山东引黄工程沉沙池淤积特性计算分析

李云勋 林 晔 于晓龙

(1.水发规划设计有限公司，山东 济南 250100；2.山东黄河职工中等专业学校，山东 济南 250013；3.山东黄河河务局工程建设中心，山东 济南 250011)

山东是全国经济和农业大省，但人均水资源占有量却不到全国人均占有量的1/6。近年来，随着城市规模不断扩大、经济快速发展和人民生活水平逐步提高，城市用水量急剧上升。目前，供需水矛盾日益突出。限制地下水开采、开辟新的水源已成为当务之急。通过修建引黄供水工程，将有效地缓解地下水源不足、供需水日益突出的矛盾及地面沉陷问题，实现水资源的优化配置和高效利用。

黄河是多泥沙河流，在引调黄河水的同时也引进了大量泥沙，对引用高含沙水的泥沙处理通常采用条渠沉沙池、湖泊式沉沙池。条渠沉沙池在黄河引水工程中已有广泛运用，1952年在河南人民胜利渠引水最早运用，山东省引黄工程有潘庄、位山、苏泗庄等多处。

1 沉沙池主要型式

沉沙池是用以沉降挟沙水流中泥沙颗粒大于设计沉降粒径的悬移质泥沙，降低水流中含沙量的建筑物。沉沙池按其平面形态主要分为湖泊型和条渠型两种常见型式。条渠沉沙池是利用天然洼地、滩涂筑成的长度较长的宽浅土渠沉沙池，广泛应用于黄河下游河南、山东等地的引黄取水工程中；条渠沉沙池淤满后可还耕或清淤后可重复利用，也可应用于堤防淤培，使河流的水沙资源得到综合利用，实际运用效果较好。湖泊型沉沙池是利用周围地形、围堤和足够容量的场地对较大引水量进行蓄水沉沙的沉沙结构；湖泊型沉沙池需占用大量土地，适宜于低凹地带结合淤改洼地的需要。

2 沉沙池泥沙沉降与淤积形态分析

2.1 泥沙基本资料分析

以济南鹊山水库沉沙池为例。泥沙颗粒组成，选定近期实测悬移质泥沙多年平均颗粒级配，作为分析该工程引沙量的计算依据。泥沙粒径共分7组。水温采用泺口站各月平均水温的实测多年平均值，泥沙各粒径组沉速根据我国水温测验统一规定，粒径d≤0.1mm，呈滞性状态时，采用斯托克斯公式计算沉速：

μ=ρ′ν(ρ′为水的密度)

当泥沙粒径在0.15～1.5mm呈过渡状态时，采用冈查诺夫公式计算：

基本粒径组平均沉速采用其上下限粒径沉速的几何平均值：

泺口站水温、泥沙沉速、颗粒级配见表1。

表1 泺口站水温、泥沙沉速、粒径级配

引水含沙量采用泺口站多年平均月含沙量资料进行频率分析后的调整值，根据人民胜利渠及陈垓等引黄灌区实测资料采用沉沙渠浑水糙率，对比关系见表2。

表2 引水含沙量与沉沙渠糙率对比

由表2可见，浑水糙率与含沙量成反比。

2.2 泥沙沉降理论

沉沙池主要利用过流断面小、流速慢、水流挟沙能力低的特点，实现泥沙的沉降。目前计算水利工程沉沙池泥沙沉降的方法有准静水沉降法、沉降概率法及超饱和输沙法，超饱和输沙法分为一度流超饱和输沙法和二度流超饱和输沙法。二度流超饱和输沙法是根据均匀流扩散理论，在假设流速和扩散系数沿垂线方向为常数的前提下进行的，而沉沙池泥沙沿垂直分布为紊流且为不均匀流，故该计算方法存在一定缺陷。一度流超饱和输沙法是建立在泥沙连续方程基础上的一种计算方法，考虑了悬移质泥沙不平衡输沙和挟沙水流超饱特点。在我国多沙河流上的沉沙池的设计中，准净水沉降法和一度流超饱和输沙法被广泛采用。《水利水电工程沉沙池设计规范》(SL/T 269—2019)(以下简称《规范》)推荐的方法为一度流超饱和输沙法。在实际的设计工作中，沉沙计算采用超饱和输沙理论，经山东引黄灌区实测资料验证，计算结果与实测值也较为吻合。

一度流超饱和输沙法基本微分方程为

(1)

非均匀流时，式(1)的解为

(2)

均匀流时，式(1)的解为

(3)

