黃花灘水利骨干工程壓力管道進口沉沙池設計分析

王明鋒

（甘肅省水利水電勘測設計研究院 甘肅蘭州 730000)

1 概述

古浪縣地處甘肅省河西走廊東端，祁連山北部，地理坐標為東經 102°38′～103°54′，北緯37°09′～37°54′之間。全縣南北寬 68km，東西長88km，總面積5103km2，耕地面積7.53萬hm2。黃花灘項目區主要位于古浪縣城東北部的黃花灘、西靖兩鄉，地勢相對平坦，土地資源豐富，開發潛力較大。黃花灘鄉位于古浪縣城東北部40 km處，東鄰西靖、井泉鄉，南靠黃羊川鄉，西連定寧、土門、永豐灘鄉，北靠騰格里沙漠并與涼洲區接壤，轄區總面積 280km2。現狀耕地面積0.43萬hm2，是一個井灌為主、河灌為輔的農業綜合開發鄉。

黃花灘項目在不增加景電二期灌區提水規模，不影響民勤輸水及古浪灌區灌溉用水的前提下，充分利用景電二期工程古浪灌區節水改造富余水量，在已有灌區設施基礎上，進行部分擴建延伸，合理開發黃花灘土壤條件優越的部分土地，發展灌溉面積0.57萬hm2，移民4萬人。在改善古浪縣南部山區生態環境的同時，充分利用黃花灘相對優越的自然地理條件，建一個新的生態移民及扶貧開發移民區，用來安置南部山區自條件差、經濟文化落后貧困群眾，達到生態移民及扶貧開發的目的，實現人與自然的共贏。

黃花灘灌區骨干工程渠系由干渠、分干渠、支渠 3級渠道組成，灌區骨干工程渠道全長114.15km，其中黃花灘干渠30.56km，南分干渠14.93km，北分干渠 24.92km，提灌分干渠8.63km，南分干所屬3條支渠16.07km，北分干所屬 2條支渠 19.44km。控制灌溉面積 0.57萬hm2。項目從景電灌區南北分水閘取水，需改建原景電灌區渠道14.06km，其中北干渠3.23km，北一支渠 10.83km，從北一支尾端新修干渠16.50km延伸至灌區，沿途新修2座提水泵站。改建段及新修段統稱黃花灘干渠，總長30.56km。黃花灘干渠除原景電灌區渠道改建為明渠外，新建段均為壓力管道輸水。本文針對干渠壓力輸水管道泥沙淤積分析，在干渠管道不淤運行情況下確定新建段渠首沉砂池型式。

2 黃花灘干渠壓力管道不淤運行分析

黃花灘干渠壓力輸水管道全長16.18km，此段設兩級泵站提水，最小流量1.17m3/s，設計流量 3.21m3/s，加大流量 4.17m3/s。管材為預應力鋼筋混凝土管，管徑分別為φ1600mm、φ 1800mm和φ2000mm3三種。黃花灘干渠壓力輸水管道參數見表1。

表1 黃花灘干渠壓力輸水管道參數表

黃花灘干渠新建管道段為單管有壓輸水，經各段管道水力計算，管道設計流速滿足規范規定的設計經濟流速，但最小流量時管道流速較低。為分析小流量時管道泥沙淤積問題，委托泥沙檢測單位對景電二期北一支渠做渠水泥沙分析試驗。試驗成果表明，景電二期北一支渠下段即黃花灘干渠新建段進口處渠水總固體含量為4323mg/l，溶解性固體含量為428mg/l，懸浮性固體含量為3895mg/l。

根據 GB50288—99《灌溉與排水工程設計規范》表G.0.1-2中查得，泥沙粒徑0.2mm，止動幺速為 0.36m/s。本工程干管在最小流量1.17m3/s運行工況下，最小流速為0.37m/s，故理論上泥沙粒徑≤0.2mm的均可由管道水流攜帶走，干渠管道各管段不會產生泥沙淤積。

為避免渠水中泥沙粒徑＞0.2mm的泥沙顆粒進入輸水管道，需在管道進口前設置沉沙池，沉淀0.2mm以上粒徑的泥沙，為管道不淤運行提供保障。

3 渠首沉砂池設計

按照SL 269—2001《水利水電工程沉沙池設計規范》的規定，水利灌溉工程沉沙池泥沙沉降設計標準為出池泥沙允許粒徑不宜大于0.05mm.為此，在結合工程實際地形等情況下，本設計中考慮兩種條渠沉沙池方案，即出池泥沙粒徑小于0.05mm的長池方案和出池泥沙粒徑小于 0.2mm的短池方案。經綜合比較后選擇適宜本項目的沉沙池方案。

