沉沙條渠工程泥沙分析與設(shè)計(jì)方案比選

□紀(jì)宇超

（柘城縣水利局）

1 沉沙條渠

沉沙條渠是以黃河為供水水源的平原水庫(kù)的重要建筑物；是灌區(qū)利用天然洼地、灘涂、修筑格堤形成條形渠道；主要作用是用以沉沙。根據(jù)運(yùn)行條件，沉沙條渠可分為自流沉沙、以挖待沉、揚(yáng)水 沉沙和自流與揚(yáng)水相結(jié)合等型式。沉沙條渠按平面形狀可以分為帶形條渠和梭形條渠。沉沙條渠斷面遠(yuǎn)大于引水渠道的斷面，水流進(jìn)渠后，由于流速降低，泥沙逐漸下沉。在沉沙條渠運(yùn)行過(guò)程中，選定條渠內(nèi)的運(yùn)行水位及如何控制池內(nèi)泥沙的淤積，對(duì)沉沙條渠能否達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的使用年限或延長(zhǎng)使用年限是很重要的。

2 沉沙條渠基本情況

沉沙條渠布置在干渠25.20 km 處，在進(jìn)口處不設(shè)閘門(mén)，出口處則是利用壩窩節(jié)制閘進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了有效地增加條渠的有效淤積容量，條渠進(jìn)口設(shè)計(jì)底部高程要比上游渠道底部高程低0.50 m，條渠底部比降為1/15 000，水面比降為1/33 000，條渠連續(xù)引水，設(shè)計(jì)年可引水量為29 000 萬(wàn)m3，相應(yīng)引沙量為183 萬(wàn)m3，沉沙量124.48 萬(wàn)m3。

3 沉沙條渠工程

3.1 泥沙分析

3.1.1 天然徑流泥沙含量

因受氣候地形等自然因素影響，天然情況下黃河水資源有水少、沙多、水沙異源、年際變化大、年內(nèi)分配集中等特點(diǎn)。根據(jù)黃河花園口站實(shí)測(cè)黃河來(lái)水來(lái)沙資料，花園口站多年平均實(shí)測(cè)徑流量為470 億m3，通過(guò)對(duì)該系列天然年徑流還原計(jì)算，得花園口站多年平均天然年徑流量約560 億m3，平均來(lái)沙量13.91 億t。

3.1.2 長(zhǎng)系列泥沙含量分析

隨著流域治理開(kāi)發(fā)等人類(lèi)活動(dòng)的影響，黃河水資源除上述特點(diǎn)外還具有來(lái)水枯、來(lái)沙少、洪峰流量不大，枯水流量歷時(shí)長(zhǎng)，同期水量比重減小，沙量比重增加等特點(diǎn)，根據(jù)黃河花園口站實(shí)測(cè)黃河水沙系列資料分析，花園口處黃河多年平均來(lái)水量320.37 億m3，平均來(lái)沙量6.22 億t，其中汛期來(lái)水量占全年來(lái)水量的55.60%，汛期來(lái)沙量占全年來(lái)沙量的81.56%，分析結(jié)果還表明，黃河來(lái)水量的減少尤以20世紀(jì)90 年代更為顯著。

3.1.3 調(diào)水調(diào)沙前泥沙情況

從含沙量分析，多年平均含沙量14.64 kg/m3，汛期33.34 kg/m3，非汛期8.29 kg/m3，泥沙主要來(lái)源于汛期7－10 月，占全年來(lái)沙量的84%，而7、8 月來(lái)水量則占全年來(lái)水量的56%。從黃河泥沙顆粒級(jí)配分析，調(diào)水調(diào)沙前，汛期較非汛期略細(xì)，泥沙顆粒級(jí)配情況大致是：細(xì)沙（d＜0.03 mm）占51.19%，中沙（d=0.03～0.05 mm）占26.11%，粗沙（d＞0.05 mm）占22.70%，懸移質(zhì)多年平均粒徑0.03 mm。

3.1.4 調(diào)水調(diào)沙后泥沙情況

自小浪底水庫(kù)蓄水以后，黃河花園口站泥沙含量明顯減小，調(diào)水調(diào)沙后，汛期較非汛期略細(xì)，泥沙顆粒級(jí)配情況大致是：細(xì)沙（d＜0.03 mm）約占20%，中沙（d=0.03～0.05 mm）占55%左右，粗沙（d＞0.05 mm）約占16%，懸移質(zhì)多年平均粒徑0.03 mm。

3.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 沉沙條渠設(shè)計(jì)流量

沉沙條渠建在干渠上游，不僅要向調(diào)蓄池供水，同時(shí)要為以后干渠控制的下游灌區(qū)沉沙輸水，故沉沙條渠設(shè)計(jì)流量采用干渠設(shè)計(jì)流量為30 m3/s。

