沉沙池結(jié)構(gòu)型式的選取方法

洪振國，洪振權(quán)

（1.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南昆明650021；2.中國水電十四工程局，云南昆明650021）

沉沙池結(jié)構(gòu)型式的選取方法

洪振國1，洪振權(quán)2

（1.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南昆明650021；2.中國水電十四工程局，云南昆明650021）

沉沙池結(jié)構(gòu)型式的選取對其運行效果有非常關(guān)鍵的影響，因此合理選擇沉沙池結(jié)構(gòu)型式在設(shè)計中非常重要。本文對直線形、曲線形、旋流式（圓筒式）、斜板式、湖泊式、續(xù)沖洗式、定期沖洗式沉沙池、沉沙條渠八種結(jié)構(gòu)型式的沉砂池工作原理、適用條件和優(yōu)缺點進行了詳細闡述，并結(jié)合工程實例和實踐經(jīng)驗，闡明選取合理的沉沙池結(jié)構(gòu)型式的方法。具有一定的實用價值。

沉沙池；結(jié)構(gòu)型式；應(yīng)用

在無調(diào)節(jié)的多泥沙河流引水，為了防止水中有害的或過多的泥沙進入渠道，減少渠道淤積或水輪機、水泵的磨損，常修建設(shè)計沉沙池。在沉沙池設(shè)計中選取恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)型式沉沙池對運行效果的好壞起到關(guān)鍵作用。

1 沉沙池的分類

沉沙池按其平面形態(tài)大體可分為直線形沉沙池、曲線形沉沙池、沉沙條渠、旋流式（圓筒式）沉沙池、斜板式沉沙池及湖泊式沉沙池。沉沙池按照沖沙方式不同，可分為連續(xù)沖洗式沉沙池和定期沖洗式沉沙池，下面分別介紹如下：

1.1 直線形沉沙池

直線形沉沙池可分為單室、單室?guī)?cè)渠的、雙室和多室四種，一般多為單室和雙室，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 直線形沉沙池平面示意圖

單室沉沙池結(jié)構(gòu)最簡單，沉沙和沖沙交替進行。沖洗時須將上部閘孔關(guān)閉，停止向渠道供水。當(dāng)供水流量較大時，單室沉沙池尺寸大，沖洗時間長，沖洗效果也不理想。故一般當(dāng)供水流量大于15～20m3/s時，可采用雙室或多室沉沙池。

單室?guī)?cè)渠的沉沙池特點是，沖洗時可由側(cè)渠供水，不致于中斷灌區(qū)用水；其缺點是，水流含沙量較大。為了減少入渠的泥沙，應(yīng)盡可能在需水量最小時沖洗。

雙室沉沙池的設(shè)計一般有兩種情況，第一種情況是，沉沙池中每個沉沙室都通過總干渠的全部流量，以保證沉沙池在任何時候都能沖洗和供水；第二種情況是，沉沙池的每個沉沙室只通過總干渠流量的一半，當(dāng)其中一個沉沙室沖洗時，另一個沉沙室則通過超額流量，這時沉沙池沖洗時間必須選在灌區(qū)需水量最小時進行。

多室沉沙池的每室過流量，可按每室平分總量來考慮，當(dāng)一室沖洗時，其余各室通過全部流量。多室沉沙室不僅可連續(xù)供水，而且沖沙時所需流量較少。

為節(jié)約投資，雙室或多室沉沙池在一廂沖沙時，其余各室通過的流量也可按每室平分總量來考慮。這樣做可有效減小沉沙池的寬度，而且沖沙時也不間斷供水。

1.2 曲線形沉沙池

山溪性河流水流湍急，推移質(zhì)較多，在取水工程中，一般常用曲線沉沙池對引水進口的推移質(zhì)泥沙進行二級排沙處理。在新疆多底沙的山溪性河流上修建彎道式引水樞紐時，一般均建有曲線形沉沙池，結(jié)構(gòu)見圖2。

