新疆瑪納斯河總干渠曲線形沉沙池的設計與運行管理探討

楊文濤

（新疆瑪納斯河流域管理局,新疆 石河子 832000）

1 項目簡介

位于新疆的大部分河流由于海拔的原因均來源于高山和冰川，且為山溪性多沙的河流。其中瑪納斯河多年的平均徑流量達到12.8 億m3，隨河流而推移的泥沙高達40 萬t，大約占據所有含沙量的15%左右。為了有效解決泥沙入渠的問題，在前期修建瑪河總干渠時建造了曲線形沉沙池以及彎道式的引水樞紐。但是修建完成之后便發現沉沙池存在首端和尾端淤積現象，以及沖沙廊道上的若干問題。隨后對其進行相應的改進，改進后運行效果較好。

2 曲線形沉沙池的設計分析

（1）曲線形沉沙池的作用原理

曲線形沉沙池的作用原理主要是以橫向環流為基礎而建立的。水流在通過彎曲段的過程中，受到離心力的作用進一步造成橫向環流，導致渠道中的泥沙以及懸移質的泥沙逐步向凸岸進行移動，而泥沙移動至凸岸時則被原先布置在凸岸坡腳用于泄水排沙的廊道加以吸收，并將其排入至河道之中。

在凹岸向凸岸推進的環流中，易造成河流底部的泥沙產生強力的攪動。為避免這樣的攪動情況，在主要的結構中運用較小的相對水深，然后在曲線形沉沙池的池底運用橫向逆坡。由此造成曲線形沉沙池的池底泥沙不會向上運動，而是隨池底的斜坡往下進行移動。與此同時，環流的作用又被橫向逆坡所提高，提升了環流的推移能力，最終導致泥沙均被推移至凸岸的廊道孔被沖走。另外需要注意，此種沉沙池只能用在前山河段且推移質泥沙比較多的河流中。泥沙的粒徑小于0.25 mm時泥沙在河流中的狀態處于懸浮，因此運用此種沉沙池便降低了實際的效果。所以應當根據實際的情況合理的選擇沉沙池。

（2）曲線形沉沙池的主要結構

本工程中的曲線形沉沙池為90°交角的彎曲渠段，并且河流渠道的中軸彎曲半徑達到沉沙池底b的4倍寬。通過在曲線渠段的前端、后端運用1.6 b直線過渡段和渠道間進行連接。在曲線段渠底下無縱坡，只有比例為1∶10的橫坡。所以曲線沉沙池的水位和流速只能依靠沉沙池的末端門檻予以保障。為保證在冬季能夠有效的輸水，在凸岸門檻的附近構建輸水孔裝置，由此來宣泄冬季的水流，見圖1。

圖1 曲線沉沙池的平面布置圖

依據尼基琴開展的實驗，曲線沉沙池的池底與邊坡的表面應當粗糙，以此穩定泥沙在池底的運動，并且提升凸岸的輸水力度和橫向環流的能力。最終在干渠的沉沙池底與邊坡運用30 cm長度的卵石進行干砌。

為確保進入曲線沉沙池中的流速保持均速，在沉沙池的進口處構建導流閘墩和安裝均流柵，見圖1。

曲線沉沙池的對沖沙的流量進行設計時要求為渠道設計流量的15%～20%。伴隨河水與泥沙的降低將沖沙的流量降低到5%～10%；不需要連續沖沙時則運用定期沖沙，而定期沖沙的水量不能超出曲線沉沙池的水量1%～2%。

在河流沖沙廊道出口位置的排沙明渠，應當依據河流流量產生的變化而設計為變斷面渠道。該明渠的水流方向應當和沉沙池的水流相反，這是由于頭幾條廊道中的顆粒較粗且沖沙量十分大，未端的廊道則顆粒細、沖沙量小。因此，排沙明渠水流與沉沙池呈相反方向可以提高沖沙的水量，以此將頭幾條的廊道中粗粒泥沙予以排出。

