園形沉沙池的設計構造及使用效果驗證

摘要：沉沙池是水利工程中的重要組成部分，由于傳統的直線形沉沙池所需長度要70"m左右，在山區較難找到如此長度的地形;同時直線形正底坡沉沙池沖沙效果欠佳。如采用園形沉沙池，地形條件大多能滿足要求。通過我州"近10多年小水電工程建設的實踐證明，園形沉沙池的沉沙、沖沙效果好，運行管理方便，工程投資相對小。本文對園形沉砂池的設計構造及使用效果進行了分析闡述，以供同行參考。

關鍵詞：水電工程;園形沉砂池;設計構造;使用效果

一、近年園形沉沙池的出現是工程實踐的創新

1、傳統的正底坡直線形沉沙池在我州的應用簡況

筆者在山區從事水利水電的勘測設計工作多年，經常遇到正底坡直線形沉沙池的設計布置上很難找到適合長度單沙效果較差。規范要求該沉沙池的長度較長，一般都在70"m左右，其長度按下公式計算：

式中L——沉沙的工作長度（m）;

——系數，一般采用1.2-1.5;

Hp——沉沙池工作深度（m），一般為4-5m，取4m;

V——沉沙池水流的平均流速（m/s），當要求沉淀的泥沙粒徑dgt;0.25-0.40mm時，V值可選用0.25-0.50m/s，取0.35"m/s;

——泥沙的沉降速度（m/s），當沉淀0.35mm粒徑泥沙且水溫為10℃時，=0.0328m/s

代入公式計算并取整數L=51-64（m）

以上的長度尚未包括進、出口漸度段的長度，一般需10m左右。由于長度受地形限制，沉沙效果都不太理想，尤其在底柵壩取水中，小于柵條間隙8mm（常規）粒徑的沙石都隨水流入池，得由沉沙池來負責沉降沖除。由于沉沙池長度受地形限制，沖沙效果達不到規范要求，較細粒徑的泥沙沉不下來致而帶入下游危及水輪機。同時較粗粒徑的推移質都沉積在沉沙池的進口段。而池底坡型的采用方面，為了操作沖洗比反坡方便，我州的直線沉沙池基本都是正底坡。所以沉沙池進口段的推移質距沉沙池末端的沖沙閘的距離都遠，沖沙水束無法沖走該處大量的沙石，經常導致引不夠設計流量。為此迫使停止引水，停機發電，進行人工請除這些沙石，一般在汎期10天左右需清除一次，這就造成大量較大的經濟損失。

2、園形沉沙池的出現

由于以上直線形正底坡沉沙池的諸多敝端，筆者一直蒙求既能取表層水又能夠不停水停機去進行人工清沙石、同時也不需要直線形沉沙池那么長度的條形地帶的一種沉沙建筑物。

從日常生活生產中得到啟發：例如在球冠形的容器中裝有水并摻一些容重比水大的固體物質，再按一個方向沿周邊撥動時，水中的固體物質很快就沉入底部。由此聯想到用這樣的原理作園形沉沙池。但是在教科書或刊物上找不到類似的參考資料，更談不上有相關的規范去遵循。全靠摸索實踐得出本文筆者所論的園形沉沙池。

二、園形沉沙池工作原理

園形沉沙池的沉沙是利用水流的離心力使沙快速下沉。來自取水道的夾沙水流方向與池內壁相切，夾沙水流的慣性作用，繞園心始終按一個方向作園周運動，泥沙隨之快速下沉且靠近園心。當開啟園心處的沖沙閥時就可沖沙、表層水經池壁頂的供水溢流堰翻入引水渠，達到了取無有害泥沙的表層水的目的。目前水沙運動的規律尚未量化，但是根據近年來運行證實沖沙效果良好。

三、園形沉沙的設計與結構構造

1、地形及工程地質條件

在山區流域面積小的河道，原則上都是攔河低溢流壩與攔柵壩無壓取水，選擇壩址時要綜合考慮有布置園形沉沙池的位置，只要有一塊能布置池體大小的場地即可，不管是天然的場地或需經人工挖填形成的都可以。沉沙池盡量靠近進水閘，以盡量縮短沉沙池至進水閘間的引渠長度，以利泥沙進入沉沙池同時減小引渠的工程量。池基對工程地質條件的要求較低。一般情況都能滿足要求，只要地基穩定，除流沙和淤泥外的地基都能滿足要求。

2、沉沙池直徑的確定

根據已知工程的設計流量，然后初擬池墻供水溢流堰的堰頂水深，再用堰流公式計算出溢流堰的孤長，該弧長所對應的園心角不宜大于90度，已知弧長和對應的園心角即可求出直徑。

溢流堰的過流能力按下式計算：

或中Q——渠道設計流量（m3/S）

m——流量系數

B——溢流堰長度（m）

H0——堰頂水深（m）;

