侧向式水力沉沙排沙池设计与应用

2018-06-04

中国水能及电气化 2018年5期

(甘肃省酒泉市新城区开发建设管理委员会，甘肃酒泉 735000)

甘肃省酒泉市肃州区地处祁连山北麓，降雨量少，蒸发量大，气候干燥，地表植被覆盖较差，河道来沙主要由降雨冲刷地表、地表径流挟沙入河造成。沿山各条河系河道来水量不均匀，且河道来沙量分布很不均匀，年均输沙率5.48kg/s，年平均输沙量17.30万t，年均含沙量1.40kg/m3，最大月平均含沙量3.43kg/m3, 主要出现在洪水期8—9月，占年输沙量的50%。酒泉市肃州区沿山地区农村饮水安全项目供水工程直接从河道取水，泥沙从取水口进入引水管网，导致管道系统阀门启闭不灵活，减压阀和安全阀阀体内沉积沙粒，调节压力失灵，同时，推移质对管道磨损严重，缩短了管道的使用寿命。为了保护管网安全运行和保证供水质量，在取水口后必须增设沉沙排沙设施。

1 沉沙排沙的设计思想

水力沉沙和排沙设计的核心问题，实际上就是通过研究泥沙的起动和止动条件，利用水利措施和方法，实现沉沙和排沙的目的。根据泥沙运动的基础理论，泥沙运动方式有三种：即起动(静止→滚动或跳跃)、扬动(静止、滚动、跳跃→悬浮)、止动(悬浮、跳跃、滚动→静止)。沉积泥沙的过程实质上就

1.出水堰； 2.冲沙管(间距50cm留出水口)；3.引水管；4.检查井；5.过滤器；6.止水环；7.出水口；8.止水；9.阀门、闸门；10.导流墙；11.胸墙

是泥沙运动方式由扬动转换为止动的过程；反之，冲沙排沙的过程就是泥沙运动方式由止动转换为扬动的过程。通过有效改变泥沙在水中的沉速、水流对泥沙的挟动、动床的阻力、水流的挟沙能力及水沙互动的条件，实现水力沉沙排沙。

侧向式水力沉沙排沙池是针对传统沉沙池体积大、排沙成本高而设计的集沉沙和排沙于一体的构筑物，位于直接从河道取水的引水工程管网首部，以更大程度地保护管网和降低用水成本。

2 水力沉沙排沙池位置的选择

水力沉沙排沙池位置越接近管道首部或取水口位置，泥沙对输水管道和输水渠道的磨损长度就越小，水利工程使用寿命就越长，工程经济效益和社会效益就更加明显。但是，它往往受地理位置和水力条件的限制，不能就近建设，因此，必须综合考虑，选择适合位置。

a.地质条件要满足工程建设的要求。地势要开阔平坦，具有一定的地基承载能力，以减小地基处理难度和工程费用，同时，避免不均匀沉降、洪水淹没等不良影响。

b.位置要利于引水排沙。河道要具有一定的坡降，直接从河道取水至沉沙池，经过沉淀后的泥沙，利用水力条件快速顺利排入原河道，减小排沙渠(排沙管)长度，降低工程投资和便于运行管理。

为保证水量，取水口宜设置在引水渠道或河道凹岸弯道，取表层清水，大量推移质随底层水流排向下游凸岸。进水口侧设置栏栅，拦截水流中大颗粒的悬移质和漂浮物。若引水渠道引水量有限，正常水位不能保证侧向取水，可在渠道底部设置底栏栅取水口，底栏栅宜加密设置，以阻拦较大颗粒推移质进入沉沙池。

3 侧向式水力沉沙排沙池的结构设计

3.1 整体设计

侧向式水力沉沙排沙池设置在河道取水后的引水管道首部，通过工程措施将悬移质最大可能地转化为推移质，有效阻拦其进入输水管道，并能通过水力条件自动冲沙排沙。侧向式水力沉沙排沙池采用现浇混凝土结构，平面为矩形，按照其功能可分为消能区、沉沙区、排沙区和出水区四部分，应采用侧向进水，以有效消除不利能量，减小消能池的结构尺寸，降低水流进入沉沙区的速度，增大过水断面，沉沙区用若干导流墙相隔，以增大水流流线，有效缩短沉沙池的结构尺寸。排沙区底部断面为“V”形，用于提高瞬间流速，为水力排沙创造条件，有力地提高自动排沙的效率。同时将沉沙和排沙区有机结合，使主要排沙时段沉沙不受约束和影响，以提高使用效率。为保证西北地区冬季正常使用，构筑物采用地埋式设计，顶部封闭覆土保温(见下图)。