在河流第一條廊道的出口位置下游布設一卒排沙節制閘，其可替換廊道入口的閘門，由此對排沙金明渠的水位和沖洗的流量加以控制和調節。另外，在排沙明渠出口位置建立陡坡跌水，將其和河流的河底予以連接，由此利于河水將泥沙沖走。

（3）確定沉沙池的尺寸

曲線沉沙池的過水斷面主要由流量及平均流速來決定。對平均流速的選擇，主要由沉降的泥沙顆粒粒徑和數量所決定。因河流在沉沙池的下游存在兩座水電站，而水電站對泥沙的粒徑要求不能大于0.4 mm。依據尼基琴所開展的實驗，當沉沙池的平均流速為1.5 m/s時便可以達到以上的要求。沉沙池最大的流量是140 m3/s，因此沉沙池斷面應當為：

河流曲線沉沙池的相對水深設為1/10，沉沙池的平均寬度為Bcp，取Bcp=10 Hcp，沉沙池的平均水深為Hcp，將其融入上述公式中而得出：

而曲線沉沙池底寬度b則為：

所以河流曲線沉沙池的兩端直線段長度1則是沉沙池池底寬b的1.6倍，t=1.6b=41.6 m。

（4）計算沉沙池的長度和池底橫坡

為提高橫向環流的推移能力，曲線沉沙池的池底橫向坡比為1/10。而沉沙池彎曲的半徑R則是池底寬度b的4倍（R=4×26=104 m）。沉沙池的長度L則是1/4圓（L= /Dπ/4=2×104π/4=163.36 m）。

上游過渡段的樁號從0+837→0+878為止（該段內的邊坡底部橫向高差應當依據距離而均勻的變化，凸岸從0→-1.3 m，凹岸從0→+1.3 m，凸岸-1.3 m，凹岸+1.3 m）。而曲線沉沙池的樁號從0+878→1+042，下游過渡段的樁號為1+042→ 1+083。

（5）沉沙池的沖沙廊道

依據尼基琴的實驗表明，沖沙廊道的數目為：沉礫池為6個～8個左右；沉沙池則為10個～12個左右。而本研究的河流為沉礫池，并且該池的流量較大，以及池身長度較長等原因，因此使用9個沖沙廊道。

設置沖沙廊道時要求間距基本相同。受沉沙池首段的泥沙比較多所造成的影響，因此在首端廊道比例要比尾端稍密。

沖沙廊道的孔口大小由沖沙的流量大小以及沉沙池水深所決定。由于河流沉沙池的最大流量140 m3/s，因此沖沙水是最大流量的15%（21 m3/s），所以每一個孔廊道的平均流量為2.33 m3/s，由此結果可以看出廊道較小，無法有效滿足維修人員對其進行檢修的標準要求，所以在設計時適當加大廊道的大小：首末兩孔的寬和高分別為0.8 m、1.5 m，而其它的孔則為寬0.8 m和高1.2 m。在每孔的進口均設計閘門，由此對沖沙的水量進行相應的調節。

（6）進口導流洞和尾部門檻

曲線沉沙池的導流洞設立在進口的銜接段最未端的位置。該銜接段主要的功能是為確保流速能夠平緩的降低，并且對進入沉沙池的流速予以均勻的分配，而導流洞的作用則主要是調整流速。河流沉沙池總設立5 處導流洞，每孔的凈寬度為4.56 m，在運行期可以安裝均流柵，由此保證流速和泥沙可以平均分布。與此同時，均流柵還能具有攔截雜草等物質，確保沖沙廊道不會產生堵塞。在曲線沉沙池的底部由于無縱坡，因此在沉沙池的尾部和下游渠道間需要利用陡坡或者跌水加以連接。在此種情況下，水位高程需要依靠沉沙池的尾部門檻予以保障。當河流的流量降低時水深同時隨其降低。實驗表明，當流量出現變化時，沉沙池中的流速所發生的變化不大。本曲線沉沙池運用跌水加以銜接，并且同時設立漿砌卵石和鋼筋混凝土的門檻。門檻的高和寬分別為1.2 m、0.5 m，下游的斷面為垂直，而上游的面為傾斜，邊坡系數為0.415。為確保在冬季時沉沙池中的輸水流速大于1.2 m/s，因此在位于凸岸邊的門檻上建立寬為6.5 m的閘孔，由此確保水流可以順利的通過，在冬季過后可以使用迭梁插板將閘孔予以關閉。