曲線形沉沙池，其池廂平面形狀為一條具有近90°轉(zhuǎn)角的彎曲渠段，利用彎道水流的橫向環(huán)流原理，連續(xù)不斷地將推移質(zhì)輸向凸岸，通過凸岸一側(cè)布置的沖沙設(shè)施將泥沙排出。曲線形沉沙池比直線形沉沙池有優(yōu)越性，它不僅結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，施工方便，還可防止推移質(zhì)泥沙入渠，保證正常引水，提高引水比和延長渠首的使用壽命。曲線形沉沙池的廂內(nèi)流速與其它類型沉沙池相比，其數(shù)值較大（大于0.7m/s），適宜在山區(qū)或谷口河段處理中、粗粒徑的泥沙和小礫石。

圖2 曲線形沉沙池平面示意圖

1.3 沉沙條渠

沉沙條渠是利用天然洼地沉沙的帶形或棱形渠道，在黃河下游河南、山東等省的黃河兩岸運用較多，結(jié)構(gòu)見圖3。

沉沙條渠的池廂平面形狀為一大的湖泊或為一狹長形渠段，其池廂長度比其它類型池廂長得多，它不僅能沉粗、中粒徑的泥沙，而且特別能沉淀部分細泥沙，故適用于平原多泥沙河流的灌溉渠系。這種沉沙條渠沉沙均勻，效果良好。廣泛應(yīng)用于黃河下游引黃灌溉的取水工程中。它是利用背河的天然洼地作為沉沙區(qū)，在沉沙區(qū)內(nèi)用圍堤和格堤分成若干個條渠，每一條渠淤滿后，即可用來耕種。因此，它把放淤改土、淤滿種稻、改良沙荒鹽堿地以及淤背固堤等結(jié)合起來，使河流的水沙資源得到綜合利用。

圖3 沉沙條渠平面示意圖

1.4 旋流式（圓筒式）沉沙池

旋流式沉沙池是利用引水道來的水流在圓筒中形成旋流（立軸旋流）產(chǎn)生的環(huán)流力與水面差（壓差）使泥沙向中心運動，最后通過在圓筒中心底設(shè)置的排沙底孔排除，結(jié)構(gòu)見圖4。

云南省鎮(zhèn)雄縣天生橋電站的沉沙池，就是因場地限制采用旋流式沉沙池，將進入電站取水口的有害粒徑進行重力分離并排往暗河。

圖4 旋流式沉沙池平面示意圖

1.5 斜板式沉沙池

斜板式沉沙池由平流段與斜板區(qū)兩部分組成。平流段起整流與預(yù)沉作用，斜板區(qū)為主要沉沙區(qū)。結(jié)構(gòu)見圖5。

斜板式沉沙池是由許多與水平面成一定傾角（一般60°左右）的斜板組成。按沉沙池中水流方向可分為三種：即上向流—水流自下向上流動；平向流—水流沿水平向流動；下向流—水流自上向下流動。在斜板沉沙池運行過程中，泥沙顆粒將沉于斜板上，當(dāng)泥沙顆粒累積到一定程度，便會自動下滑到池底，再由排沙系統(tǒng)排出池外。

斜板式沉沙池的特點是沉沙效率較高，占地面積小，尤其是城市工業(yè)供水的小型沉沙池采用得較多，多用于少沙水流。近年來，在水利水電工程中，也逐步開始采用。到20世紀90年代中期，首次將斜板式沉沙池應(yīng)用于高含沙量而且流量不大的黃河中、下游區(qū)，如禹門口提水工程沉沙池。

圖5 斜板式沉沙池平面示意圖

1.6 湖泊式沉沙池

在黃河下游當(dāng)引水量較大時，常需要足夠容量的沉沙場所，它要求能利用周圍地形、場地和圍堤，以便蓄水沉沙，這就形成了湖泊式沉沙池。其優(yōu)點是施工快，投資少，沉沙效率可達40%～65%以上，出池泥沙粒徑可小于0.03m m，結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 湖泊式沉沙池平面示意圖

