赵口引黄灌区一号沉沙池设计方案优化试验研究

摘要：要求大型放淤工程的沉沙池具有沉粗排细特殊功能，以延长沉沙池的使用时间，有效利用土地资源，是一个值得探索的课题。本文通过泥沙模型试验，结合具体工程实例，提出加筑纵、横向导水堤的方法，将条渠分隔成若干区域，分期分区合理地开辟新淤积区，并一步优选合理的工程布置方案，以达到设计要求。其基本原则可供此类沉沙池设计借鉴。

关键词：沉沙池 沉粗排细 分区淤积

1 引言

　　赵口引黄灌区位于河南省黄河南岸，分布在郑州市中牟县和开封市尉氐、通许三县境内，是水电部批准兴建的大型放淤试点工程。目的是通过工程实践，探索引黄泥沙的合理处理，利用肥水灌田，改变农业低产落后状况。

　　灌区一号沉沙池由Ⅰ至Ⅳ号条渠组成，沿引黄总干渠左侧依次布置，进口离赵口闸1.6km,平面呈湖泊形，为自流式沉沙池，见图1。一期工程确定先使用第Ⅰ条渠，其位于池的南部，长约9.865km，宽265～785m，总面积5.2km²，沉沙池容积约6，000，000m³。为了充分发挥沉沙池的工程效益，要求条渠具有沉粗排细的功能。

　　由于泥沙运动的复杂，需进行整体泥沙模型试验论证原设计方案，并寻求经济合理的优化布置方案和易行的运行方式，尽可能利用条渠的有效容积，沉粗排细 ，既延长其使用年限，又能使含有一定数量细沙的肥水排出沉沙池灌溉农田。

2 工程概况

2.1 工程布置

　　黄河河水由赵口闸引入，流经1.6km的总干渠，通过节制闸的调节，进入沉沙池的进水闸，流入第Ⅰ条渠。进水闸引水角65°，共六孔，每孔孔径4×3m，设计引水流量110m³/s，闸底设计高程81.79m，闸前设计水位84.17m，闸后设计水位83.97m。出水闸和总干渠交角56°，设计流量及闸孔尺寸和数量同进水闸，闸底设计高程79.40m，闸前设计水位81.19m，闸后设计水位81.17m。

　　由于第Ⅰ条渠上段地势较高，在进水闸下游3.3km范围内，地面高程大多在82m以上,高于进水闸底高程。其中散布着多处放淤形成的滩地，高程在82.5～86.9m之间,且大多横向分布,给自流引水造成了困难，拟在条渠内开挖引水渠使水流得以通行。

　　为便于沉沙条渠两测的村民生产,条渠内筑三条横隔堤,并架设桥梁，由进出水闸和三条隔堤将条渠划分成四部分,从下游至上游分别称为A、B、C和D区。

2.2 水沙条件

　　赵口闸位于三门峡水库下游，来水来沙受水库调度影响较大。为此，采用三门峡水库改建后1974～1986年，距赵口闸上游约25km的花园口水文站的实测水文泥沙资料，作为沉沙池的设计依据。

　　赵口引黄灌区引水期在每年的3、4、5和12月，每月引水天数分别为20、10、30和10天，总计每年70天。模型采用3月份的多年平均悬移质粒径，泥沙颗粒级配见表1，中值粒径为0.0498mm。引水期选用3月份多年平均含沙量6.46kg/m³。

表1 花园口站3月份多年平均悬移质粒径级配

Long period average sediment grading in March at Huayuankou station

　　条渠设计流量110m³/s，进口最高限制水位83.97m，如条渠进口超过该水位，将不能引足设计流量。条渠出口水位控制在81.91～82.40m。为使条渠具有沉粗排细的功能，要求出口含沙量控制在2～4kg/m³，小于0.03～0.05mm的细颗粒泥沙能排出沉沙池。

3 模型设计

3.1 几何比尺

　　根据沉沙池的平面布置及所要研究问题的性质，确定模型平面比尺为λ_l=150。在确定水深比尺时，考虑到模型水深不应过小，同时考虑糙率不宜过大和有足够的测量精度，模型宜做成变态。变态模型应使模型水流运动仍与原体基本相似，出现的偏差应在允许范围内，其变率的大小主要依赖于原体的宽深比。模型宽深比(B/H)_m可由下式^[1]确定

　　取水深比尺等于20，对条渠中宽深比最小的断面进行校核，结果满足式（1）。因此可确定模型的水深比尺λ_h=20。

3.2 水流运动相似

　　重力相似

　　阻力相似

式中 λ_v、λ_c、λ_n分别为流速比尺、谢才系数比尺和糙率系数比尺。

3.3 泥沙运动相似

　　由总干渠引入沉沙条渠的水流，含沙浓度较高，大多处于超饱和状态。由于条渠过水断面增大，流速减小，水流的挟沙能力大幅度降低，造成条渠内泥沙淤积。条渠内泥沙淤积形式主要为缓流淤积，也可能出现局部回流淤积。随着泥沙的累积性淤积，池中水深减小，水流流速和流路将发生变化，在出口水位作下降调度时，水面比降和流速也将增大。上述情况均有可能使已淤泥沙发生部分冲刷。为此，模型设计首先必须满足泥沙沉降条件相似，同时尽可能满足冲刷条件相似。由此进行模型设计。

