尊村引黄沉沙池改造方案探讨

许盼盼

(运城市尊村引黄灌溉服务中心，山西 运城 044000)

沉沙池指的是去除水中自重较大、能自然沉降的较大粒径砂粒或颗粒的构筑物。一般设于泵站、倒虹管前，以便减轻无机颗粒对水泵、管道的磨损；也设于初次沉淀池前，以减轻沉淀池负荷，以及改善污泥处理构筑物的处理条件[1]。现阶段对于沉沙池的研究主要集中在淤沙工程实例方面，针对解决排沙问题的研究较少，且沉沙池的设计易受地形，地质和经济等多种因素影响，还需要不同的工程实例以增加人们对沉沙池的认识，为其推广应用提供可靠的参考数据[2]。

1 工程概况

尊村灌区于2003年修建了湖泊形沉沙池，占地66.67 hm2，容积290万m3，运行初期沉沙效果较好，经过十余年运行，现池内淤积量已达80%左右，沉沙效果已不明显，已达不到原设计沉沙能力，现急需对其清淤改造[3]。针对灌区沉沙池存在的问题，本次只需要对原沉沙池作较小改造，具有结构简单、占地少、不需要专门场地，可随时适应水量，对排沙地形条件适应性好，排沙效率高，维护管理简便，运行成本低等优点。

黄河为多泥沙河道，距离灌区枢纽一级站较近的是夹马口一级站和上源头水文站，但这两个站仅有20世纪60～70年代不连续的泥沙观测资料，距今时间较久远，与现阶段水沙现状可比性较差。近年来，黄河干流天然来水量有所减小，同期天然来沙量减幅更大，这与流域水土保持工作的积极开展有着密不可分的关系，未来依然会保持这种趋势。

本次选取现状2001—2016年龙门站实测资料系列分析，未来引黄进入沉沙池的水流多年平均含沙量为7.24 kg/m3。该处已建的沉沙池在多年运行后，现淤积量已达80%左右，不能正常发挥功能，本次提升改造计划将部分淤积沙土清除。

2 沉沙池方案及布置情况

2.1 改造方案

尊村灌区产生泥沙淤积的问题主要集中在三个方面：一是引水调度和引水口设置不合理，引沙量大。二是沉沙池淤积严重难以发挥作用。三是长期小流量运行，输沙能力不足。针对上述问题，提出引水减沙措施、沉沙池修复和引水输沙优化调度三项技术工程措施，并探索市场机制，开展市场用沙[3]。

2.2 沉沙池平面布置

原沉沙池为湖泊型，形状呈“梯形”，运行初期沉沙效果较好，经过十余年运行，淤积量现已达80%左右。如果继续采用湖泊型沉沙池方案，就需要通过征地新建沉沙池或将沉沙池淤沙全部挖出并外运，需新增占地，投资费用较高，现阶段实施难度较大。

根据《水利水电工程沉沙池设计规范》(SL/T 269—2019)[4]，条渠沉沙池布置宜符合以下原则：进口段前宜设置进水闸，与引水渠道相连接。进口段宜采用逐渐扩散型式布置，使进入工作段水流流速均匀分布。出口段宜采用收缩型式布置，尾部不宜过窄，以利后期沉沙。出口宜设置节制闸或其他壅水建筑物。

通过对沉沙池的清淤方式以及运行管理方法等各方面因素综合考虑，提出了开挖两沉沙条渠方案[5]，以满足形成水面景观的需求；考虑到两条渠同时运行中可能存在因挖泥船吃水深度不足，无法进行清淤时，也可以通过两条渠淤积高度变化的差异，形成封堵，以实现两条渠交替运行，保证灌区正常持久运行。

2.3 沉沙条渠断面设计

(1)条渠断面设计。依据规范SL/T 269—2019，初选条渠工作深度2.0～3.5 m，断面平均流速 0.2～0.4 m/s，已知沉沙池设计流量为24 m3/s。初算条渠沉沙池工作宽度为60 m。考虑干渠的水流挟沙能力，0.05 mm 及以上粒径的泥沙需在沉沙池基本沉降完，则设计 0.05 mm及以上粒径的泥沙沉降率大于95%。

由于沉沙池长度的限制，经计算确定了两条沉沙条渠的最大底宽和长度分别为宽80 m、长 1310 m和宽 144 m、长 570 m，其中沉沙池进口到两条沉沙条渠的扩散区长度为200 m，最大宽度 200 m。现设计从渠底到渠底以上2 m边坡为 1∶3，2 m 以上边坡为1∶5，总深度 3.9 m。沉沙池横断面见图1。