以上式中s0、s0*——某计算段进口断面的平均含沙量和平均水流挟沙能力，kg/m3；

s、s*——某计算段出口断面的平均含沙量和平均水流挟沙能力，kg/m3；

α——综合系数；

ω——泥沙平均沉速，m/s；

x——计算池段长度，m；

q——计算段单宽流量，m3/(s·m)。

因沉沙池内流速甚小，水流挟沙能力可忽略不计，式(2)、式(3)可简化为

(4)

因水流含沙的不均匀性，计算时将泥沙分组，式(4)可写为

(5)

式中s0i、si——某计算段进、出口断面分组含沙量，kg/m3；

ωi——某粒径组泥沙平均沉速，m/s。

2.3 条渠各阶段淤积形态

从沉沙池进口到出口的沿程淤积物粒径变化来看，粗粒径组呈沿程减小，细颗粒组呈沿程增加，说明出池泥沙粒径较小，而淤积泥沙粒径较大。沉沙池运行就是沉粗排细的过程，运行中会优先沉积大颗粒的泥沙，小颗粒的泥沙随着时间的增加会慢慢逐渐沉积。

根据沉沙条渠淤积规律，沉沙池在运用过程中，淤积自上而下发展，淤积形态多呈三角洲分布，沉沙池首部因三角洲的推进，泥沙淤积较快，三角洲下游段泥沙淤积相对较慢。顶坡段形成自然比降，在淤积发展过程中，水流自然调整形成输水溜沟，维持一定过流能力，溜沟纵比降即是冲淤平衡比降。就三角洲以下淤积情况来说，在沉沙池运行的起始阶段，因沉沙池沿程水深增大，泥沙淤积深度沿程增加，三角洲以下泥沙淤积面高程基本接近水平，之后沉沙池淤积面基本平行抬高(见图1)。

图1 鹊山水库沉沙池淤积形态纵剖面

3 出池含沙量控制

《水利水电工程沉沙池设计规范》(SL/T 269—2019)规定，由河流取水的工业和城市供水工程直接向下级水处理厂供水时，供水工程沉沙池出池含沙量及设计最小沉降粒径应满足下级水处理厂的入池要求；通过调蓄水库(池)供水时，应满足下级调蓄水库(池)的入库(池)要求。根据山东黄河引黄供水工程要求，同时考虑水库的二次沉淀作用，出条渠口含沙量的控制标准为：非汛期不超过2kg/m3，汛期不超过2.5kg/m3。山东黄河引黄灌区沉沙池出口粒径宜控制在0.025～0.03mm以内。

4 沉沙池的运用方式

在沉沙池规划与设计过程中，一般规划两个或两个以上条渠型沉沙池。当老条渠型沉沙池达到使用年限而启用新条渠型沉沙池时，先在老条渠型沉沙池的中段破口，由其中段口门放水进入新条渠型沉沙池，这样使老条渠型沉沙池上段沉积的粗泥沙能够冲到新条渠型沉沙池的下段淤积。为了满足条渠型沉沙池多沉沙的要求，通常通过条渠型沉沙池的末端闸门来调节水位。在条渠型沉沙池的使用中期，降低尾水位形成溯源冲刷，则可以把上段较粗的淤沙带到下段；使用到后期水位壅高，沉沙池内便能够达到淤平和淤细的效果。沉沙池调控主要是指沉沙池出口水位的控制，水沙调控受进口水沙条件，沉沙池过流断面形态、沉沙池长度，沉沙池糙率，水温、泥沙沉降特性以及泥沙颗粒分组成等多种因素制约和影响，如何通过控制出口水位来达到沉粗排细的目的是水沙调控的关键。

随着条渠型沉沙池的运行，落淤量不断增加，当条渠型沉沙池进口的实际水位达到控制水位时，表明该条渠型沉沙池正常运行周期结束，需要进行清淤或使用另一沉沙池。沉沙池的使用年限可根据不同的用途做出相应的规划。灌溉和工农业用水的沉沙池，要求使用年限长，因此就要尽量把细沙送往田间或下游，池内只沉粗沙。在有条件退水退沙的地方，可采用冲洗的办法，定期放大水，降低尾水位，将沉沙池内淤积物排出，以恢复沉沙库容，继续沉沙。

5 结 语

作为以黄河为供水水源的山东引黄工程，充分发挥沉沙池的作用是延长引黄水库使用寿命、发挥水库效益的重要因素。因此，沉沙池设计应充分考虑黄河泥沙情况及水库运行边界条件，以此提出合理的设计运行方案。