1.7 連續(xù)沖洗式沉沙池

連續(xù)沖洗式沉沙池的特點是沉沙、沖沙及供水可同時進行。連續(xù)沖洗式沉沙池中的泥沙沿著沉沙池底部的橫向斜坡進入縱向沖沙道，然后調(diào)節(jié)沖沙道閘門將泥沙由泄水渠排至下游河道。沖沙道的頂部設(shè)有帶孔的水平蓋板，將沉沙池內(nèi)具有小流速的水流與沖沙道內(nèi)較大流速的水流分開，以便造成足以沖走沖沙道內(nèi)泥沙的流速，并能利用較小的流量輸送泥沙。因此在沉沙池內(nèi)不會形成泥沙的沉積，泥漿不斷的隨水沖洗出去，水流的含泥量比間斷沖洗的小很多，在排沙道出口砂堆形成的很慢，這就有可能在洪水時，將砂堆沖去，結(jié)構(gòu)見圖7。

對于地形狹窄的地方，水流含沙量較多，泥沙粒徑較粗且有足夠流量可滿足連續(xù)沖沙并具備運行管理經(jīng)驗的電站，建議優(yōu)先用連續(xù)沖洗式沉沙池，這樣對供水和發(fā)電不會造成影響。

圖7 連續(xù)沖洗式沉沙池平面示意圖

1.8 定期沖洗式沉沙池

定期沖洗式沉沙池工作一段時間后，池內(nèi)泥沙淤積厚度逐漸加大，過水?dāng)嗝嬷饾u減小，流速漸增，有可能將推移質(zhì)泥沙帶進下游渠道，當(dāng)出池含沙量達不到設(shè)計標準時，就必須停止供水，進行沖沙，結(jié)構(gòu)見圖8。

定期沖洗式沉沙池的沖洗過程分為泄空沖洗、溯源沖洗和沿程沖洗三個過程。

沖洗前，將沉沙池進出口閘關(guān)閉，在沉沙池畜水的情況下測量淤積體形態(tài)后，開啟沖沙閘門進行泄空沖洗，池內(nèi)部分泥沙尚未充分濃縮固結(jié)，利用池內(nèi)水位快速下降而使部分淤積泥沙被沖刷下泄，最終被泄空水流挾帶出池，直至水體泄空出露新的洲面。泄空沖洗的特點是發(fā)展速度快、強度大，可在較短時間內(nèi)將池內(nèi)部分淤積干密度較小（這部分泥沙大多集中在池末端）的泥沙排出池外。泄空過程中，排沙含沙量一般是由小變大，即開始泄空時，出池含沙量較小，隨著沖刷的發(fā)展，出池含沙量逐漸增大，當(dāng)水位降到接近淤沙面時，出池含沙量最大。這時再開啟進水口閘門至一定值，使沖洗流量固定，同時全開沉沙池沖沙閘，開始計時，池內(nèi)蓄水緩緩降落至沖沙道進口出現(xiàn)明流時，池中水位在此突然跌落，溯源沖刷即開始，溯源沖洗沿著新的洲面從下游至上游的水面線出現(xiàn)明顯折坡點，水面有較大跌落，繼而此跌落逆流而上，迅速發(fā)展，根據(jù)水面坡折點上溯的位置，測量各斷面的水位、床面變化和取沖沙道流出的水樣并記錄時間。折坡點上游后坡的水面比降小于池底比降，遠離折點的上游洲面變化較小；折坡點下游坡陡流急，發(fā)生強烈沖刷，使折點位置不斷向上游發(fā)展，三角洲面徐徐降低，最終淤沙洲面不斷切割調(diào)平至前后坡趨于一致，即標志著由下而上的溯源沖洗轉(zhuǎn)變?yōu)橛缮隙碌难爻虥_洗。由于該沉沙池底坡較大，因而，依靠湍急水流沖擊淤積體，在頂沖處產(chǎn)生水脊拋起淤沙隨水流挾往下游，達到清洗的目的。對水脊下移位置進行沿程沖刷的上述內(nèi)容進行量測記錄，試驗持續(xù)進行到沉沙池基本清洗完為止。

水利水電工程沉沙池設(shè)計規(guī)范指出，定期沖洗式沉沙池和連續(xù)沖洗式沉沙池相比具有運行可靠、結(jié)構(gòu)簡單、便于施工等特點，所以在地形開闊的地方應(yīng)優(yōu)先考慮使用。

