滇中引水水源工程沉沙池設計研究

(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

1 工程概況

滇中引水水源工程提水泵站最大提水凈揚程219.16 m，引水流量135 m3/s，多年引水量34.03億m3，裝機功率480 MW，提水揚程、引水流量及裝機功率均居世界前列。金沙江多年平均含沙量0.603 kg/m3，最大含沙量19.9 kg/m3，水流中懸移質(zhì)泥沙對高揚程泵站機組的長期磨損問題突出，因此需設置沉沙池。結合泵站進水口地形特點，沉沙池布置在金沙江河道凹岸，其主要功能是從金沙江河道引水，沉降水流中的泥沙，將清水輸送至提水泵站，減小過機泥沙對泵站機組的磨損。

2 沉沙池的設置依據(jù)及標準

根據(jù)石鼓水文站1958～2015年實測泥沙資料統(tǒng)計，多年平均含沙量為0.603 kg/m3，汛期多年平均含沙量為0.745 kg/m3，年最大含沙量為19.9 kg/m3，年最小含沙量為 0.003 kg/m3。多年平均懸移質(zhì)輸沙量為2 537萬t。各年輸沙量基本集中在汛期，其中6～9月的輸沙量占年輸沙量 93.3%。

多年平均月含沙量見表1，懸移質(zhì)泥沙顆粒級配見表2。

表1 多年平均月含沙量 kg/m3

對懸移質(zhì)泥沙進行了取樣，并委托中國地質(zhì)大學進行X射線物相檢測分析，泥沙礦物質(zhì)成份主要有綠泥石、伊利石、石英、方解石、高嶺石等，其中硬礦物質(zhì)對水泵機組磨損危害較大。泥沙礦物組成見表3。

表2 懸移質(zhì)泥沙顆粒級配

表3 石鼓水源工程泥沙礦物質(zhì)組成 %

泥沙中數(shù)粒徑0.015 3mm，平均粒徑0.059 2mm，最大粒徑1.21mm，泵站提水凈揚程近220 m，引水流量135 m3/s，水泵對過機泥沙含量及粒徑要求較高。依據(jù)SL 269-2001《水利水電工程沉沙池設計規(guī)范》(以下簡稱“《規(guī)范》”)[1]的要求，結合機組抗磨蝕分析，工程過機泥沙允許粒徑不宜超過0.05mm，故需設置沉沙池，出池泥沙粒徑標準不大于0.05 mm，泥沙沉降概率不小于85%。

3 沉沙池方案選擇

水源工程取水口布置在金沙江岸邊凹岸處，采用無壩型式直接從金沙江河道引水，根據(jù)“河道引水必引沙”的特點，需設置沉沙池來沉降水流中有害或過多的泥沙，降低對水泵機組的磨損。通過利用沉沙池水流挾沙力低的特點，使水流中泥沙粒徑大于設計沉降粒徑的泥沙得到沉降，從而減少出池含沙量，達到出池泥沙設計標準。

根據(jù)水文泥沙、地形地質(zhì)條件，結合調(diào)度運行管理，選擇沉沙池方案時，主要進行了沖洗式和條渠式、長池和短池的比選工作。

3.1 沖洗式和條渠式

根據(jù)地形地質(zhì)條件， 結合水源工程“先沉沙后揚水”和“先揚水后沉沙”兩種開發(fā)方式， 對條渠式和沖洗式兩種建筑物型式進行了比較。 條渠式沉沙池充分利用過流斷面大、 流速小、 水流挾沙能力小的特點， 使水流中大于設計沉降粒徑的絕大部分泥沙在渠內(nèi)得到沉降， 減小了出池含沙量。 沖洗式沉沙池利用池內(nèi)水流流速小、 水流上清下濁的特點， 引取表層水清水， 使側(cè)堰上部水流中大于設計沉降粒徑的泥沙逐漸在池內(nèi)沉降。 由于條渠式沉沙池需要沉降整個池內(nèi)水流泥沙， 故沉沙池規(guī)模相對較大； 而沖洗式沉沙池僅需要沉淀側(cè)堰上部10 cm左右深度水流中的泥沙， 故沉沙池規(guī)模相對較小。 條渠式沉沙池淤積泥沙采用挖泥船機械設備進行清淤； 沖洗式沉沙池水源工程需采用兩級泵站開發(fā)方式， 淤積泥沙采用水力沖沙方式進行清淤。 沖洗式沉沙池在泥沙清淤、 后期維護、 工程占地等方面具有一定優(yōu)勢， 但水源工程采用兩級泵站開發(fā)方式較條渠式沉沙池一級泵站開發(fā)方式、 投資將增加11.48億元。