3.2 消能区设计

沿山河道来水源于祁连山降水和地下泉水汇集。河流沿线地势陡峭，流经出山口后,由于地面坡降大，势能迅速转换为动能，水流流速快，不利于沉沙，因此，必须采取防冲消能的措施。根据上述特点，计算时可以将水流简化为远驱式水跃衔接，应修建消能坎，但因该项目设计的终端构筑物为池体，可将消能构筑物在池内统筹设计。水力计算的主要任务是确定坎高及池长，为保证池中发生稍有淹没的水跃，消能坎高度(即消能区的深度)计算方法如下：

式中c——坎高;

σj——水跃的淹没深度，取1.05～1.1m;

q——单宽流量；

m——消能坎的流量系数，取0.42；

σs——消能坎的淹没系数，取决于淹没条件。

淹没条件为：

σs可查表1取用。从表1可见，消能坎淹没的条件是hs/H10>0.45;若hs/H10≤0.45,则淹没系数σs=1。

表1 消能坎淹没系数σs[1]

消能池合理的池长应从平底完全水跃的长度出发考虑，消能池中的水跃因受末端垂直壁面阻挡形成强制水跃，相关研究试验成果表明它的长度比无坎阻挡时的完全水跃缩短20%～30%[2]，故消能池长度为

LB=(0.7～0.8)LJ

式中LB——池长；

LJ——平底完全水跃长度。

需特别指出的是，为了结构的整体统一,计算出的消能池长要服从于沉沙区的计算宽度。

3.3 沉沙区设计

根据泥沙运动的基础理论，沉沙区功能是将泥沙的运动方式由扬动转换为止动。通过过水构筑物改变水力要素，实现沉沙。沉沙区是整个构筑物主体部分之一，是沉沙的的工作部分。沉沙区的长度决定于水的流速和停留时间，沉沙区的宽度取决于流量、有效水深和水流速度。沉沙区的深度等于有效水深与存泥设计深度以及安全超高之和。在工作状态下，表现为下层为沉沙层，上层为水流层，在沉沙区的计算中，各种因素比较复杂，在连续冲沙排沙时，水深、流量和流速都是随时间沿程变化的，各时段的泥沙资料多而复杂，是很难搜集的，为了解决实际问题，可以利用有关研究者的结论简化计算方法。

首先根据止动的前提条件决定容许流速。出于经济上的考虑，容许流速就可由下式求得：

式中v——流速；

d——颗粒直径；

A——系数，当d<1mm时，A=36；当0.10mm

为便于计算可认为泥沙厚度是均匀不变的，沉沙区宽度可按下式计算：

式中B——沉沙区宽度；

h2——设计有效水深；

A——水流断面积；

Qmax——最大设计流量。

泥沙在静水中的沉降速度可按含泥沙水的密度及要求的沉淀泥沙最小粒径，查相关图表得出，考虑到紊流阻滞影响，L .Levim发现由于阻滞影响，沉降速度的减小值ω=av，系数可从下式求出：

式中h——水深。

于是沉沙区的长度为

若计算结果为负值，表示在假定条件下不可能沉淀，应修订尺寸重新计算。

为了计算结果可靠，可利用M.A.Velkanov的研究结果进行校核。

M.A.Velkanov的研究是以概率计算为基础的。紊流中所需沉沙区的长度可以静水沉速ω和通过流速v算出：

式中λ取决于预先规定的排沙比，λ值由函数λ=F(φ)确定。φ为沉淀泥沙Cp与进入沉沙区的水流中泥沙总量C之比，排沙比计算为

φ与λ之间的关系可由表2查出。不能假定φ为100%，采用相当于清除极限颗粒尺寸的95%系数就可以了。

表2 排沙比φ与λ关系

由表2可知,φ为40%～85%时，φ与λ基本上是直线关系，沉淀到90%以后，λ值增长很快，工程造价也相对增加很快，因此要按照工程要求，适当选定沉淀粒径。

沉沙区长度应比计算沉沙长度要大一些，一般将沉沙长度乘以1.15～1.30系数作为沉沙区长度，但我们考虑到对工程造价的影响，不再乘扩大系数，而是在结构设计上进行优化弥补。通过实践，沉沙区中间每隔一定距离用导流墙相隔，增加了水流流线长度，也就是增加了沉沙区长度，极大地扩大了在沉沙区的沉沙能力。