3.2.2 沉沙條渠工程等級(jí)根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，確定沉沙條渠工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，建筑物級(jí)別為3級(jí)。

3.3 工程布置原則

結(jié)合沉沙區(qū)域內(nèi)地貌和地物的分布情況，布置不同形式的沉沙方案，最后選擇最佳沉沙池布置方案。沉沙池設(shè)計(jì)應(yīng)使池底泥沙淤積盡量均勻，并盡量減少工程開(kāi)挖和工程占地，最大限度提高沉沙池使用年限。

沉沙池采用條渠布置型式時(shí)，沉沙條渠平面尺寸按以下原則擬定：①條渠底寬不宜＜2Q（Q為流量），否則流速偏大而使沉沙效率偏低。②條渠的長(zhǎng)度要與寬度相適應(yīng)，長(zhǎng)度不夠，沉沙效率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，而過(guò)長(zhǎng)時(shí)條渠下段落淤量很少，有效容積不能充分利用。應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)尺寸及已建沉沙池工程運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)，擬定條渠寬度和長(zhǎng)度。③條渠寬度尺寸的擬定應(yīng)考慮流速要求，條渠運(yùn)用初期，中段比較合理的流速宜為0.20 m/s，不宜＜0.10 m/s，也不宜＞0.25 m/s。

3.4 設(shè)計(jì)方案選擇

為有效利用沉沙條渠為下游控制灌區(qū)供水沉沙，將沉沙條渠布置在干渠樁號(hào)4+050 至5+420 之間。在干渠北側(cè)約250 m處有一條與干渠平行的公路，故比較合理的布置方式是將沉沙條渠布置在干渠和公路之間。擬采用2種方案進(jìn)行比選：

方案一：兩條條渠輪換使用

沉沙條渠底寬不宜小于2Q（Q 為流量），條渠設(shè)計(jì)流量為30 m3/s，故條渠底寬應(yīng)選擇＞60 m。受地形限制，布置兩條條渠輪換使用，選擇條渠底寬為100 m，條渠長(zhǎng)1 100 m，根據(jù)進(jìn)出口渠道設(shè)計(jì)水位確定條渠進(jìn)口控制水位69.80 m，出口控制水位為69.54 m，水面比降1/4 230。

方案二：?jiǎn)螚l條渠三次回腸

根據(jù)水流方向，選擇奇數(shù)次數(shù)的回流方式，選擇條渠底寬為60 m，由于地形寬度約250 m，只能布置為三次回流，這樣條渠長(zhǎng)3 300 m。進(jìn)出口控制水位與方案一相同，水面比降為1/12 690。

對(duì)于方案一，當(dāng)以干渠設(shè)計(jì)流量30 m3/s 引水時(shí)，運(yùn)行初期沉沙效率為47.70%，運(yùn)行末期沉沙效率38.50%，出口含沙量為2.80～3.30 kg/ m3，能滿(mǎn)足下游灌溉要求，沉沙條渠使用年限1.10 年。當(dāng)以調(diào)蓄池引水流量4.50 m3/s 引水時(shí)，運(yùn)行初期沉沙效率為87.70%，運(yùn)行末期沉沙效率為83.00%，出口含沙量為0.65～0.90 kg/m3，滿(mǎn)足調(diào)蓄池引水含沙量要求。由于沉沙條渠使用年限較短，清淤頻率較高，本方案兩條條渠輪換使用，清淤維護(hù)方便，同時(shí)也能滿(mǎn)足灌溉沉沙和調(diào)蓄池引水沉沙要求。

對(duì)于方案二，當(dāng)以干渠設(shè)計(jì)流量30 m3/s 引水時(shí)，運(yùn)行初期沉沙效率為69.10%，運(yùn)行末期沉沙效率58.30%，出口含沙量1.60～2.20 kg/m3，沉沙條渠使用年限0.75 年。當(dāng)以調(diào)蓄池引水流量4.50 m3/s 引水時(shí)，運(yùn)行初期沉沙效率為97.90%，運(yùn)行末期沉沙效率為96.90%，出口含沙量為0.10～0.16 kg/m3。對(duì)于本方案，使用年限較短，當(dāng)按干渠設(shè)計(jì)流量引水時(shí)，使用0.75 年就需清淤，對(duì)干渠的運(yùn)行管理十分不便。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，沉沙條渠具有重要作用，其正常運(yùn)行能有效地延長(zhǎng)水庫(kù)使用壽命、發(fā)揮水庫(kù)效益。根據(jù)以上的分析可知將沉沙條渠布置在干渠和公路之間是比較合理的布置方式；另外，沉沙條渠設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)黃河泥沙情況及水庫(kù)運(yùn)行條件合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣既能滿(mǎn)足調(diào)蓄池引水沉沙需要，又能為干渠控制的灌區(qū)沉沙灌溉。