供水溢流堰頂水深的深度越小時，所取的表層水所含有害泥沙量相應也小，但增大了供水溢流堰的長度亦即增大了沉沙池的直徑，相應增加了工程造價。如果供水溢流堰的堰頂水深越大，其結果剛好與上的情況相反。根據筆者現場考察分析，建議供水溢流堰的堰頂水深為250mm左右較好。

3、沉沙池的結構和構造

底板的坡降：自沉砂池周邊直墻底起，以輻射狀約按0.1的坡度向園心下降呈園錐形底。

沖沙孔與沖沙道：池底板園心部份有φ60的沖砂孔，從沖砂孔進口垂直向下設1.7m深的沖砂豎井，再從井底以0.02～0.04的坡度設沖砂廊道，沖砂廊道內側橫截面尺寸B×H="0.6×1.4m，該尺寸以滿足人能入廊道檢修為準。沖沙廊道出口高程最小應高于該處河床1.0m，其目的是保證有一定沖沙水頭。

池底板宜用300mm厚的鋼筋砼，按構造配雙層鋼筋。

沉沙池邊墻為直立式，厚400～500mm的鋼筋砼，按構造配雙層筋。

池邊墻正常水位以上設有溢流缺口，溢去入池多余水量。邊墻正常水位以上的超高一般為400mm。

沖沙孔的開閉有以下兩種方式：

（1）、在孔口進口處控制。在用約0.6m高倒園錐臺的金屬外殼塞封避孔口，殼外嵌園圈形的橡膠止水板止水，殼內填充砼以達到一定的自重，以便減小塞體晃動。用1.0T螺桿啟閉機操作其塞的開閉。該方式的沖沙效果很好，但要另設簡易工作橋。

（2）、在沉沙池邊墻外的沖沙廊道起始段設平板鋼閘門控制。該平板閘門封堵孔口尺寸同沖沙廊道即B×H="0.6×1.4m，閘門止水方式為迎水面的橡膠止水帶。閘門啟閉可用手電兩用螺桿啟閉機。此方式的缺點是：平板閘門前的廊道內和豎井內會沉積滿泥沙，啟閉力相對大一些同時泥沙對橡膠帶的磨損較大。

以上兩種控制方式所需費用差別不大，一般習慣用前一種方式。

4、沉沙池正常水位的確定

沉沙池正常水位即供水溢堰的堰頂水位加該處的設計堰頂水深。其正常水位的確定，分開敞式進水閘取水與底格攔柵取水兩種情況。

（1）、開敞式進水閘取水

沉沙池正常水位的推求。（A）、閘前設計水位減去過閘水頭損失0.2～0.3"m與過柵水頭損失后即為引渠渠首水位;（B）、由引渠坡降與長度推求出引渠末的水位及渠底高程。因引渠末緊接沉沙池進口，引渠末的水位即是沉沙池正常水位。引渠末底板高程即是沉沙池底板的起點高程

引渠常為窄深式矩形斷面，坡降宜為0.002。引渠渠首至沉沙池進口段按明渠均勻流計算，已知流量、水深、坡降、定一個糙率即可試算出引渠寬度。

（2）、底格欄柵取水

（A）、引用底格攔柵壩取水廊道水力計算的成果得到的廊道末（即引渠起點）的水位及該處的渠底高程;（B）、由引渠坡降（宜為0.002）與長度推求出引渠的水面線及引渠末的水位，該渠末水位即是沉沙池的正常水位。用引渠水面線定出引渠邊墻頂線。

在底柵壩取水時，引渠底板線與沉沙池底板的起點高程的推求，在此作一交代：由引渠起點的底板高程及引渠長度及坡降（用較陡的宜按0.04～0.02），得出引渠底板線及引渠末高程，引渠末高程亦是沉沙池底板的起始高程。引渠斷面為窄深式，其寬度可用均勻流公式算求。

四、四川省涼山州已建水電站中投入應用的園形沉砂池摘錄表

涼山州己投入應用的園形沉沙池摘錄表

水電站名稱

裝機規模（kw）

引用流量（m3/s）

池直徑（m）

運行效果

甘洛縣莫色電站

4800

1.44

11.0

良好

甘洛縣木瓜坪電站

6300

2.08

16.0

良好

甘洛縣龍杠子電站

5000

3.25

18.0

良好

越西縣洛姆二級電站

5000

1.56

9.0

良好

越西縣茶園二級電站，其中：

2×10000

1#取水樞紐

1.94

14.0

良好

2#取水樞紐

1.11

8.0

良好

3#取水樞紐

1.13

8.0

良好

4#取水樞紐

1.67

12.0

良好

五、結束語

園形沉沙池對地形、工程地質條件要求較低，多數地方都能滿足要求。結構簡單，工程量較直線形沉沙池省約五分之三，施工期短，施工、運行管理簡單方便、經使用近10來年的實踐證明"效果滿意。很適合山區高水頭小流量小型水電站中使用。但設計上多憑經驗，尚待從理論上提升量化。

后附：工程實例布置略圖