實(shí)例分析條渠式沉沙池的優(yōu)化設(shè)計(jì)

呂銳

【摘要】沉沙池是水電站保護(hù)水利設(shè)備安全的重要建筑物，沉沙池設(shè)計(jì)方案是否合理對(duì)整個(gè)水電站沉降效果產(chǎn)生直接影響，也在一定程度上影響設(shè)備生產(chǎn)效率和安全性。文中結(jié)合新疆天池沉降池建設(shè)情況，通過(guò)方案對(duì)比選定最佳的沉沙池形式并設(shè)計(jì)合理的參數(shù)，驗(yàn)證條渠式沉沙池方案的合理性和有效性。

【關(guān)鍵詞】條渠式沉沙池；優(yōu)化設(shè)計(jì)；實(shí)例分析

沉沙池作為水利工程中控制水流泥沙粒徑最常見(jiàn)的方式，對(duì)水利工程進(jìn)行施工過(guò)程中，沉沙池形式、種類(lèi)較多，為保證獲得最佳沉降效果，在選擇型式和結(jié)構(gòu)時(shí)，要依據(jù)工程地質(zhì)條件和沉沙池功能需求確定相應(yīng)的類(lèi)型。文中根據(jù)新疆天池沉沙池設(shè)計(jì)為依據(jù)，分析工程泥沙情況和景觀要求，通過(guò)方案比較選擇適合的沉沙池形式，以期為相關(guān)類(lèi)似工程提供重要借鑒。

1、工程概況

1.1 天池實(shí)際情況。新疆天池屬于國(guó)家5A級(jí)旅游風(fēng)景名勝區(qū)，位于烏魯木齊市的懂不，主要風(fēng)景特色為冰川湖泊、民族風(fēng)情。近些年，因氣候變化異常，降水過(guò)于集中，過(guò)度放牧、砍伐等因素的影響，導(dǎo)致泥石流頻發(fā)，促使上游多數(shù)松散物質(zhì)和泥沙進(jìn)入天池，不僅縮小天池的湖面面積，也影響旅游資源的質(zhì)量，直接影響天池的生命。天池氣象站統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)表明，天池氣候編程存在明顯的振蕩特征，調(diào)查顯示，1971年～2003年，天池遭受泥石流侵襲，泥沙向湖心推進(jìn)217米；而2003年～2006年，天池的湖岸線(xiàn)又推進(jìn)54米，沙進(jìn)水退導(dǎo)致天池湖面多年來(lái)縮小3.47%。截止2007年，天池湖水深度從10年前的平均100米下降至80米。從整治泥沙、改善環(huán)境等方面入手，繼續(xù)對(duì)泥石流進(jìn)行相應(yīng)的防治工作，例如：設(shè)置攔沙壩、沉沙池等，結(jié)合相應(yīng)的生物措施保護(hù)天池的經(jīng)過(guò)，提升天池的旅游價(jià)值。下文針對(duì)天池塵沙吃設(shè)計(jì)展開(kāi)討論。

1.2 泥沙特性。新疆天池泥沙主要是懸移質(zhì)、推移質(zhì)兩類(lèi)，相關(guān)研究表明，0.001～0.005粒徑的泥沙能有效改善土壤養(yǎng)分，粒徑為0.005～0.1mm泥沙可以改善土壤結(jié)構(gòu)，大于0.1mm的泥沙對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生不良影響，極易出現(xiàn)淤積渠道的情況。根據(jù)具體運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，粒徑超過(guò)0.05mm時(shí)，泵站磨損程度明顯，因此，在灌溉區(qū)域，沉沙池最小沉沙粒徑約為0.05mm。在水電站沉沙池內(nèi)，最小沉降粒徑與額定水頭呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，通常最小粒徑值控制在0.25mm左右。本工程沉沙池最小沉降粒徑約為0.05mm，要求 最小沉沙粒徑沉降率超過(guò)50%。

1.3 天池景觀要求。沉沙池上與主溝攔沙壩消力池，下與排洪道相連接，沉沙池應(yīng)與上下游工程相互協(xié)調(diào)，并具有相應(yīng)的景觀價(jià)值。

