大型调蓄沉淀池设计要点分析

冯 臻，丁晓军

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830002）

0 引言

调蓄池能将河道径流的高峰流量暂存其内,在干旱期能够保障河道水量,也可消减洪峰流量[1]。在缺水地区,河道来水枯竭、断流,因此为了满足区域用水需求,修建调蓄池进行用水调节是必要的。本文结合新疆某灌区水利工程调节沉砂池,细化大型调蓄池设计思路和要点,保证调蓄水量能够满足区域供水的需要。

1 工程概况

根据灌区工程总体规划布置方案,灌区灌溉面积9万亩,调节沉沙池的设计总库容2305 万m3,综合分析工程属Ⅲ等中型工程。本工程大坝、库盘防渗、放水涵洞、库内渠为主要建筑物,级别为3 级。调节沉沙池引水口布置在惠海三级电站尾水渠投入西岸干渠断面下游后接引水渠及入库陡坡,引水进入调节池。调节沉沙池承担灌溉及工业供水的任务,灌溉流量及工业供水流量为4.3 m3/s,加大流量为5.3 m3/s。

2 设计要点

2.1 泥沙沉淀淤积

调节沉沙池引蓄车尔臣河水,调节下游灌区用水,调节沉沙池的泥沙淤积主要来源有两部分,一部分为车尔臣河水携带泥沙入库,另一部分为风沙降尘入库。

2.1.1 引水携带泥沙入库

（1）入库水量及含沙量

调节沉沙池为引水注入式水库,由电站尾水渠引水,电站为第一分水枢纽下游的六座梯级电站中最末一座,考虑电站系统的沉沙作用,本阶段调节沉沙池仅考虑粒径小于0.1 mm的悬移质泥沙入库,悬移质泥沙容重取1.3 t/m3。调节沉沙池泥沙冲淤计算采用一维悬移质不平衡输沙数学模型,计算方法为不平衡有限差分法。

调节沉沙池水位变化较大,计算时段步长和水位根据调节沉沙池径流调节成果按月初步划分,为避免相邻时段过长和相邻水位变化过大而引起的断面变化,以水位变化0.1 m为一个单位进行水位内插,根据划分的水位步长再细分时段步长。

（2）调节沉沙池淤积纵断形态

调节沉沙池淤积纵断面见图1。从图1 中可以看出：调节沉沙池在死水位以上淤积形态为带状,死水位以下淤积形态为锥体。当调节沉沙池运行30 年时,闸前淤积高程为1388.0 m,当运行50 年时,闸前淤积高程为1388.5 m。

图1 调节沉沙池淤积纵断面图

（3）调节沉沙池冲淤排沙变化

根据调节沉沙池引水过程可知,因汛期引水量比重较大,携带泥沙入库量较多。沉沙池在正常蓄水位的回水长度约为1.5 km,小于0.005 mm的细颗粒泥沙由于泥速降慢,容易随泄流排出池外,根据淤积计算分析,调节沉沙池运行第30 年时,排沙比为30.4%。

（4）调节沉沙池库容变化

根据泥沙淤积计算可知,入库泥沙主要在调节沉沙池的后部淤积,调节沉沙池不同淤积水平年库容见表1,不同淤积水平年库容曲线见图2。

表1 调节沉沙池不同年限库容淤积情况

调节沉沙池运行30年时,剩余死库容69.5×104m3,死库容淤积量占死库容的61.2%,剩余调节库容1842.2×104m3,调节库容淤积量占调节库容的13.4%。

2.1.2 降尘入库

拟建调节沉沙池位于沙漠边缘,根据当地沙尘天气及灌区水库沉沙经验,每年降尘厚度按照8 mm考虑,按照运行期30 年计算,调节沉沙池库盘内共降尘50.4万m3,按不同水位对应面积分摊,死库容内降尘20.7万m3,兴利库容内降尘29.7 万 m3。

2.2 池线选择

推荐下池址位于车尔臣河左岸山前倾斜冲洪积扇下游,为洪积倾斜戈壁平原,库坝区地形开阔略有起伏,总体地势南高北低,地面纵坡约1.1%,调节沉沙池坝线布置基本不受约束。本次设计调节沉沙池利用自然地形纵坡,在池址区初步拟定三面围坝方案及四面围坝方案进行坝线方案比选。

2.2.1 三面围坝坝线方案比选

调节沉沙池需避开洪沟区、风积沙区、文物核心区,高程需满足自压灌溉的要求,调节沉沙池水面不低于1352 m。引水渠由西岸干渠18+833 处设置引水闸引水至调节沉沙池,调节沉沙池水面不高于1446.53 m,因此调节沉沙池坝线布置在推荐池址范围内尽量靠近东侧和南侧,见图3。按照不同坝高,高差约2 m,共布置了四个三面围坝的方案,布置见图4。