綜合比較后，“先沉沙后揚水”的一級泵站開發(fā)方式較優(yōu)，沉沙池推薦采用條渠式，池內(nèi)淤積泥沙采用挖泥船進行清淤。

3.2 長池和短池

沉沙池地基為深厚沖洪積砂礫卵石，最大厚度約140 m，砂礫卵石層結構，呈中等～強透水性，區(qū)內(nèi)地下水埋深一般為1.4～7.1 m，與金沙江相通，地下水資源豐富。

根據(jù)地形地質(zhì)條件， 結合金沙江河勢走向， 沉沙池沿金沙江右岸大同村下游河灘布置， 并重點比較了長、 短沉沙池兩種方案。 其中長池方案大致呈“∽”型布置， 全長1 266 m， 由引水口門、 池身段和連接段3部分組成。 短池方案大致呈直線布置， 在末端設浮動閘門表層取水， 充分利用沉沙池內(nèi)水流上清下濁的特點， 借鑒沖洗式沉沙池引表層取水的方式， 上部清水翻越閘門經(jīng)進水塔流入泵站， 下部相對渾濁的水被攔沙閘門阻擋在沉沙池內(nèi)， 短池方案全長710 m。 兩種方案均能滿足泥沙沉降要求， 且各有優(yōu)劣， 在泥沙沉降效果、 施工、 工程投資、 調(diào)度運行管理等方面， 長池方案較優(yōu)； 在征地移民、 環(huán)境景觀影響等方面， 短池方案較優(yōu)。綜合泥沙沉降效果、 工程投資和調(diào)度運行管理考慮， 推薦采用長池方案。

4 水力設計

根據(jù)文獻[2]的方法，采用準靜水法對條渠式沉沙池進行水力學計算，初擬沉沙池斷面及結構尺寸。根據(jù)計算成果，沉沙池設計采用梯形斷面，梯形底寬100 m，兩側(cè)坡比1∶2.5，高度 7.5 m，沉沙池長度890 m。不同工況下池內(nèi)平均流速為0.067～0.26 m/s，在同類工程流速范圍之內(nèi)。泥沙沉降計算采用沉降概率法和一維不均勻懸移質(zhì)泥沙數(shù)模兩種方法進行，并相互驗證。

沉降概率法為《規(guī)范》推薦的泥沙沉降計算方法，計算成果見表4。各典型年全年大于或等于泥沙允許粒徑0.05 mm的泥沙沉降率為85.9%～88.7%，滿足規(guī)范要求。池內(nèi)淤積總量為16.03萬～34.35萬m3，沉沙池池首累計淤積厚度為3.46～8.30 m，池尾累計淤積厚度為 0.39～0.69 m。

一維不均勻懸移質(zhì)泥沙數(shù)學模型能輸出泥沙在沉沙池中的沿程淤積厚度、泥沙累計淤積率、沉沙池出池斷面的含沙量、懸沙粒徑級配、各分組泥沙粒徑的淤積率和影響過機的泥沙粒徑的占比等信息。

水流運動公式為

(1)

式中，x為沿水流方向的距離，m；H為水位，m；U為斷面平均流速，m/s;R為水力半徑，m;C為謝才系數(shù)，且C=R1/6n(n為曼寧糙率系數(shù))；g為重力加速度，m/s2。

泥沙運動公式為

(2)

式中，h為水深，m；S為懸移質(zhì)含沙量，kg/m3；S*為懸移質(zhì)挾沙力，kg/m3；ω為泥沙顆粒沉降速度，m/s；α為泥沙恢復飽和系數(shù)。

挾沙力采用張瑞瑾公式計算，即

(3)

式中，k和m為系數(shù)，取k=0.274，m=0.92。

泥沙沉降速度計算采用斯托克斯(G.G.Stokes)球體沉速公式，即

(4)

式中，γs為泥沙的容重，kN/m3；γ為水的容重，kN/m3；d為泥沙的顆粒粒徑，m；ν為水流粘滯系數(shù)，m2/s。

泥沙連續(xù)公式為

(5)

式中，γ′為淤積泥沙的干容重；ΔA為斷面泥沙淤積面積，m2；Δt為計算時間間隔，s；Q為流量，m3/s；Δx為斷面間距，m。具體計算時，根據(jù)已知沉沙池的水位-斷面面積關系(Z～A關系)，通過計算的ΔA來確定淤積物床面高程。

懸移質(zhì)泥沙級配變化公式為

(6)

