大型調蓄沉淀池設計要點分析

馮 臻，丁曉軍

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830002）

0 引言

調蓄池能將河道徑流的高峰流量暫存其內,在干旱期能夠保障河道水量,也可消減洪峰流量[1]。在缺水地區,河道來水枯竭、斷流,因此為了滿足區域用水需求,修建調蓄池進行用水調節是必要的。本文結合新疆某灌區水利工程調節沉砂池,細化大型調蓄池設計思路和要點,保證調蓄水量能夠滿足區域供水的需要。

1 工程概況

根據灌區工程總體規劃布置方案,灌區灌溉面積9萬畝,調節沉沙池的設計總庫容2305 萬m3,綜合分析工程屬Ⅲ等中型工程。本工程大壩、庫盤防滲、放水涵洞、庫內渠為主要建筑物,級別為3 級。調節沉沙池引水口布置在惠海三級電站尾水渠投入西岸干渠斷面下游后接引水渠及入庫陡坡,引水進入調節池。調節沉沙池承擔灌溉及工業供水的任務,灌溉流量及工業供水流量為4.3 m3/s,加大流量為5.3 m3/s。

2 設計要點

2.1 泥沙沉淀淤積

調節沉沙池引蓄車爾臣河水,調節下游灌區用水,調節沉沙池的泥沙淤積主要來源有兩部分,一部分為車爾臣河水攜帶泥沙入庫,另一部分為風沙降塵入庫。

2.1.1 引水攜帶泥沙入庫

（1）入庫水量及含沙量

調節沉沙池為引水注入式水庫,由電站尾水渠引水,電站為第一分水樞紐下游的六座梯級電站中最末一座,考慮電站系統的沉沙作用,本階段調節沉沙池僅考慮粒徑小于0.1 mm的懸移質泥沙入庫,懸移質泥沙容重取1.3 t/m3。調節沉沙池泥沙沖淤計算采用一維懸移質不平衡輸沙數學模型,計算方法為不平衡有限差分法。

調節沉沙池水位變化較大,計算時段步長和水位根據調節沉沙池徑流調節成果按月初步劃分,為避免相鄰時段過長和相鄰水位變化過大而引起的斷面變化,以水位變化0.1 m為一個單位進行水位內插,根據劃分的水位步長再細分時段步長。

（2）調節沉沙池淤積縱斷形態

調節沉沙池淤積縱斷面見圖1。從圖1 中可以看出：調節沉沙池在死水位以上淤積形態為帶狀,死水位以下淤積形態為錐體。當調節沉沙池運行30 年時,閘前淤積高程為1388.0 m,當運行50 年時,閘前淤積高程為1388.5 m。

圖1 調節沉沙池淤積縱斷面圖

（3）調節沉沙池沖淤排沙變化

根據調節沉沙池引水過程可知,因汛期引水量比重較大,攜帶泥沙入庫量較多。沉沙池在正常蓄水位的回水長度約為1.5 km,小于0.005 mm的細顆粒泥沙由于泥速降慢,容易隨泄流排出池外,根據淤積計算分析,調節沉沙池運行第30 年時,排沙比為30.4%。

（4）調節沉沙池庫容變化

根據泥沙淤積計算可知,入庫泥沙主要在調節沉沙池的后部淤積,調節沉沙池不同淤積水平年庫容見表1,不同淤積水平年庫容曲線見圖2。

表1 調節沉沙池不同年限庫容淤積情況

調節沉沙池運行30年時,剩余死庫容69.5×104m3,死庫容淤積量占死庫容的61.2%,剩余調節庫容1842.2×104m3,調節庫容淤積量占調節庫容的13.4%。

2.1.2 降塵入庫

擬建調節沉沙池位于沙漠邊緣,根據當地沙塵天氣及灌區水庫沉沙經驗,每年降塵厚度按照8 mm考慮,按照運行期30 年計算,調節沉沙池庫盤內共降塵50.4萬m3,按不同水位對應面積分攤,死庫容內降塵20.7萬m3,興利庫容內降塵29.7 萬 m3。

2.2 池線選擇

推薦下池址位于車爾臣河左岸山前傾斜沖洪積扇下游,為洪積傾斜戈壁平原,庫壩區地形開闊略有起伏,總體地勢南高北低,地面縱坡約1.1%,調節沉沙池壩線布置基本不受約束。本次設計調節沉沙池利用自然地形縱坡,在池址區初步擬定三面圍壩方案及四面圍壩方案進行壩線方案比選。

2.2.1 三面圍壩壩線方案比選

調節沉沙池需避開洪溝區、風積沙區、文物核心區,高程需滿足自壓灌溉的要求,調節沉沙池水面不低于1352 m。引水渠由西岸干渠18+833 處設置引水閘引水至調節沉沙池,調節沉沙池水面不高于1446.53 m,因此調節沉沙池壩線布置在推薦池址范圍內盡量靠近東側和南側,見圖3。按照不同壩高,高差約2 m,共布置了四個三面圍壩的方案,布置見圖4。

