含沙量表 kg/m3

2.3补水期间济平干渠挟沙能力分析

选用济平干渠补水渠段断面大，比降缓，流速相对较小，挟沙能力也较小的断面（46+598～51+ 442渠段），按控制水深为3.0 m，渠道底宽14.8 m，边坡2.0，糙率0.015，分别计算三种补水工况下济平干渠最小挟沙能力。

经计算，工况1：渠道挟沙能力为1.48 kg/m3，大于最大月均入渠含沙量0.56 kg/m3，故该工况在动水情况下不会发生淤积；工况2：渠道挟沙能力为0.42 kg/m3，大于最大月均入渠含沙量0.34 kg/m3，故该工况在动水情况下不会发生淤积；工况3：渠道挟沙能力为0.31 kg/m3，大于最大月均入渠含沙量0.30 kg/m3，故该工况在动水情况下不会发生淤积。

2.4控制含沙量指标

将各工况渠道挟沙能力作为东条渠出口断面的含沙量控制指标，试算西条渠入口含沙量最大允许值。经计算：

1）工况1：田山沉沙池入口控制含沙量指标为9.5 kg/m3，济平干渠入口含沙量控制指标为1.48 kg/m3。2）工况2：田山沉沙池入口控制含沙量指标为5.0 kg/m3，济平干渠入口含沙量控制指标为0.42 kg/m3。3）工况3：田山沉沙池入口控制含沙量指标为4.3 kg/m3，济平干渠入口含沙量控制指标为0.31 kg/m3。

3　防范落淤措施

按照沉沙条渠入口、出口泥沙含量最大允许值控制工程调度运行，补水期间不会造成济平干渠渠道淤积，济平干渠主倒虹断面小于渠道断面，流速大于渠道流速，其挟沙能力更大，亦不会在补水期间发生淤积。

补水时段结束，济平干渠渠内黄河水呈静水状态时，水体中所含泥沙会沉积在渠底。为保证济平干渠内不形成持续性淤积，不影响南水北调输水水质，建议补水结束从东平湖调水冲渠，置换济平干渠内的黄河水。冲渠流量40 m3/s，冲渠时长24 h，总冲渠水量为345.6万m3。将渠内留存的黄河水作为向小清河济南市区段补源水量，改善小清河济南市区段生态环境，亦可使黄河泥沙最终沿小清河排入大海。