　　沉降相似

　　挟沙能力相似

　　起动或扬动相似

　　冲淤变形相似

式中 λ_ω、λ_s、λv_f 、λt₂分别为沉速、含沙量、扬动速度和冲淤时间比尺。

　　由于沉沙条渠中各级粒径的泥沙颗粒都存在沉降问题，因此应考虑全部粒径都满足沉降相似来粒径比尺。显然，λ_ω不是常数，随原型沙粒径变化。

3.4 模型沙的选择

　　原型沙特性试验表明，沙粒重度为26.8kN/m³，淤积物干重度平均值为12.1kN/m³。沉降试验表明，原型沙絮凝现象很微弱，在模型沙选择时可不计絮凝的影响。经过比较，选用粒径广泛的电木粉作为模型沙，其重度为14.1kN/m³，淤积物干重度4.41kN/m³。

　　在沉沙条渠运行后期，随着泥沙的累积性淤积，水流流速增大，出口水位下降调度时，可导致已淤泥沙的局部冲刷，模型沙应满足泥沙起动（扬动）相似。因此，对模型沙的起动（扬动）流速相似条件进行校核计算。按窦国仁起动流速公式^[2]，对几个典型水深条件下的原型沙和模型沙进行计算，结果表明，其起动（扬动）流速比尺略小于流速比尺，而使模型淤积物偏于难冲，在模型中形成的沉沙条渠淤积面比降将较天然情况为陡。

由上述各相似条件可算出各模型比尺λs_*=λ_s=0.482,t₂=180。

4 方案优化试验和分析

4.1 原方案试验^[3]

　　由于条渠上段地势较高，在进水闸至池桩号3+940处挖有引水渠一条，渠宽43m，纵向底坡1：5000。引水渠沿池中心线偏左侧布置，在池桩号2+630以下与丁村沟汇合。条渠内筑三条横隔堤，每条隔堤上有两座桥，其分别位于总干渠桩号5+376、6+941和9+498三处，沉沙水流通过桥孔流向下游。见图2。

　　开始引水时，含沙水流自进水闸沿引水渠进入沉沙条渠。由于引水渠底坡比降较大，渠内流速在2m/s左右，泥沙基本不落淤。强烈的淤积首先发生在引水渠下端（池3+000～4+000），形成三角形淤积体，并不断向下游延伸。当淤积体高程接近水面时，形成淤沙滩地和主流沟槽。随着淤沙的不断堆积，沟槽变动较大，有的呈横向流动，有的可绕过右侧的原淤沙高地，使泥沙横向淤积分布趋于均匀。沟槽的发展受横隔堤和桥孔的影响较大，到条渠使用末期，沟槽大多沿左右桥孔分成两条，既有交汇，又能各自流向下游。

　　试验表明：泥沙淤积从上游逐渐向下游发展，中下段在较长时间内处于水深大、流速小的状况，水流经此段至出口，含沙量大大降低，泥沙粒径较细，大部分泥沙落淤在池内，无法满足设计的沉粗排细要求，大大缩短了沉沙条渠的使用时间。

4.2 修改方案试验^[4]

　　鉴于原设计方案中存在的问题，在修改方案中提出加筑导水堤，分期分区淤积的工程措施，以达到沉粗排细，有效利用沉沙池容积，延长使用时间的目的。应当指出，只要合理调整每个淤积区的大小，就可使出口含沙量和粒径不致过高或过低，以满足设计要求。为此，进行了两组优选方案试验。

　　在第一组方案中，将条渠内的第一条隔堤上移至总干渠桩号4+776，在第一和第三条隔堤之间的右岸设导水渠，第二和第三条隔堤之间的左岸设退水渠，设计渠底宽60m，底坡1：5000；为了使条渠能分期分区淤积，以达到设计要求的出口粒径和含沙量的指标，在导水堤上开六个拢口，每个拢口宽75m，其分别位于沉沙池桩号3+140、4+520、5+140、5+820、6+640和7+140；第一和第三条隔堤的右岸各设一座桥，第二条隔堤的左、右岸设两座桥，其宽度皆为60m。见图3。

　　在第二组优化方案中，平顺进水闸至第一条隔堤间的引水渠，不设左岸退水渠，只设右岸导水渠，在使用C区淤积时，在第二条隔堤上游60m处筑一长约500m的横导堤，并封堵隔堤上的左桥孔，使水流通过横向导水渠从左岸转至右岸的桥孔流入导水渠。将导水堤上的拢口减为四个，其位置分别为沉沙池桩号3+140、4+520、5+820和6+640。见图4。