2、選定合理的沉沙池方案

2.1 設(shè)計(jì)沉沙池形式。根據(jù)天池的地址條件和任務(wù)需求，可以挑選沉沙池型式包括條形沉沙池、定期沖洗式箱型沉沙池：

2.1.1 在引水暗渠0+063.7后設(shè)置沖洗式箱型沉沙池。箱型沉沙池主要包括上游連接段、排沙系統(tǒng)等。上游連接段長(zhǎng)度和底寬度分別為32m，2.0～1.6m，天池深度為1.6m，后連接3孔池廂進(jìn)水閘，閘孔高度及閘寬設(shè)計(jì)為2.4m、4.8m。池寬設(shè)定為1.6m，每隔2.8m設(shè)計(jì)一道池廂隔墻，共設(shè)計(jì)5道。工作區(qū)域末端接近排沙閘，閘孔尺寸設(shè)定為0.8*1.2m，閘后連接縱坡4/100U形排沙暗渠。

2.1.2 在引水渠0+063.7位置設(shè)計(jì)梯型沉沙池，主要包含進(jìn)口段、出口段、工作段，其中進(jìn)口段長(zhǎng)度為25m，底寬為2m，工作段長(zhǎng)度為255m，斷面設(shè)計(jì)為梯型，底寬為60m，出口段長(zhǎng)度為15m。

2.2 比較方案優(yōu)劣。方案一總投資約為712萬(wàn)元，這種結(jié)構(gòu)形式的排沙池非常方便，在其執(zhí)行過(guò)程中容易消耗發(fā)電和用水，同時(shí)，整個(gè)建設(shè)工程需要大量的鋼筋、硂。方案二設(shè)計(jì)的工程造價(jià)為285.5萬(wàn)元，這種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但排沙不方便，方案二調(diào)節(jié)容量約為3.2萬(wàn)?，可用于灌溉高峰期和枯水期，確保水電站正常運(yùn)行。條渠式沉沙池借助天然洼地、灘涂，因地制宜，淤滿(mǎn)后即可還耕、固堤，這種沉沙池因過(guò)水?dāng)嗝鎸儆跐u變式，基于相同流量下，促使泥沙淤的均勻，效果較好。新疆天池沉沙池屬于三工河河槽、灘涂，從而組成低洼地帶，因而選擇條渠式沉沙池。

2.3 運(yùn)行方法。條渠式沉沙池根據(jù)其形式劃分為湖波形、梭形、帶形，考慮本工程存在重要景區(qū)，湖波形沉沙池更加自然，且與下游的天池相互相應(yīng)。沉沙池使用自流和以外待沉相互結(jié)合的方式，運(yùn)行初期，通過(guò)邊堤、河槽、灘涂等形成自流沉沙。每年枯期，借助機(jī)械設(shè)備展開(kāi)定期清淤工作，確保次年汛期來(lái)臨前，恢復(fù)庫(kù)容實(shí)現(xiàn)最佳沉沙效果。

3、分析沉降效果

使用沉降概率法低水腫泥沙沉降概率實(shí)施驗(yàn)算，沉降概率算法將水流中紊動(dòng)豎向分速作為隨機(jī)變量，并將其分布變化遵循正態(tài)分布效果，池底沉降率公式為：

公式①中， 表示泥沙分組沉降率，L和H0分別表示沉沙池段長(zhǎng)度和平均水深；d表示水流泥沙平均粒徑，h、t表示計(jì)算點(diǎn)距池底距離和時(shí)段， 表示計(jì)算參數(shù)。根據(jù)沉降率演算結(jié)果可知，水流中超過(guò)0.25mm粒徑級(jí)沉降率為81%。按照沖流速度為2.45m/s，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足規(guī)范要求。沉沙池設(shè)計(jì)參數(shù)下表。與沉降前泥沙沉降率可知，沉沙池水流中的各個(gè)粒徑組泥沙明顯提升，說(shuō)明條渠式沉沙池沉降效果較好，說(shuō)明這種沉沙池的合理性。

4、結(jié)語(yǔ)

沉沙池是水利工程最常見(jiàn)的控制泥沙粒徑措施，其功能主要通過(guò)擴(kuò)大過(guò)流斷面、減少水流挾沙力等方法，有效減少水力機(jī)械水流中存在大量的有害泥沙含量。設(shè)計(jì)合理的沉沙池關(guān)乎整個(gè)水電站運(yùn)行效益，文中以新疆天池為研究實(shí)例，分析其具體要求和條渠式沉沙池設(shè)計(jì)情況，以期達(dá)到最佳的沉降效果。

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