式中，Pi，j為第i斷面上第j組懸沙粒徑在全部懸移質(zhì)泥沙中的占比，腳標i為斷面編號，腳標j為非均勻懸移質(zhì)粒徑分組編號。

淤積物(床沙)級配變化計算公式為

(7)

式中，Ri，j為第i斷面上第j組床沙粒徑在全部床沙中的占比。

以上各方程在具體求解時，通過給定進口的流量和含沙量條件，采用韓其為非均勻不平衡輸沙計算公式對各分組沙、各斷面逐一進行求解。對非均勻懸移質(zhì)的各分組泥沙含沙量的計算如下：

(8)

式中，L為粒徑分組數(shù)；q為單寬流量，m2/s。

各典型年計算成果見表5。各典型年的泥沙沉沙率為33.31%～35.03%。0.05 mm以上粒徑的泥沙沉積率在87.08%～90.91%，出口斷面0.05 mm以上粒徑的泥沙百分比在4.50%～6.29%。

表5 不均勻懸移質(zhì)泥沙數(shù)模各典型年淤積計算成果

采用兩種不同方法進行的泥沙沉降計算結果基本一致，滿足《規(guī)范》要求。

5 沉沙池工程布置

沉沙池沿金沙江右岸灘地大致呈“∽”型布置，由石鼓鎮(zhèn)大同村下游的開闊灘地半挖半填形成，沉沙池全長1 266 m，由引水口門、沉沙池和連接段3部分組成。

(1)引水口門。引水口門主要作用是使水流均勻平順進入沉沙池池身段，并盡可能減少泥沙在口門處的淤積沉降，口門寬284 m，口門處高程1 814.00 m，前與金沙江河道相通，后與沉沙池池身段相接。為改善進口水流流態(tài)，經(jīng)河工模型試驗驗證，沿引水口門均勻布置5道導流墻，導流墻長度36～50 m，厚度80 cm，導流墻高度9 m。

(2)池身段。池身段是泥沙沉降的主要工作區(qū)，池身段長987.18 m，為減少推移質(zhì)入渠，池身段進口設置一道攔沙坎，坎頂高度5.50 m，坎長284 m。攔沙坎前接引水口門，后接池身段，池身段采用梯形斷面，底寬100～120 m，高度7.5 m，兩側(cè)坡比1∶2.5，末端也設置一道攔沙坎，坎頂高度4.6 m，坎長143 m。

(3)連接段。連接段布置在沉沙池末端，主要作用是出池水流平順進入引水隧洞，連接段長279.15 m，前接池身段底寬120 m，后接引水隧洞進水塔，底寬60 m，連接段前215.65 m，底高程1 807.5 m，進水塔前18.50 m范圍內(nèi)底高程為1 802.5 m，其間50 m以1∶10底坡相接。

引水渠兩側(cè)渠坡坡比為1∶2.5，渠頂高程1 827.50 m，由半挖半填形成，高程1 820 m以下部位采用模袋混凝土護坡，混凝土厚15 cm，高程1 820 m以上采用混凝土植生塊護坡，植生塊厚15 cm。渠內(nèi)兩側(cè)坡腳采用水下拋石防護，坡腳防護寬6 m，拋石厚1.0 m，渠底進水塔前68.5 m范圍內(nèi)采用模袋混凝土進行護底，渠底其他部位不作防護。渠背坡比1∶2.5，采用漿砌石防護，厚度35 cm，腳槽50 cm×80 cm(寬×高)。

為改善沉沙池內(nèi)流態(tài)，經(jīng)河工模型試驗驗證，沿沉沙池軸線布置一道中隔墻，隔墻采用地下連續(xù)墻結構，前接導流墻，總長度633 m，墻頂高度10 m，墻底高程1 800 m，墻厚80 cm。

6 河工模型試驗成果

6.1 試驗目的及內(nèi)容

試驗目的是研究各種工況下，取水口附近及引水渠內(nèi)的水流流態(tài)、流速分布、泥沙淤積及渠內(nèi)泥沙粒徑沿程分布，優(yōu)化引水渠布置，減少入渠的泥沙量，避免口門淤積，保障取水口的穩(wěn)定和取水安全。

模型試驗包括定床模型試驗和動床模型試驗。定床主要研究水流運動，動床主要研究引水渠內(nèi)以及口門附近金沙江的泥沙沖淤情況，模型淤積試驗以懸移質(zhì)運動為主。