　　两组方案的操作程序为：

　　（1）封堵导堤上的所有拢口，由导水渠引水至池末的A淤积区，出口以低水位控制。

　　（2）当淤积区内已有滩地形成，且出口含沙量和粒径即将达到设计上限指标时，逐渐抬高出口水位至最高限制水位运行。

　　（3）沉沙条渠在出口最高限制水位状况下运行，出口含沙量、粒径增大至设计上限指标时，需在导水堤上打开一拢口，放水入B淤积区。

　　（4）按上述步骤依次使用B、C淤积区，直至条渠淤满。

　　开始引水时，进入沉沙条渠的含沙水流集中在引水渠内往下流动，经导水渠流入A淤积区。由于引水渠和导水渠内的底坡比降较大，流速大，泥沙基本不落淤，因此，大量的淤积首先发生在导水渠拢口出口一带，并不断向下游发展。随着淤积的不断发展，沟槽变动较大，使泥沙的横向分布趋于均匀。同时，由于池内淤积的不断向下游延伸，水流挟沙力在池内逐渐恢复，出口含沙量和粒径也不断增大，直至达到设计上限指标，开辟另一个淤积区。

　　表2为优化方案试验淤积量和沉沙率统计。从表中可知，在给定的水沙条件下，沉沙池的淤积总量约为4，000，000m³。第二组优化方案工程量明显少于第一组，而使用时间略长，从工程总体效果看，具有明显的优势。在第二组试验中，A、B、C三区的淤积量分别占总量的19.6%、35.6%、37.2%，其他的占总量的7.6%。由此可见，其主要淤积区为B、C两区，占总淤积量的72.8%。

表2 优化方案试验淤积量和沉沙率统计

Statistical data of optimum scheme

　　图5为第二组试验进出口含沙量过程线。与原方案相比，由于淤积区的长度大大缩短，使得出口含沙量和粒径在开始时就较大，大量的无害泥沙能够排出沉沙池，节省了条渠的有效沉沙容积；同时，由于分区淤积，出口含沙量并不随运行时间单向增加，因而沉沙效率也不随时间单向减小，其大小主要取决于所开辟淤积区沉沙容积的大小和形状等。另一方面，分区淤积使得条渠在纵向上淤积高差减小，淤积物分布更趋平坦，在第二组试验中，A、B、C三区的淤积面比降约为1：7000，可达到延长沉沙池使用寿命的目的。

　　由于原方案改变泥沙沉排比的手段较弱，沉沙池在大部分时间处在沉沙效率较高的状态，较多的细沙不能排出而被拦蓄沉淀在条渠内，使得条渠的使用年限大为缩短。第二组优化方案由于增加了调节淤积区大小的手段，使沉排比例控制在要求范围内，在设计流量110m/s时，条渠的使用时间可延长至130d，约合1.86年。

　　由于B、C两区的淤积量占总量的72.8%，在设计水沙条件下，可运行104d，约合1.49年，为充分利用土地资源和节约工程费用，可考虑采用“以挖代沉”的使用方式。即以第Ⅰ条渠代替1号沉沙池，在A区淤满还耕后，只考虑B、C两区轮换使用，周期为1.49年，则整个沉沙池的平面面积由30km²减小为3km²，将大大地节约土地资源。

5 结语

　　试验结果表明，沉沙条渠要达到沉粗排细的目的，应限制其淤积区的平面尺度，增大水流流速，缩短水流流程，使泥沙沉排比例控制在适当范围内。这将有利于充分利用沉沙池的容积，增加条渠的使用时间，节约土地和费用。

　　优化方案采用加筑纵、横向隔堤的方法，将条渠分隔成若干区域，通过引水渠分期分区合理地开辟新淤积区，使池内泥沙淤积分布基本均匀、平坦、使用年限达到1.86年。若以第Ⅰ条渠代替整个一号沉沙池，采用“以挖代沉”的方式，将第Ⅰ条渠的两个淤积区轮换使用，周期为1.49年，而整个沉沙池的平面面积由30km²减小为3km²，将大大地节约土地资源。

　　由各组试验资料的比较可以看出，沉沙池的使用寿命与进池泥沙的含沙量、粒径级配及引水流量有很大的关系。在复杂多变的天然情况下，应根据实际情况确定引水条件，避开过高含沙量、过大粒径的水沙期，避免引进过小流量，合理地使用沉沙池。

　　本文不仅对赵口沉沙池的设计、施工、管理有指导性意义，对其他沉沙池的设计、规划也有重要借鉴作用。

参 考 文 献

[1] 李昌华，金德春。河工模型试验。北京：人民出版社，1981.

[2] 窦国仁。全沙模型相似律及设计实例。水利水运科技情报,1977，(3).

[3] 杨德昌等。赵口引黄灌区一号沉沙池泥沙模型试验阶段报告。南京水利科学研究院，1990.

[4] 周益人等。赵口引黄灌区一号沉沙池泥沙模型第二阶段试验报告。南京水利科学研究院，1990.