園形沉沙池的設(shè)計(jì)構(gòu)造及使用效果驗(yàn)證

摘要：沉沙池是水利工程中的重要組成部分，由于傳統(tǒng)的直線(xiàn)形沉沙池所需長(zhǎng)度要70"m左右，在山區(qū)較難找到如此長(zhǎng)度的地形;同時(shí)直線(xiàn)形正底坡沉沙池沖沙效果欠佳。如采用園形沉沙池，地形條件大多能滿(mǎn)足要求。通過(guò)我州"近10多年小水電工程建設(shè)的實(shí)踐證明，園形沉沙池的沉沙、沖沙效果好，運(yùn)行管理方便，工程投資相對(duì)小。本文對(duì)園形沉砂池的設(shè)計(jì)構(gòu)造及使用效果進(jìn)行了分析闡述，以供同行參考。

關(guān)鍵詞：水電工程;園形沉砂池;設(shè)計(jì)構(gòu)造;使用效果

一、近年園形沉沙池的出現(xiàn)是工程實(shí)踐的創(chuàng)新

1、傳統(tǒng)的正底坡直線(xiàn)形沉沙池在我州的應(yīng)用簡(jiǎn)況

筆者在山區(qū)從事水利水電的勘測(cè)設(shè)計(jì)工作多年，經(jīng)常遇到正底坡直線(xiàn)形沉沙池的設(shè)計(jì)布置上很難找到適合長(zhǎng)度單沙效果較差。規(guī)范要求該沉沙池的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，一般都在70"m左右，其長(zhǎng)度按下公式計(jì)算：

式中L——沉沙的工作長(zhǎng)度（m）;

——系數(shù)，一般采用1.2-1.5;

Hp——沉沙池工作深度（m），一般為4-5m，取4m;

V——沉沙池水流的平均流速（m/s），當(dāng)要求沉淀的泥沙粒徑dgt;0.25-0.40mm時(shí)，V值可選用0.25-0.50m/s，取0.35"m/s;

——泥沙的沉降速度（m/s），當(dāng)沉淀0.35mm粒徑泥沙且水溫為10℃時(shí)，=0.0328m/s

代入公式計(jì)算并取整數(shù)L=51-64（m）

以上的長(zhǎng)度尚未包括進(jìn)、出口漸度段的長(zhǎng)度，一般需10m左右。由于長(zhǎng)度受地形限制，沉沙效果都不太理想，尤其在底柵壩取水中，小于柵條間隙8mm（常規(guī)）粒徑的沙石都隨水流入池，得由沉沙池來(lái)負(fù)責(zé)沉降沖除。由于沉沙池長(zhǎng)度受地形限制，沖沙效果達(dá)不到規(guī)范要求，較細(xì)粒徑的泥沙沉不下來(lái)致而帶入下游危及水輪機(jī)。同時(shí)較粗粒徑的推移質(zhì)都沉積在沉沙池的進(jìn)口段。而池底坡型的采用方面，為了操作沖洗比反坡方便，我州的直線(xiàn)沉沙池基本都是正底坡。所以沉沙池進(jìn)口段的推移質(zhì)距沉沙池末端的沖沙閘的距離都遠(yuǎn)，沖沙水束無(wú)法沖走該處大量的沙石，經(jīng)常導(dǎo)致引不夠設(shè)計(jì)流量。為此迫使停止引水，停機(jī)發(fā)電，進(jìn)行人工請(qǐng)除這些沙石，一般在汎期10天左右需清除一次，這就造成大量較大的經(jīng)濟(jì)損失。

2、園形沉沙池的出現(xiàn)

由于以上直線(xiàn)形正底坡沉沙池的諸多敝端，筆者一直蒙求既能取表層水又能夠不停水停機(jī)去進(jìn)行人工清沙石、同時(shí)也不需要直線(xiàn)形沉沙池那么長(zhǎng)度的條形地帶的一種沉沙建筑物。

從日常生活生產(chǎn)中得到啟發(fā)：例如在球冠形的容器中裝有水并摻一些容重比水大的固體物質(zhì)，再按一個(gè)方向沿周邊撥動(dòng)時(shí)，水中的固體物質(zhì)很快就沉入底部。由此聯(lián)想到用這樣的原理作園形沉沙池。但是在教科書(shū)或刊物上找不到類(lèi)似的參考資料，更談不上有相關(guān)的規(guī)范去遵循。全靠摸索實(shí)踐得出本文筆者所論的園形沉沙池。

