多泥沙環境下渠首站排沙設計及其優化

魯兵

(新疆金溝河流域管理局，新疆 烏魯木齊 832100)

1 金溝河泥沙環境及其特征

金溝河流域位于新疆塔城地區沙灣縣境內，金溝河發源于天山北坡的哈比爾尕山，主要水源由天山融化的雪水和地下溫泉水組成。水流由南向北，最終流入瑪納斯湖，全程194.00 km。正是由于此發源特征導致了金溝河及其匯水區內流量強度存在極大的波動性，無論對于當地的水土保持還是對于流域內的泥沙隱患均具有一定的不利影響。從歷年對于金溝河流域泥沙的監控情況來看，金溝河流域泥沙主要由推移質和懸移質泥沙組成。推移質粒徑分為塊石(>200 mm)、卵石(60～200 mm)；懸移質分為砂、粉粒和黏粒，粒徑在0.01～2.00 mm不等。其中，推移質年平均輸沙量83.53萬t，懸移質泥沙年平均含沙量1.85 kg/m3，最大月平均含沙量221.00 kg/m3，最小月平均含沙量15.60 kg/m3，懸移質年平均輸沙量66.03萬t。

從其泥沙環境的角度來看，金溝河具備如下三方面特征：其一是泥沙質地結構穩定，但流量波動較大。金溝河內含砂的粒徑分部交廣，但是不同粒徑之間以及推移與懸移砂礫之間的比例相對穩定，這對于形成穩定的排沙結構具有積極意義。其二是金溝河泥沙來源單一，但與周圍環境互動關系顯著。金溝河的泥沙主要來源于周圍匯水區的降雨沖刷，進而言之是周邊生態環境遭受破壞，形成嚴重的水土流失而造成的。根據近年來的生態環保數據監控顯示，得力于封山育林及有限城鎮化開發等政策，水土流失現象在金溝河主要匯水范圍內已經得到了一定的緩解與改善。其三是金溝河農業灌溉任務較重，泥沙治理前置需求明顯。與一般河流相比，金溝河承擔了沿岸近40%的灌溉任務，且與之相連的多為淺水位人工灌渠，這就決定了與金溝河相連的灌渠無法采用傳統河道的逐級排沙的方式來進行，渠首排沙是一種必然選擇。

2 金溝河渠首站排沙設計

金溝河渠首的多級排沙設計可以有效消除金溝河高含沙量對下游水利設施的沖擊，其各部分設計主要如下：

2.1 防砂坎設計

防砂坎是渠首構建排沙防砂的首道防線，其根本目的是通過構建一定高度的擋沙墻將水體中的大顆粒推移質泥沙進行有效隔離，進而去除引水涵洞及入水口處河水中的大粒徑泥沙含量。按照對于金溝河泥沙粒徑的監控與分析，此部分設施能夠有效去除水體中的泥沙大約在20%左右。在具體的設計過程中有兩個方面因素需要考量。其一是需要考慮推移質泥沙的有效推移高度，該高度與水流推力及不同粒徑模式下的懸浮系數相關。按照水利工程的基礎性經驗，三者的關系遵循如下公式：

H=ap3/V

(1)

其中：H為有效高度；a為粒徑系數；p為粒徑數值；v為最大水流速。

不同粒徑系數查表可得，0.10～0.20 mm間為0.53，以此類推。金溝河防砂坎的去除目標為0.05以上推移質泥沙，將這一數值帶入公式1可得防砂坎高度最低不低于1.50 m，考慮到設計高度應該具有10%以上的富裕空間，設計的設計高度選擇為1.70 m。

2.2 泄洪閘、沖砂閘設計

泄洪閘與沖砂閘屬于金溝河應急水流通道的重要組成部分，在設計的過程中主要是保障在特殊時期如洪峰過境或河道沖砂階段確保其內的砂礫符合客觀標準。為了消除水體泥沙的影響多采用彎道的設計方式來避免泥沙的大量沖擊，這就需要特別注意彎道的寬度設計。其寬度的具體計算方式如下：

B=0.52A1.06Q0.71D0.085/n0.41G0.11

(2)

H=0.55n0.23Q0.48D0.076/A0.57G0.1

(3)

V=N0.18G0.21/0.286A0.48Q0.19D0.16

(4)

J=N2.08G0.55/0.037A0.25Q1.06D0.45

(5)

其中：B為彎道的水面寬度，渠道上下寬度不一致的應該以豐水期的平均水面為計算基準；A為經驗系數，與水體泥沙豐度相關；J為水面高度差；Q單位水流量；D為泥沙平均粒徑；H為斷面水深，以豐水期的平均水面為計算基準；V為斷面平均流速；N為渠道糙度；G為含沙量。