圖3 調節沉沙池池址示意圖

圖4 調節沉沙池壩線比選（三面圍壩方案）

從表2比選結果可知,庫盤越小,壩高越高,投資越經濟。從方案一至方案四可知,壩高增加量為1.7 m、2.1 m、3.1 m,庫盤面積減少量為32.4 萬m2、25.2 萬m2、45.8萬m2,投資減少量為3845 萬元、1223.2 萬元、317.4 萬元,投資減少量越來越小。從壩線布置來看,逐漸由接近方形變成長方形,深水區壩長（北壩）越來越短,淺水區壩長（東、西壩）越來越長,三面圍壩庫盤減少從而減少投資的優勢越來越不明顯。

根據大多數平原水庫的布置方案,近似于圓形的壩線布置最為經濟,因此綜合確定選擇北壩長度較為適中的方案二的庫盤布置及壩高,在此基礎上布置四面圍壩方案,各方案的特性參數見表2。

表2 三面圍壩各方案經濟指標對比表

2.2.2 四面圍壩方案與三面圍壩方案比較

采用四面圍壩方案,在三面圍壩方案二的基礎上,由南側布置一道大壩,減少庫盤,降低投資,由此布置四面圍壩。

（1）占地情況

兩個方案庫盤面積越大,占地面積越大,由于只有場外總干排和干排涉及灌木林,其余部分均為沙地不計補償,因此兩個方案均無占地補償費用。

（2）對環境的影響

兩個方案庫盤的占地面積較大,施工過程對環境的影響范圍較大,因此應選擇投資經濟,占地面積小的壩線布置方案。

（3）施工方面

兩個方案壩高相差較小,三面圍壩庫盤面積大、四面圍壩壩線長,兩個方案施工難度相差較小。

（4）蒸發量計算

四面圍壩方案比三面圍壩方案蒸發量減少了69.36萬m3,當地現狀農業灌溉水價為0.257 元/m3,工業用水水價為2.5元/m3,轉化為農業效益增加投資約17.82 萬元,轉化為工業效益增加投資約174.3 萬元。

（5）投資方面

庫盤投資73.37 萬元/萬m2,大壩投資25.54 萬元/萬m3,庫盤投資對調節沉沙池的投資影響較大,四面圍壩方案一比三面圍壩方案二投資減少3368 萬元。

（6）綜合比選

三面圍壩方案二可利用南側地面高程擋水,壩線長度較短,壩體工程量較小,但是庫盤防滲面積較四面圍壩方案大,庫盤防滲投資增量遠遠大于大壩填高投資增量,因此三面圍壩的投資較高。同時,因庫盤面積大蒸發量大、施工擾動面積大,對環境的影響較大。綜合比較可知,四面圍壩方案優于三面圍壩方案。

2.3 防滲方案

調節沉沙池全庫盤面積196萬m2,對庫盤進行開挖,開挖砂礫石料用于大壩填筑,粉土質砂料用于庫盤墊層,棄料堆于大壩壩后。池盤開挖采用變坡開挖,根據地形總體坡度,南北向自南壩坡腳30 m外設計采用1/62 坡比接水平坡度開挖,斜坡段投影長度967 m,池盤東西向水平開挖；調節沉沙池大壩坡腳30 m外與庫盤設計面采用1∶20斜坡連接,池盤最大開挖深度5.5 m。庫盤采用全庫盤防滲,防滲面積196萬m2,采用復合土工膜防滲（即無紡布400 g/m2,+一布一膜0.6 mm/400 g）,土工膜上、下分別設置15 cm砂墊層,防滲膜上覆土厚度為0.5 m。

根據分離式砼板面砂礫石壩規范,主堆石區砂礫石小于5 mm的顆粒含量不易超過20%,C1 料場內砂礫石小于5 mm的顆粒含量為20%,砂礫石料不滿足分離式砼板面砂礫石壩的填筑要求。C1 料場內砂礫石滿足土工膜斜墻防滲砂礫石壩的填筑要求。

新疆土石壩施工技術成熟,難度較低,質量易保證,施工期靈活,有利于工程早日發揮效益。在新疆類似的平原水庫工程建設中,土工膜斜墻防滲是成功可靠的。因此綜上所述,從技術、經濟上考慮,本次設計壩型采用土工膜斜墻防滲砂礫石壩。

3 結語

大型調蓄水池在發揮徑流調蓄作用時往往受泥沙淤積、滲漏損失及圍壩方案困擾,本文結合新疆某灌區水利工程調節沉砂池設計實例,系統分析梳理了調蓄池的設計要點,可為工程設計人員提供參考。