但是，間斷沖洗的沉沙池和連續(xù)沖洗的沉沙池相比具有較大的尺寸，雖然構(gòu)造簡單但沉淀泥沙的斗槽容量很快被泥沙淤滿，為了清除泥沙就需要經(jīng)常沖洗，而且沖洗歷時長，耗水量大。沖洗時對供水或發(fā)電會造成不利影響，在使用上不如連續(xù)沖洗沉沙池簡單，而且定期沖洗式沉沙池的泥沙排泄對環(huán)境有影響，在排沙道出口處可能形成沙堆，使沉沙池的繼續(xù)沖洗發(fā)生困難。特別是在洪水時期，由于沉沙池內(nèi)泥沙沉積很快，要經(jīng)常沖洗，這樣就使得沉沙池的使用復(fù)雜化。

圖8 定期沖洗式沉沙池平面示意圖

2 工程實例

六合水電站位于云南省鶴慶縣東南面六合鄉(xiāng)河尾村附近的漾弓江下游峽谷河段。六合水電站裝機規(guī)模為2×15m w，額定水頭235m，引用流量14.48m3/s，是一座以發(fā)電為單一任務(wù)徑流式電站。六合水電站工程規(guī)模為小（1）型，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物按4級設(shè)計，次要建筑物按5級設(shè)計，臨時建筑物按5級建筑物設(shè)計。工程樞紐由攔河滾水壩、沉沙池、引水隧洞、前池、壓力鋼管道、電站廠房組成及升壓站組成。

六合水電站水輪機額定水頭Hr=235m，過機多年平均含沙量Sp=1600g/m3，按照《水利水電工程沉沙池設(shè)計規(guī)范》設(shè)置沉沙池的初步判別條件知，水輪機額定水頭與過機多年平均含沙量的交點處于C區(qū)，宜設(shè)置沉沙池。

六合水電站的沉沙池受地形條件限制，考慮了3種結(jié)構(gòu)型式：（1）雙廂定期沖洗式沉沙池。雙廂型式可一室沖洗，一室供水，但隧洞和取水口之間距離短，沉沙池的設(shè)計長度受限，聯(lián)接段和閘室段布置困難，沉沙效果將得不到滿足；（2）單廂定期沖洗式沉沙池。雖然寬度可以縮窄些，但長度仍難于滿足沉沙要求。沉沙池沖沙時，水從旁側(cè)渠道不經(jīng)沉沙池直接進入引水道，水質(zhì)達不到要求；（3）連續(xù)沖洗式沉沙池。這種結(jié)構(gòu)型式上游聯(lián)接段不設(shè)閘門，加設(shè)配水墩縮短上游聯(lián)接段。下游聯(lián)接段不設(shè)閘門，只在沖沙道匯合后設(shè)一道沖沙閘，長度可縮短，這就避免了地形條件的限制。

3 實踐經(jīng)驗

（1）水電工程沉沙池宜采用定期沖洗式或連續(xù)沖洗式沉沙池，沉沙池的布置由地形、地質(zhì)、沖沙水頭等條件以及和各建筑物之間的關(guān)系來確定。若地形開闊，宜選用定期沖洗式沉沙池；地形狹窄，宜選用連續(xù)沖洗式沉沙池。

（2）沉沙池軸線宜與其進口前的引渠軸線重合，這樣可避免水流偏斜使沉沙池之間的流量分配不均勻，從而造成沉沙池內(nèi)形成減速區(qū)及死水區(qū)。

（3）沉沙池的進口水流須平順，流速要分布均勻，且不可形成回流或集中的底流，以免影響泥沙正常沉淀，為達到此目的，應(yīng)使沉沙池進口渠道、進出口為直線，引入水流應(yīng)平行于沉沙池軸線。一般沉沙池的進出口用漸變段與上下游渠道采用對稱擴散型式時，單側(cè)擴散角或收縮角不宜大于12°，以此確定擴散段和收縮段的長度。采用非對稱擴散時，兩側(cè)擴散角不宜大于24°。當(dāng)接近或大于上述角度時，應(yīng)采取工程措施，加設(shè)配水墩，整流柵防止渦流和泥沙淤積發(fā)生。