二、園形沉沙池工作原理

園形沉沙池的沉沙是利用水流的離心力使沙快速下沉。來(lái)自取水道的夾沙水流方向與池內(nèi)壁相切，夾沙水流的慣性作用，繞園心始終按一個(gè)方向作園周運(yùn)動(dòng)，泥沙隨之快速下沉且靠近園心。當(dāng)開(kāi)啟園心處的沖沙閥時(shí)就可沖沙、表層水經(jīng)池壁頂?shù)墓┧缌餮叻胍_(dá)到了取無(wú)有害泥沙的表層水的目的。目前水沙運(yùn)動(dòng)的規(guī)律尚未量化，但是根據(jù)近年來(lái)運(yùn)行證實(shí)沖沙效果良好。

三、園形沉沙的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)構(gòu)造

1、地形及工程地質(zhì)條件

在山區(qū)流域面積小的河道，原則上都是攔河低溢流壩與攔柵壩無(wú)壓取水，選擇壩址時(shí)要綜合考慮有布置園形沉沙池的位置，只要有一塊能布置池體大小的場(chǎng)地即可，不管是天然的場(chǎng)地或需經(jīng)人工挖填形成的都可以。沉沙池盡量靠近進(jìn)水閘，以盡量縮短沉沙池至進(jìn)水閘間的引渠長(zhǎng)度，以利泥沙進(jìn)入沉沙池同時(shí)減小引渠的工程量。池基對(duì)工程地質(zhì)條件的要求較低。一般情況都能滿(mǎn)足要求，只要地基穩(wěn)定，除流沙和淤泥外的地基都能滿(mǎn)足要求。

2、沉沙池直徑的確定

根據(jù)已知工程的設(shè)計(jì)流量，然后初擬池墻供水溢流堰的堰頂水深，再用堰流公式計(jì)算出溢流堰的孤長(zhǎng)，該弧長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的園心角不宜大于90度，已知弧長(zhǎng)和對(duì)應(yīng)的園心角即可求出直徑。

溢流堰的過(guò)流能力按下式計(jì)算：

或中Q——渠道設(shè)計(jì)流量（m3/S）

m——流量系數(shù)

B——溢流堰長(zhǎng)度（m）

H0——堰頂水深（m）;

供水溢流堰頂水深的深度越小時(shí)，所取的表層水所含有害泥沙量相應(yīng)也小，但增大了供水溢流堰的長(zhǎng)度亦即增大了沉沙池的直徑，相應(yīng)增加了工程造價(jià)。如果供水溢流堰的堰頂水深越大，其結(jié)果剛好與上的情況相反。根據(jù)筆者現(xiàn)場(chǎng)考察分析，建議供水溢流堰的堰頂水深為250mm左右較好。

3、沉沙池的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

底板的坡降：自沉砂池周邊直墻底起，以輻射狀約按0.1的坡度向園心下降呈園錐形底。

沖沙孔與沖沙道：池底板園心部份有φ60的沖砂孔，從沖砂孔進(jìn)口垂直向下設(shè)1.7m深的沖砂豎井，再?gòu)木滓?.02～0.04的坡度設(shè)沖砂廊道，沖砂廊道內(nèi)側(cè)橫截面尺寸B×H="0.6×1.4m，該尺寸以滿(mǎn)足人能入廊道檢修為準(zhǔn)。沖沙廊道出口高程最小應(yīng)高于該處河床1.0m，其目的是保證有一定沖沙水頭。

池底板宜用300mm厚的鋼筋砼，按構(gòu)造配雙層鋼筋。

沉沙池邊墻為直立式，厚400～500mm的鋼筋砼，按構(gòu)造配雙層筋。

池邊墻正常水位以上設(shè)有溢流缺口，溢去入池多余水量。邊墻正常水位以上的超高一般為400mm。

沖沙孔的開(kāi)閉有以下兩種方式：

（1）、在孔口進(jìn)口處控制。在用約0.6m高倒園錐臺(tái)的金屬外殼塞封避孔口，殼外嵌園圈形的橡膠止水板止水，殼內(nèi)填充砼以達(dá)到一定的自重，以便減小塞體晃動(dòng)。用1.0T螺桿啟閉機(jī)操作其塞的開(kāi)閉。該方式的沖沙效果很好，但要另設(shè)簡(jiǎn)易工作橋。