6.2 定床模型試驗

在金沙江河道各級流量下導流墻及左右岸邊均存在回流區(qū)，渠道中部全斷面基本處于緩流區(qū)。各級試驗流量下進流段回流區(qū)位置相近、范圍不同，枯水流量下，引水渠進口與上游河道銜接相對平順，回流范圍較小，隨著流量增加，回流范圍呈增加趨勢。金沙江5 153 m3/s流量下引水渠內(nèi)流態(tài)見圖1，回流范圍統(tǒng)計見表6。

圖1 引水渠進口附近主流流向及流態(tài)

進口段回流區(qū)部位回流區(qū)范圍長平均寬最大寬1號導流墻右側(cè)20730381～2號導流墻中間8717202～3號導流墻中間8013153～4號導流墻中間27424334～5號導流墻中間7110145號導流墻左側(cè)701724

注：3號導流墻下接中隔墻將引水渠分成左右渠，導流墻從上至下編號，分別為1～5號，其中3號導流墻下接中隔墻。

6.3 動床模型試驗

試驗模型沿水流向從上至下共布置了8個斷面觀測引水渠沖淤。引水渠淤積主要發(fā)生在汛期，主要淤積區(qū)域位于渠道上段。渠底大多呈平淤態(tài)勢，邊坡淤積小于渠底，各個典型年后渠道仍基本保持梯形特征。根據(jù)不同典型年年末斷面淤積形態(tài)比較，進口段(2～4號斷面)淤積厚度 2.03～2.58 m，向下沿程減少，但渠尾8號斷面仍有淤積，厚度0.32～0.40 m。引水渠監(jiān)測斷面不同典型年年末平均淤積厚度見表7。

模型試驗重點觀測了引水渠出口處泥沙含量及顆粒級配。出口處斷面水流取樣點為0.5水深處。1996年典型年引水渠出口(0.5水深)泥沙粒徑觀測成果見表8。各級試驗流量下左右渠泥沙顆粒D50在0.004 4～0.004 9 mm，0.05 mm以下的顆粒占泥沙總重量的比例均大于96%。

表7 引水渠不同典型年年末平均淤積厚度

注： 1966年、1996年、1977年3個典型年分別代表不同泥沙典型年頻率25%、50%、75%。

表8 1996年典型年引渠出口(0.5水深)泥沙粒徑

根據(jù)1996典型年觀測試驗成果，各級試驗流量下，引水渠進口含沙量在0.12～1.77 kg/m3，引渠出口處斷面的含沙量在0.09～0.12 0 kg/m3。

試驗成果表明：出渠泥沙粒徑級配滿足設計要求(小于0.05 mm的泥沙沙重大于95%)。

7 清淤設計

結合引水調(diào)度過程，為減少對河道的不利影響，排沙在金沙江來流量較大的6～9月進行，河道流速在2.0～2.5 m/s左右，河道水流挾沙力為5.5～10.1 kg/m3。

沉沙池采用射吸式挖泥船進行機械清淤。為方便排沙，沿隔流堤間隔100 m左右布設直徑500 mm排沙鋼管，采用射吸式挖泥船抽吸渠底淤積泥沙時，其排沙管與排沙鋼管相接，將泥沙返還至金沙江取水口下游。

根據(jù)沉沙池淤積容量、淤積厚度、排沙時間及排距要求，配備電動式吸沙船，功率600 kW，外形尺寸15.0 m×5.0 m×1.5 m(長×寬×高)，最大挖深可達14 m，排距1 000 m，生產(chǎn)能力達450 m3/h，清水流量2 000 m3/h，按汛期排沙期間多年平均流量2 538 m3/s計，相應金沙江總體含沙量增量不大于0.05 kg/m3。

吸沙船常年安放在引水渠內(nèi)，可隨時啟用清淤，為減小船舶運行及維護對渠內(nèi)水源污染，吸沙船清淤設備配備外接電源動力。配備船功率600 kW。按照沉沙池全年淤積總量16萬～34萬m3計算，排沙總時間為356～756 h。

8 結 論

(1)滇中引水水源工程沉沙池采用條渠式布置在金沙江凹岸處，能夠?qū)崿F(xiàn)工程引水、沉降泥沙的功能要求，經(jīng)泥沙沉降分析、河工模型試驗驗證，泥沙沉降效果較好。

(2)利用沉沙池內(nèi)水流上清下濁的特點，對條渠式沉沙池進行了一些創(chuàng)新探索，通過池末設置浮動閘門引取表層水可顯著減小沉沙池結構尺寸規(guī)模。

(3)沉沙池緊鄰金沙江右岸并沿河道布置，利用金沙江汛期流量大、挾沙能力強的特點在汛期時間段進行泥沙清淤，降低了清淤泥沙對下游河道的環(huán)境影響。