图3 调节沉沙池池址示意图

图4 调节沉沙池坝线比选（三面围坝方案）

从表2比选结果可知,库盘越小,坝高越高,投资越经济。从方案一至方案四可知,坝高增加量为1.7 m、2.1 m、3.1 m,库盘面积减少量为32.4 万m2、25.2 万m2、45.8万m2,投资减少量为3845 万元、1223.2 万元、317.4 万元,投资减少量越来越小。从坝线布置来看,逐渐由接近方形变成长方形,深水区坝长（北坝）越来越短,浅水区坝长（东、西坝）越来越长,三面围坝库盘减少从而减少投资的优势越来越不明显。

根据大多数平原水库的布置方案,近似于圆形的坝线布置最为经济,因此综合确定选择北坝长度较为适中的方案二的库盘布置及坝高,在此基础上布置四面围坝方案,各方案的特性参数见表2。

表2 三面围坝各方案经济指标对比表

2.2.2 四面围坝方案与三面围坝方案比较

采用四面围坝方案,在三面围坝方案二的基础上,由南侧布置一道大坝,减少库盘,降低投资,由此布置四面围坝。

（1）占地情况

两个方案库盘面积越大,占地面积越大,由于只有场外总干排和干排涉及灌木林,其余部分均为沙地不计补偿,因此两个方案均无占地补偿费用。

（2）对环境的影响

两个方案库盘的占地面积较大,施工过程对环境的影响范围较大,因此应选择投资经济,占地面积小的坝线布置方案。

（3）施工方面

两个方案坝高相差较小,三面围坝库盘面积大、四面围坝坝线长,两个方案施工难度相差较小。

（4）蒸发量计算

四面围坝方案比三面围坝方案蒸发量减少了69.36万m3,当地现状农业灌溉水价为0.257 元/m3,工业用水水价为2.5元/m3,转化为农业效益增加投资约17.82 万元,转化为工业效益增加投资约174.3 万元。

（5）投资方面

库盘投资73.37 万元/万m2,大坝投资25.54 万元/万m3,库盘投资对调节沉沙池的投资影响较大,四面围坝方案一比三面围坝方案二投资减少3368 万元。

（6）综合比选

三面围坝方案二可利用南侧地面高程挡水,坝线长度较短,坝体工程量较小,但是库盘防渗面积较四面围坝方案大,库盘防渗投资增量远远大于大坝填高投资增量,因此三面围坝的投资较高。同时,因库盘面积大蒸发量大、施工扰动面积大,对环境的影响较大。综合比较可知,四面围坝方案优于三面围坝方案。

2.3 防渗方案

调节沉沙池全库盘面积196万m2,对库盘进行开挖,开挖砂砾石料用于大坝填筑,粉土质砂料用于库盘垫层,弃料堆于大坝坝后。池盘开挖采用变坡开挖,根据地形总体坡度,南北向自南坝坡脚30 m外设计采用1/62 坡比接水平坡度开挖,斜坡段投影长度967 m,池盘东西向水平开挖；调节沉沙池大坝坡脚30 m外与库盘设计面采用1∶20斜坡连接,池盘最大开挖深度5.5 m。库盘采用全库盘防渗,防渗面积196万m2,采用复合土工膜防渗（即无纺布400 g/m2,+一布一膜0.6 mm/400 g）,土工膜上、下分别设置15 cm砂垫层,防渗膜上覆土厚度为0.5 m。

根据分离式砼板面砂砾石坝规范,主堆石区砂砾石小于5 mm的颗粒含量不易超过20%,C1 料场内砂砾石小于5 mm的颗粒含量为20%,砂砾石料不满足分离式砼板面砂砾石坝的填筑要求。C1 料场内砂砾石满足土工膜斜墙防渗砂砾石坝的填筑要求。

新疆土石坝施工技术成熟,难度较低,质量易保证,施工期灵活,有利于工程早日发挥效益。在新疆类似的平原水库工程建设中,土工膜斜墙防渗是成功可靠的。因此综上所述,从技术、经济上考虑,本次设计坝型采用土工膜斜墙防渗砂砾石坝。

3 结语

大型调蓄水池在发挥径流调蓄作用时往往受泥沙淤积、渗漏损失及围坝方案困扰,本文结合新疆某灌区水利工程调节沉砂池设计实例,系统分析梳理了调蓄池的设计要点,可为工程设计人员提供参考。