3.1 沉沙池長池方案

針對沉降粒徑0.05mm以上泥沙顆粒進行沉沙池設計。沉沙池以新建段渠首前渠道設計流量3.81m3/s，水溫20℃為條件進行水力計算。沉沙池的平均流速取0.2m/s，根據GB 50288—99《灌溉與排水工程設計規范》表D中查得，泥沙粒徑0.05mm在水溫20℃時沉降速度為1.67mm/s。參照水工設計手冊以及規范公式計算，沉沙池長池方案計算成果見表2。

表2 沉沙池長池方案計算成果表

據渠水泥沙試驗分析成果，試驗取樣渠水中的泥沙總固體含量為 4323mg/l，粒徑≥0.05mm的顆粒占29.3%，即1267mg/l。沉沙池進口含沙量S0為4.3kg/m3，出口含沙量S為3.1kg/m3，滿足規范要求。黃花灘灌區渠首斷面需水量為3120萬 m3，經計算每年沉沙池沉淀泥沙量約為 6.05萬 m3。

因沉淀泥沙量較大，水力沖沙條件不足，且沉沙池沉淀容積很難滿足一個灌溉期的沉沙量，故為考慮人工或機械清沙，沉沙池需做兩廂式結構。沉沙池主要結構尺寸擬定為：單廂寬度10m，池廂長度400m，池廂深度3m。

3.2 沉沙池短池方案

針對沉降粒徑 0.2mm以上泥沙顆粒進行沉沙池設計，沉沙池設置位置同長池方案。沉沙池以干管設計流量3.81m3/s，水溫20℃為條件進行水力計算。根據SL269—2001《水利水電工程沉沙池設計規范》及《水工設計手冊》（灌區建筑物)規定，沉沙池沉淀泥沙粒徑≥0.2mm時，沉沙池的平均流速可取0.2m/s。根據GB50288—99《灌溉與排水工程設計規范》表D中查得，泥沙粒徑 0.2mm 在水溫 20℃時沉降速度為17.9mm/s。參照水工設計手冊以及規范公式計算。沉沙池計算成果見表3。

表3 沉沙池短池方案計算成果表

通過計算確定設置一座兩廂式沉沙池，沉沙池主要結構尺寸擬定為：池廂長度50m，單廂寬度 10m，池廂深度 3m，沉沙池采用螺旋渦管沖沙和人工或機械清沙兩種方式，兩池廂均設有3m寬清淤下渠通道。

3.3 沉沙池方案比選

綜合考慮兩種沉沙池設計方案，沉沙池長池方案出池泥沙粒徑雖可滿足規范要求，極大程度降低管道水流含沙量，但因其無法利用水力沖沙、清淤量大、清淤困難、占地多、施工期長、投資大和不便管理等缺點，本項目不宜采用。沉沙池短池方案占耕地少，工程投資不大，可以保證施工工期，且經管道不淤運行分析，粒徑0.2mm以下的泥沙顆粒均可經管道水流帶入田間，可有效改良田間土壤。參照黃河流域已建大型灌區經驗，本項目推薦沉沙池短池設計方案。

4 結語

黃花灘項目特點是干渠前段為已有明渠改擴建，后段均為有壓輸水管道。灌區采用長距離、大口徑有壓輸水管道方案在甘肅省尚屬首例，且水源為黃河水，渠水泥沙含量大，有壓輸水管道淤積問題為本項目技術關鍵點，在本項目開展設計工作期間，對黃河流域已建大型灌區泥沙處理進行了大量調研，吸取各灌區已有經驗，通過泥沙淤積計算分析，在有壓輸水管道進口前設置沉沙池。沉沙池沉降設計標準以管道最小流速為泥沙止動幺速選擇沉降最小粒徑。本工程干管在最小流量 1.17m3/s運行工況下，最小流速為0.37m/s，泥沙粒徑0.2mm止動幺速為0.36m/s，故沉沙池沉降設計標準按泥沙粒徑＞0.2mm設計，泥沙粒徑≤0.2mm的均可由管道水流攜帶走，干渠管道各管段正常運行不會產生泥沙淤積，沉沙池選擇短池方案是可行的。

1 GB50288－99灌溉與排水工程設計規范［S］，北京：中國計劃出版社，1999.

2 左東啟，顧兆勛，王文修.水工設計手冊（灌區建筑物)［Z］，北京：水利電力出版社，1984.

3 吳持恭.水力學［M］.北京：高等教育出版社，1982.

4 SL269－2001水利水電工程沉沙池設計規范［S］.北京：中國水利水電出版社，2001.