（4）沉沙池聯(lián)接段底板與工作段底板應(yīng)以豎橫比緩于1∶4的斜坡聯(lián)接，使水流均勻擴散。

（5）沉沙池設(shè)計中以不同水深、寬度、長度的組合，均可得到滿足設(shè)計要求的沉降率，但是寬深比過大，會使水流不均勻，沖沙單寬流量過小，池底泥沙淤積易形成灘槽，沉沙效果明顯降低。因此，沉沙池的寬度不宜過大，最好不超過沉沙池工作長度10～20%，否則流速太小使沉沙效率過高而減少沉沙池的使用壽命，同時還可能使橫向落淤不均勻而影響沉沙池的運用效果。水電工程沉沙池的工作段寬深比不宜大于4.5。沉沙池的工作水深應(yīng)盡可能淺些，這樣豎向沉距小，常可大大提高沉降率，降低造價。總之，在設(shè)計沉沙池時要注意沉沙池的長度和寬度要相適應(yīng)，長度偏短沉沙效率達不到要求，而過長時沉沙池下段落淤量很少，有效容積不能充分利用。

（6）沉沙池的橫斷面為便于沖沙及節(jié)水而把底部（1m左右高）收縮成梯形，但其邊坡不宜緩于1∶0.1，否則坡上淤沙不易沖洗。

（7）沖沙廊道設(shè)于沉沙池尾部，沖沙廊道底坡大于沉沙池底坡，其末端應(yīng)與河道有一定的跌差，這樣，沉沙池沖洗較順利，且沉沙池可保持較長壽命。一般沖沙閘進口明流為好，這樣閘前沉沙池中水深較淺，淤沙易沖除。

（8）在沉沙池工作段、引渠或輸水道適當(dāng)部位設(shè)置旁側(cè)溢流堰，通常設(shè)在沉沙池尾部，目的在于宣泄進水口閘門操作不當(dāng)及機組丟負荷時，進入沉沙池超過設(shè)計流量的水量。為提高沉沙池的沉降效率，堰頂水深不宜大于0.1m，確定泄流量后再按堰流公式確定溢流堰的寬度。

（9）定期沖洗式沉沙池為多廂時，為保證各池室交替運行，各池室邊墻和隔墻應(yīng)與相應(yīng)的池室進口閘墩聯(lián)接，墻頂高于正常運行水位0.5～0.7m，以便逐池廂集中進行泄空沖洗和溯源沖洗，防止水流串廂。

（10）連續(xù)沖洗式沉沙池中沖沙道的流量是逐漸增加的，橫斷面應(yīng)相應(yīng)增大，以保證必需的輸沙能力，避免過多的水量損失。沖沙道的進水最好成斜向，以便形成橫向環(huán)流，提高沖沙道的輸沙能力。

4 結(jié)語

通過各種沉沙池結(jié)構(gòu)型式的工作原理、適用條件和優(yōu)缺點闡述，可根據(jù)工程實際選取合理的沉沙池結(jié)構(gòu)型式。但在實際選取時，每種結(jié)構(gòu)型式選取都存在不足，選取原則盡量利大于弊，并在實踐工作中不斷積累經(jīng)驗，提高設(shè)計水平。

［1］SL 269-2001.水利水電工程沉沙池設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］水工設(shè)計手冊8（灌區(qū)建筑物）［S］.

［3］E.A.查馬林.水工建筑物設(shè)計［M］.上海：龍門書局，1953.

［4］熊啟鈞.灌區(qū)建筑物的水力計算與結(jié)構(gòu)計算［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［5］宗全利，劉煥芳，李強，蔡小超.一種新型沖洗式沉沙池的設(shè)計探討［J］.長江科學(xué)院院報，2005（03）.

［6］吳均.微灌用新型沉沙池水流結(jié)構(gòu)研究［D］.石河子大學(xué)碩士論文，2008（05）.

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10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.09.033

洪振國（1976年—），男，高級工程師。