3.4 排沙区设计

排沙区的主要功能是利用水力条件和工程措施顺畅地将沉积下来的泥沙冲进排沙渠中。因沉沙区沉积的泥沙为无黏性土，通过静压水头，使池中的泥沙发生流土泄出。这就需要研究水沙互动基础问题挟动条件，床面或临床泥沙颗粒运动方式转换的临界条件，就是泥沙由止动转换为扬动。通过瞬间快速开启排沙闸门，水流强度突然急剧增大，床面上原静止的颗粒迅速转为滚动，跃动甚至扬动。仅开启排沙闸门远远不够，还要通过相关计算，改变结构形状提高冲沙排沙效果。

一般情况下，传统的排沙泄沙构筑物都是以漏斗形式进行泄沙的，如果设计为漏斗，工程量很大，而且施工极其复杂。通过抽象简化，我们发现“V”形结构和漏斗非常相似，我们可以利用这一原理进行排沙区的设计。排沙区横断面布置为“V”形结构，既满足了泄沙的结构要求，当排沙闸门开启后还可以提高起动流速。这种结构是在平面上布置，较漏斗来说工程量将大大减小，而且施工方便可靠。

通过E.A.扎马林公式近似确定渗流破坏坡降:

Ip=(γt-γB)(1-n)+0.5n

式中Ip——渗流破坏坡降值;

γt——土粒重度;

γB——土粒重度;

n——以相对单位表示的孔隙率。

通过上述方法我们也将沉沙区的底部纵断面结构布置成若干由“V”形结构相连的结构，这样不但在沉沙过程中增大动床阻力，而且在冲沙排沙时增大沉沙区滞留沙粒的扬动作用。

因冲沙方向与沉沙方向相反，在沉沙区首端沉淀的泥沙颗粒较细，要求冲沙流速较小，可将底部纵坡放缓；在沉沙区末端沉淀的泥沙颗径较大，要求冲沙的流速较快，可将纵坡放的较陡。这样分类设计，可以大大减少工程量，而且冲沙效果理想。

对于排沙区的结构尺寸可以采用不淤流速计算。在有关的教材中可以找到近似的计算公式：

式中d—— 需冲去的泥沙粒径，在冲沙中小于这个粒径的泥沙占75%；

ω——泥沙在静水中的沉降速度；

hp——冲沙时平均水深；

p——冲刷泥沙中含沙量百分数。

排沙区底纵坡按下式计算：

式中R——水力半径。

为了有效排沙，施工时要求排沙区表面做得非常光滑。

3.5 出水区

出水区是将经沉淀的清水平稳地流入输水管道，宜采取溢流堰溢流，流速应平缓，不能使已沉淀的絮粒被出水水流带出，同时，溢流堰的长度要与沉沙区、排沙区宽度统一。

3.6 附属部分设计

工程区地处西北，冬季严寒，且持续时间长，若不进行池体保温，冬季无法正常使用。因此，设计时根据高程和水力条件，设计为完全地下式或半地下式，顶部用现浇钢筋混凝土板或预制板进行封闭，当顶部覆土厚度达不到当地最大冻土深度时，可用保温材料填充保温，确保冬季不结冰。充分利用导流墙、侧墙等，按照挡土墙设计，用承重墙校核，将顶板的压力传导给基础。同时，池体较大时应在顶板设置通气孔，防止汽蚀等不良影响。

4 侧向式水力沉沙排沙池的效果分析

沉沙池是对引水泥沙进行处理必不可少的构筑物，在传统水利工程中，大中型沉沙池主要采用刮泥机排沙，小型沉沙池主要采用人工清淤，近年来也有使用单厢式梯形断面、迷宫式、旋流式、漏斗式、间歇式、圆中环式、涡管式等型式沉沙池的，从结构上看，它们都具有很好的沉沙和排沙效果。侧向式水力沉沙排沙池结合项目区的实际情况和特点，集成了各种沉沙池的优点进行改进和完善，不但结构型式简单，工程量小，工程造价低，而且能够连续使用，冬季不受限制，有效地提高了构筑物的使用效率和自动化程度。侧向式水力沉沙排沙池结构上简单，平面布置为矩形，采用重力式挡土墙，模板均为平面的，施工过程方便，工期大为缩短，而且模板可重复使用，较大地节约了投资。尤其是排沙区断面将漏斗形结构优化为“V”形断面，大大减少了施工难度和工程量。与常规沉沙池相比较，侧向式水力沉沙排沙池设计过程中增设了导流墙，增大了水流流线，使结构尺寸缩短了15%～30%。采用侧向进水，单宽流量增大了6倍以上，有利于降低流速沉沙。