通過上述公式可以對B、H、V、J等相關系數進行計算，從而設定渠道的具體設計參數。在金溝河內，將水體的泥沙檢測數據代入上述公式中，可以計算得出泄洪閘的參數為：B=32.50 m，H為3.40 m，V為4.10 m/s，J為0.04 m；沖砂閘的參數為：B=19.90 m，H為2.60 m，V為2.30 m/s，J為1.27 m。

2.3 進水閘設計

與泄洪閘、進水閘等結構類似，進水閘的防砂設計是采用了引水彎道設計與排沙漏斗共同作用的方式來進行的。其中排沙漏斗在下文設計分析中進行詳細介紹，引水彎道依舊采用公式2到公式5來進行計算。在金溝河內，將水體的泥沙檢測數據代入上述公式中，可以計算得出進水閘的參數為：B=19.60 m，H為5.20 m，V為1.90 m/s，J為0.26 m。

2.4 排沙漏斗設計

排沙漏斗工程為金溝河渠首站排沙的主體結構，其排沙功能與原理已經在業內得到了廣泛的認可，在此不再進行贅述。按照一般設計要求，由于排沙需要，通過排沙漏斗后水體會形成沖砂損耗，此損耗應該控制在5%以內，避免對下游水利需求造成一定的困擾。按照這一要求，其最終的設計規模按照如下公式來進行計算：

M=Q×a×100%

(6)

其中：M為沖砂耗水量，決定了排沙漏斗的建設規模與具體參數；Q為引水量；a為耗水系數。

引水量取決于引水渠的具體規模，經過實際測算金溝河引水量為18.60 m3/s，耗水系數按照5%來進行計算，可以求得M=0.93 m3/s。結合這一耗水量指標，排沙漏斗的最終設計參數為：偃高1.62 m，堰長為19.00 m，采用混凝土澆筑的方式一次成型，厚度控制在0.80～1.00 m之間。沖刷后的排沙通過單獨通道排入下游，避免對水利設施造成影響。

3 金溝河渠首站排沙優化

在實際的應用中上述設計已經取得了豐碩的成效，為保障渠首站下游水利設施的安全與有效提供了重要保障。但是，上述設計依舊存在一定的問題與可優化空間，具體則分為如下幾個方面：

在防砂坎設計方面：防砂坎設計有效地去除了金溝河水體中的推移質砂礫，但是此種去除的本質上是一種隔離，避免砂礫對于下游水利設施沖擊的同時也造成了砂礫在防砂坎前的堆積針對這一問題需要采用定期清砂的方式來消除影響，否則防砂坎則會在長期泥沙堆積的情況下而失效。為了進一步解決這一問題有兩方面建議。其一是引入沖刷系統，通過開辟沖刷通道的方式形成防砂坎與排沙漏斗的聯動，選擇空余豐水期對防砂坎前的堆積泥沙予以沖刷清除。其二是采用分級防砂坎的方式來予以設計，此種設計可以將清砂作業進行有效分級，從而降低單次的清砂強度，縮短清砂周期，達到有效維護的根本目的。

在排沙漏斗方面：實際的耗水量與設計耗水量之間存在一定的差距，實際耗水量僅為3%左右，不足設計量的60%，這說明排沙漏斗在實際使用中依舊存在一定的效能空閑，可以更為有效地進行排沙工作。針對這一問題建議將排沙漏洞在內的一系列措施形成整體效益，如：降低防沙坎的設計高程，將更多的泥沙通過排沙漏斗的方式予以去除，進一步提高排沙漏斗的設計效能。

與此同時，現階段通過排沙漏斗或其他方式去除的泥沙均采用沖刷的方式排入下游，不利于下游河道的治理，也造成了一定的浪費。建議在排沙漏斗的排沙通道下游建立獨立的平緩河道作為采沙區。一方面其形成的河道凹陷可以有助于水體中推移質進一步去除；另一方面也可以產生部分經濟效益為當地的水土保持及河道治理提供資金保障。

4 總結

河道泥沙一直是水利系統的“天敵”，如何對河道泥沙進行有效地清除是水利設計的首要關鍵任務。文章在研究過程中，首先對金溝河泥沙環境與特征進行分析；其次對渠首站的排沙設計進行系統介紹；最后從有消息、經濟性等多個角度對其可能進行優化加以分析。希望通過文章的研究能夠為今后的相關設計提供必要依據，也為國內外類似相關工程提供必要參考。