（7）排沙閘

排沙閘是全部沖沙廊道的一個總門戶，其功能主要是對排沙明渠的水位以及通過廊道時排水的流量進行有效的調節，并對廊道閘門在操作時存在的一些缺陷進行輔助操作。排沙閘設立位于1號廊道的出口下游位置，而其高度則根據上游壅水的水位予以確定。另外，為減少閘門的實際高度，運用了鋼筋混凝土的胸墻。

（8）排沙明渠

排沙明渠主要根據沿程的流量變化，而進一步設計為變斷面梯形的相應渠道。排沙渠道的流速不能高于總干渠的實際流速，以此確保可以把廊道排出的泥沙全部送進河道之中。

3 形沉沙池的改進

前期修建瑪河總干渠時建造了曲線形沉沙池以及彎道式的引水樞紐，而在修建完成之后便發現沉沙池存在首端和尾端有淤積，以及沖沙廊道上的若干問題，隨之對其進行相應的改進。

（1）增加沖沙廊道。由于曲線沉沙池的首端和尾端均有淤積出現，因此在1 號廊道的上游位置添加兩個沖沙廊道，并在尾端9 號廊道的下部添加一個沖沙廊道，由此含有原9 孔總計達到12 孔。通過實際的運行來看，首端無淤積產生，而在尾端則表現稍有淤積，沉沙池則沒有淤積出現。

（2）改進廊道閘門的升降方式為垂直式。由于廊道的閘門安裝位于進口的斜坡之上，并且是轉動門蓋，當門蓋在轉動時其軸經常被卡住而對啟閉造成不利的影響，因此改為垂直升降式，改進后整體運行狀態良好。

（3）在廊道的下部位置添加鑄鐵板護砌。廊道自身的流速過大，經常挾帶較粗的顆粒泥沙，由此在早期就將漿砌卵石的廊道下部予以沖毀。對其進行改進，在廊道的底板及邊墻下0.5 m的范圍之內均使用5 cm厚的鑄鐵板加以護砌，通過運行表明狀態良好。

4 河流曲線沉沙池的運行管理分析

對于沉沙池來講，其運行管理同樣十分的重要，如果沒有有效的管理則不能將沉沙池的作用予以有效的發揮。

（1）完善的管理規程。在沉沙池正式運行時，應當依據設計與要求編制出科學合理的管理規程，主要有泥沙的觀測和排沙的方式等，然后經過實際的運行不斷的對其進行補充和完善。

（2）水文泥沙觀測。對河流的水文泥沙進行觀測是進行管理的重要項目；觀測的范圍主要有引水樞紐、上游渠道、沉沙池等。管理部門在運行中應在渠首的上游整治段中建立4 個觀測點，以及在總干渠中設立1 個，在沉沙池中設立5 個，在排沙明渠中設立1 個，總共11 個觀測點。最后管理人員根據水沙的實際狀況選擇排沙的方式。

（3）沉沙池和渠首的排沙相互配合。引水樞紐主要為彎道式，具體見圖2。渠首進行集中的排沙過程中，沉沙池必須停止進行排沙，由此確保流量全部集中于渠首中，進而提升渠首在集中沖沙時的實際效果；而在渠首集中沖沙間歇時期內，可以提高沉沙池的排沙流量。

圖2 引水樞紐平面布置圖

（4）將排沙明渠當作節制閘運用。當需要利用排沙明渠作為節制閘使用時，閘前的水位勢必會提升，由此致使沉沙池的環流進一步惡化，所以不到萬不得已的時候不能運用該閘。

5 結語

曲線形沉沙池的結構比較簡單，實際的排沙效果較高，特別應用在泥沙過多的前山河段引水渠道中，效果更好。另外，對曲線形沉沙池的管理也同樣的重要，需要保證具有完善的管理和操作的相應制度，以及對水文泥沙的有效檢測，并保證管理人員具有較強的責任心。