图1 沉沙池横断面图(单位：m)

(2)泥沙沉降设计。根据规范SL/T 269—2019中的泥沙沉降计算方法进行泥沙沉降计算。

由于细颗粒泥沙极容易发生絮凝现象，并且传统测量方法测量范围和精度有限，随着现代技术的发展，可以利用高精度仪器记录细颗粒泥沙的沉降过程,随后对图像进行分析、计算得到泥沙的沉降沉速。

3 沉沙条渠疏浚方案比选及设计

3.1 沉沙条渠疏浚方案

(1)沉沙池扩散区清淤方案。为了保证灌区的正常持久运行，应根据沉沙池淤积的情况，进行清淤工作。设计沉沙条渠断面时，沉沙池进口下游(0+20.0～0+200.0)的扩散区的底高程低于进水闸底板高程0.8 m。在设计流量下，运行13 d，扩散区淤积平均厚度达到0.8 m，淤积量4.37万m3，总淤积量约13万m3，需要进行清淤工作。

(2)沉沙条渠疏浚方案比选和设计。对于灌区沉沙池的清淤方式一般都是采用放干沉沙池使用挖掘机械清淤或者使用绞吸式挖泥船进行水下清淤，但是淤积泥沙的运输问题一直没有很好的解决方案[6]。

所以，本文根据已广泛运用于矿粉矿渣输送领域的管道水力输送技术，提出了适用于本工程的管道水力输沙方案。

管道水力输送的优点在于：①可进行不间断运输，不考虑返程问题，工作效率高。②初期投资少，建设工期短。③运输路线较易选择，拐弯绕道情况较少，受天然地形地貌影响较小。

管道水力输送的局限性在于：①沿途地区无法实现同步输送功能。②需要水为载体，无水源保证的地域受限较大。③输送过程容易造成部分物料碎化现象，使最终脱水难度加大。

3.2 水泵扬程确定

查阅《水泵产品目录》中的参数表，选取泥浆泵型号为 YNB-300/50，配套电机功率为 110 kW。目前国内常用的挖泥船主要有水动力式的耙吸式挖泥船和绞吸式挖泥船等[6]，两者都可以形成高浓度泥浆，但由于耙吸式挖泥船自带装运仓，船体吃水深度一般在3～4 m，并不适合在本工程中使用，而绞吸式挖泥船吃水深度一般在1 m左右，最大挖深在5～6 m左右，成浆浓度一般在10%～30%，可以满足本工程的使用需求[7]。

3.3 沉沙条渠及沙堆边坡稳定分析

(1)典型边坡选取。沉沙条渠开挖边坡为1∶3～1∶5；堆沙体边坡为1∶3，各选取一个典型断面进行计算，计算范围从坡脚向上下游各延伸1.5～2倍坡高。沉沙条渠和堆沙体典型边坡分别见图2和3。

图2 沉沙条渠典型边坡(单位：m)

图3 堆沙体典型边坡(单位：mm)

(2)土性参数。沉沙池内淤积物的主要成分为粉细砂和粉质黏土，根据沉沙池淤积物的实测资料和工程类比给出沉沙池淤积物的物理力学参数：天然密度1.45～1.50 g/cm3，承载力70～90 kPa，变形模量3～5 MPa，抗剪强度黏聚力取15 kPa 、内摩擦角15°～20°。本次计算，堆积体和基础的C、Φ等物理力学指标选取值见表2[8-9]。

表1 淤沙的物理力学指标建议值

(3)稳定计算方法。参照《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2020)推荐的毕肖普法进行计算。

(4)稳定计算结果。根据规范SL 274—2020，确定边坡的允许最小安全系数。正常运用条件下以及工程等级为3的情况下，最小安全系数为1.30，工程等级为4、5的情况下，最小安全系数为1.25。根据以上所述的设计标准，对所选取的典型断面进行边坡稳定分析。稳定计算结果见表2[10]。

表2 稳定计算结果

由以上计算分析可知，沉沙条渠和堆沙体边坡的设计满足稳定要求。

4 结 语

本文从灌区沉沙池具体问题出发，以尊村引黄灌区为例，针对尊村灌区泥沙淤积问题，提出选用管道水力输沙方案的改造方案，延长了沉沙池的使用寿命，采用技术成熟、排沙可靠、结构简单，管理方便可靠，对周围环境影响也较小。同时也能提高灌区的灌溉保证率，提升了灌区用水调度、决策和管理水平，确定了沉沙池方案及规模，并提出了沉沙池泥沙处理方案。鉴于泥沙淤积问题的复杂性，还应加强观测，不断完善运行方式，为工程的高效输水提供保障。