多泥沙环境下渠首站排沙设计及其优化

鲁兵

(新疆金沟河流域管理局，新疆 乌鲁木齐 832100)

1 金沟河泥沙环境及其特征

金沟河流域位于新疆塔城地区沙湾县境内，金沟河发源于天山北坡的哈比尔尕山，主要水源由天山融化的雪水和地下温泉水组成。水流由南向北，最终流入玛纳斯湖，全程194.00 km。正是由于此发源特征导致了金沟河及其汇水区内流量强度存在极大的波动性，无论对于当地的水土保持还是对于流域内的泥沙隐患均具有一定的不利影响。从历年对于金沟河流域泥沙的监控情况来看，金沟河流域泥沙主要由推移质和悬移质泥沙组成。推移质粒径分为块石(>200 mm)、卵石(60～200 mm)；悬移质分为砂、粉粒和黏粒，粒径在0.01～2.00 mm不等。其中，推移质年平均输沙量83.53万t，悬移质泥沙年平均含沙量1.85 kg/m3，最大月平均含沙量221.00 kg/m3，最小月平均含沙量15.60 kg/m3，悬移质年平均输沙量66.03万t。

从其泥沙环境的角度来看，金沟河具备如下三方面特征：其一是泥沙质地结构稳定，但流量波动较大。金沟河内含砂的粒径分部交广，但是不同粒径之间以及推移与悬移砂砾之间的比例相对稳定，这对于形成稳定的排沙结构具有积极意义。其二是金沟河泥沙来源单一，但与周围环境互动关系显著。金沟河的泥沙主要来源于周围汇水区的降雨冲刷，进而言之是周边生态环境遭受破坏，形成严重的水土流失而造成的。根据近年来的生态环保数据监控显示，得力于封山育林及有限城镇化开发等政策，水土流失现象在金沟河主要汇水范围内已经得到了一定的缓解与改善。其三是金沟河农业灌溉任务较重，泥沙治理前置需求明显。与一般河流相比，金沟河承担了沿岸近40%的灌溉任务，且与之相连的多为浅水位人工灌渠，这就决定了与金沟河相连的灌渠无法采用传统河道的逐级排沙的方式来进行，渠首排沙是一种必然选择。

2 金沟河渠首站排沙设计

金沟河渠首的多级排沙设计可以有效消除金沟河高含沙量对下游水利设施的冲击，其各部分设计主要如下：

2.1 防砂坎设计

防砂坎是渠首构建排沙防砂的首道防线，其根本目的是通过构建一定高度的挡沙墙将水体中的大颗粒推移质泥沙进行有效隔离，进而去除引水涵洞及入水口处河水中的大粒径泥沙含量。按照对于金沟河泥沙粒径的监控与分析，此部分设施能够有效去除水体中的泥沙大约在20%左右。在具体的设计过程中有两个方面因素需要考量。其一是需要考虑推移质泥沙的有效推移高度，该高度与水流推力及不同粒径模式下的悬浮系数相关。按照水利工程的基础性经验，三者的关系遵循如下公式：

H=ap3/V

(1)

其中：H为有效高度；a为粒径系数；p为粒径数值；v为最大水流速。

不同粒径系数查表可得，0.10～0.20 mm间为0.53，以此类推。金沟河防砂坎的去除目标为0.05以上推移质泥沙，将这一数值带入公式1可得防砂坎高度最低不低于1.50 m，考虑到设计高度应该具有10%以上的富裕空间，设计的设计高度选择为1.70 m。

2.2 泄洪闸、冲砂闸设计

泄洪闸与冲砂闸属于金沟河应急水流通道的重要组成部分，在设计的过程中主要是保障在特殊时期如洪峰过境或河道冲砂阶段确保其内的砂砾符合客观标准。为了消除水体泥沙的影响多采用弯道的设计方式来避免泥沙的大量冲击，这就需要特别注意弯道的宽度设计。其宽度的具体计算方式如下：

B=0.52A1.06Q0.71D0.085/n0.41G0.11

(2)

H=0.55n0.23Q0.48D0.076/A0.57G0.1

(3)

V=N0.18G0.21/0.286A0.48Q0.19D0.16

(4)

J=N2.08G0.55/0.037A0.25Q1.06D0.45

(5)

其中：B为弯道的水面宽度，渠道上下宽度不一致的应该以丰水期的平均水面为计算基准；A为经验系数，与水体泥沙丰度相关；J为水面高度差；Q单位水流量；D为泥沙平均粒径；H为断面水深，以丰水期的平均水面为计算基准；V为断面平均流速；N为渠道糙度；G为含沙量。