（2）、在沉沙池邊墻外的沖沙廊道起始段設(shè)平板鋼閘門(mén)控制。該平板閘門(mén)封堵孔口尺寸同沖沙廊道即B×H="0.6×1.4m，閘門(mén)止水方式為迎水面的橡膠止水帶。閘門(mén)啟閉可用手電兩用螺桿啟閉機(jī)。此方式的缺點(diǎn)是：平板閘門(mén)前的廊道內(nèi)和豎井內(nèi)會(huì)沉積滿(mǎn)泥沙，啟閉力相對(duì)大一些同時(shí)泥沙對(duì)橡膠帶的磨損較大。

以上兩種控制方式所需費(fèi)用差別不大，一般習(xí)慣用前一種方式。

4、沉沙池正常水位的確定

沉沙池正常水位即供水溢堰的堰頂水位加該處的設(shè)計(jì)堰頂水深。其正常水位的確定，分開(kāi)敞式進(jìn)水閘取水與底格攔柵取水兩種情況。

（1）、開(kāi)敞式進(jìn)水閘取水

沉沙池正常水位的推求。（A）、閘前設(shè)計(jì)水位減去過(guò)閘水頭損失0.2～0.3"m與過(guò)柵水頭損失后即為引渠渠首水位;（B）、由引渠坡降與長(zhǎng)度推求出引渠末的水位及渠底高程。因引渠末緊接沉沙池進(jìn)口，引渠末的水位即是沉沙池正常水位。引渠末底板高程即是沉沙池底板的起點(diǎn)高程

引渠常為窄深式矩形斷面，坡降宜為0.002。引渠渠首至沉沙池進(jìn)口段按明渠均勻流計(jì)算，已知流量、水深、坡降、定一個(gè)糙率即可試算出引渠寬度。

（2）、底格欄柵取水

（A）、引用底格攔柵壩取水廊道水力計(jì)算的成果得到的廊道末（即引渠起點(diǎn)）的水位及該處的渠底高程;（B）、由引渠坡降（宜為0.002）與長(zhǎng)度推求出引渠的水面線(xiàn)及引渠末的水位，該渠末水位即是沉沙池的正常水位。用引渠水面線(xiàn)定出引渠邊墻頂線(xiàn)。

在底柵壩取水時(shí)，引渠底板線(xiàn)與沉沙池底板的起點(diǎn)高程的推求，在此作一交代：由引渠起點(diǎn)的底板高程及引渠長(zhǎng)度及坡降（用較陡的宜按0.04～0.02），得出引渠底板線(xiàn)及引渠末高程，引渠末高程亦是沉沙池底板的起始高程。引渠斷面為窄深式，其寬度可用均勻流公式算求。

四、四川省涼山州已建水電站中投入應(yīng)用的園形沉砂池摘錄表

涼山州己投入應(yīng)用的園形沉沙池摘錄表

水電站名稱(chēng)

裝機(jī)規(guī)模（kw）

引用流量（m3/s）

池直徑（m）

運(yùn)行效果

甘洛縣莫色電站

4800

1.44

11.0

良好

甘洛縣木瓜坪電站

6300

2.08

16.0

良好

甘洛縣龍杠子電站

5000

3.25

18.0

良好

越西縣洛姆二級(jí)電站

5000

1.56

9.0

良好

越西縣茶園二級(jí)電站，其中：

2×10000

1#取水樞紐

1.94

14.0

良好

2#取水樞紐

1.11

8.0

良好

3#取水樞紐

1.13

8.0

良好

4#取水樞紐

1.67

12.0

良好

五、結(jié)束語(yǔ)

園形沉沙池對(duì)地形、工程地質(zhì)條件要求較低，多數(shù)地方都能滿(mǎn)足要求。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工程量較直線(xiàn)形沉沙池省約五分之三，施工期短，施工、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單方便、經(jīng)使用近10來(lái)年的實(shí)踐證明"效果滿(mǎn)意。很適合山區(qū)高水頭小流量小型水電站中使用。但設(shè)計(jì)上多憑經(jīng)驗(yàn)，尚待從理論上提升量化。

后附：工程實(shí)例布置略圖