通过上述公式可以对B、H、V、J等相关系数进行计算，从而设定渠道的具体设计参数。在金沟河内，将水体的泥沙检测数据代入上述公式中，可以计算得出泄洪闸的参数为：B=32.50 m，H为3.40 m，V为4.10 m/s，J为0.04 m；冲砂闸的参数为：B=19.90 m，H为2.60 m，V为2.30 m/s，J为1.27 m。

2.3 进水闸设计

与泄洪闸、进水闸等结构类似，进水闸的防砂设计是采用了引水弯道设计与排沙漏斗共同作用的方式来进行的。其中排沙漏斗在下文设计分析中进行详细介绍，引水弯道依旧采用公式2到公式5来进行计算。在金沟河内，将水体的泥沙检测数据代入上述公式中，可以计算得出进水闸的参数为：B=19.60 m，H为5.20 m，V为1.90 m/s，J为0.26 m。

2.4 排沙漏斗设计

排沙漏斗工程为金沟河渠首站排沙的主体结构，其排沙功能与原理已经在业内得到了广泛的认可，在此不再进行赘述。按照一般设计要求，由于排沙需要，通过排沙漏斗后水体会形成冲砂损耗，此损耗应该控制在5%以内，避免对下游水利需求造成一定的困扰。按照这一要求，其最终的设计规模按照如下公式来进行计算：

M=Q×a×100%

(6)

其中：M为冲砂耗水量，决定了排沙漏斗的建设规模与具体参数；Q为引水量；a为耗水系数。

引水量取决于引水渠的具体规模，经过实际测算金沟河引水量为18.60 m3/s，耗水系数按照5%来进行计算，可以求得M=0.93 m3/s。结合这一耗水量指标，排沙漏斗的最终设计参数为：偃高1.62 m，堰长为19.00 m，采用混凝土浇筑的方式一次成型，厚度控制在0.80～1.00 m之间。冲刷后的排沙通过单独通道排入下游，避免对水利设施造成影响。

3 金沟河渠首站排沙优化

在实际的应用中上述设计已经取得了丰硕的成效，为保障渠首站下游水利设施的安全与有效提供了重要保障。但是，上述设计依旧存在一定的问题与可优化空间，具体则分为如下几个方面：

在防砂坎设计方面：防砂坎设计有效地去除了金沟河水体中的推移质砂砾，但是此种去除的本质上是一种隔离，避免砂砾对于下游水利设施冲击的同时也造成了砂砾在防砂坎前的堆积针对这一问题需要采用定期清砂的方式来消除影响，否则防砂坎则会在长期泥沙堆积的情况下而失效。为了进一步解决这一问题有两方面建议。其一是引入冲刷系统，通过开辟冲刷通道的方式形成防砂坎与排沙漏斗的联动，选择空余丰水期对防砂坎前的堆积泥沙予以冲刷清除。其二是采用分级防砂坎的方式来予以设计，此种设计可以将清砂作业进行有效分级，从而降低单次的清砂强度，缩短清砂周期，达到有效维护的根本目的。

在排沙漏斗方面：实际的耗水量与设计耗水量之间存在一定的差距，实际耗水量仅为3%左右，不足设计量的60%，这说明排沙漏斗在实际使用中依旧存在一定的效能空闲，可以更为有效地进行排沙工作。针对这一问题建议将排沙漏洞在内的一系列措施形成整体效益，如：降低防沙坎的设计高程，将更多的泥沙通过排沙漏斗的方式予以去除，进一步提高排沙漏斗的设计效能。

与此同时，现阶段通过排沙漏斗或其他方式去除的泥沙均采用冲刷的方式排入下游，不利于下游河道的治理，也造成了一定的浪费。建议在排沙漏斗的排沙通道下游建立独立的平缓河道作为采沙区。一方面其形成的河道凹陷可以有助于水体中推移质进一步去除；另一方面也可以产生部分经济效益为当地的水土保持及河道治理提供资金保障。

4 总结

河道泥沙一直是水利系统的“天敌”，如何对河道泥沙进行有效地清除是水利设计的首要关键任务。文章在研究过程中，首先对金沟河泥沙环境与特征进行分析；其次对渠首站的排沙设计进行系统介绍；最后从有消息、经济性等多个角度对其可能进行优化加以分析。希望通过文章的研究能够为今后的相关设计提供必要依据，也为国内外类似相关工程提供必要参考。