大寧縣割麥沿黃提水灌溉工程取水方案設計分析與研究

（山西省水利水電勘測設計研究院 山西太原030024）

（山西省水利水電勘測設計研究院 山西太原030024）

本文結合大寧縣割麥沿黃提水灌溉工程設計對利用大口井群從黃河河漫灘取水和利用浮船泵站直接引取黃河水取水方案進行了分析研究，結合站址處地形、地質、黃河水不同時段的泥沙含量、淤積形態等多方面分析，最終確定選用浮船泵站取水方案，有效解決了水源的泥沙問題。該取水方式可供工程技術人員借鑒。

黃河水泥沙含量淤積浮船泵站大口井群

1 工程概況

大寧縣割麥沿黃提水灌溉工程位于黃河北干流磧口至禹門口河段，工程任務為向割麥灌區的2.58萬畝耕地提供灌溉用水，設計引水流量0.55m3/s。提水工程從黃河岸邊提水，經四級加壓泵站后進入出水池，通過自重流方式向割麥灌區供水。輸水線路全長約8.78km，總設計揚程677m，總裝機容量5540 kW。

2 大口井取水方案

2.1 工程布置

大口井取水方案是在黃河東側的河漫灘地開鑿10眼臨河大口井，順水流方向單線布置，中心距離黃河水面線約30m，井內徑12m，深12m，井間凈距離150m。

2.2 水源地水文地質條件

水源地選址于馬頭關黃河大橋北約1km處的黃河東側河漫灘地，西側毗鄰沿黃公路。場地南北長約1400m，東西寬50～120m，較為開闊，地面高程501.0～503.5m，地形較為平緩。

水源地表層為第四系全新統洪沖積（Q4pal）粉土質砂、含細粒土砂，分選性較好，結構松散～稍密，厚約0.2～2.0m，由東向西逐漸變薄，其下主要為卵石混合土、混合土卵石等巨粒土層，局部夾有級配不良砂透鏡體。

地下水主要儲存于卵石混合土、混合土卵石層中，屬松散巖類孔隙水，地下水位受黃河水位影響較大，枯水期地下水由水源地補給黃河水，豐水期黃河水補給水源地。水源地覆蓋層滲透性呈不均勻性，8m以上土層滲透性明顯弱于8m以下土層，平行黃河流向滲透性強于垂直黃河流向滲透性。

2.3 大口井出水量計算

利用傍河取水公式（2-1）估算大口井單井出水量。根據地層巖性情況，計算取井深7m和井深12m計算出水量，計算結果見表2-1。

表2-1 大口井出水量計算成果表

式中：Q—大口井出水量，（m3/d）；k—滲透系數，（m/d）；S—降深，（m）；h0—靜止水位至井底高度，（m）；R—影響半徑，（m）；r—井半徑，（m）；R′—影響半徑與井半徑之和，即R′=R+r，（m）；m—井底至基巖面高度，（m）；H—靜止水位高度或潛水層厚度，（m）。

分析表2-1計算結果，大口井開挖深度小于7m時，屬黃河河漫灘上部卵石混合土層，含泥量較大，其滲透性較下部卵石混合土層小，出水量較小。設計取水量0.55m3/s，即1956.6m3/h，需要布置口徑12m的大口井約44眼以上；當采用井深12m、井徑12m的大口井時，需布置8眼以上。

由于水源地可使用面積僅0.22km2，沿河長度僅1.4km，若考慮井間不互相影響，按傍河取水公式計算，僅能布置5眼井深12m、井徑12m的大口井，不能滿足設計取水要求，因此需考慮井間干擾抽水布井，干擾系數與井間距關系估算見表2-2。考慮水源地可使用面積，干擾系數取0.15，井間凈距150m時，10眼大口井總出水量2082m3/h，可滿足設計要求。

表2-2 大口井間距與干擾系數關系估算表

2.4 大口井設計

大口井采用C25鋼筋混凝土結構，內徑12m，凈深12m，井筒高13m，壁厚0.8m。為防止洪水進入井內，井頂設0.2m厚的鋼筋混凝土蓋板封閉。為保證滲井水量，井壁澆筑前預留φ150PVC進水管。進水管為向內傾斜的斜管，水平夾角30°，梅花形布設，間排距0.2m，孔隙率22%。為防止井外泥沙進入井內，孔內填塞反濾包。為便于井底進水，在井底鋪設1.0m厚的反濾層。大口井結構見圖2-1。

圖2-1 大口井結構圖

2.5 大口井方案合理性分析

2.5.1 出水量合理性分析

利用公式計算出單井出水量208.2m3/h。工程勘察期間，本工程水源地下游約6km處正在進行大寧縣古鎮提水工程，對其5個抽水井進行了反推出水量計算，其計算出水量與實際出水量接近。另外，據調查，柳林縣某近河大口井井徑12m，降深0.5m，滲透系數120m/d，其出水量可達380m3/h，本工程井深12m時，降深8m，滲透系數20m/d，類比后估算得單井出水量可達200m3/h，因此計算結果可作為取水方式的依據。

2.5.2 結構合理性分析

大口井井壁預埋穿孔管，內設反濾包，井底鋪設反濾層，可以有效引取黃河清水，滿足水泵運行要求。井壁反濾包如果被泥沙淤堵，可以取出更換。

3 浮船泵站取水方案

3.1 工程布置

浮船泵站是在黃河岸邊設置浮船泵站直接引取黃河水，浮船泵站后設置沉沙池，黃河水經沉沙池澄清后進入一級泵站進水池。取水口位于大寧縣境內馬頭關黃河大橋北約1km處的凹岸段。

3.2 浮船泵站設計

浮船泵站設計揚程5.08～12.82m，裝機容量90kW。躉船長15m，寬6.2m，為鋼結構，采用錨索固定于河道岸邊，船內布置2臺軸流泵、電氣柜及值班室，機組間距4.0m。浮船泵站出水管為DN400鋼管和軟管，雙管布置，泵船和岸坡陡直段管道為明設鋼管，臺地段軟管挖槽明設，軟管非運行期拆卸保管。管道出口為自由出流，管徑0.4m，管中心高程509.44m，高于沉沙池設計水位0.2m。

3.3 沉沙池設計

3.3.1 沉沙池布置

沉沙池設1廂，采用C25鋼筋混凝土矩形結構，設計水位507.37m，池頂高程508.37m。池深3.1m，寬20m，長100m。池底高程505.27m，底板厚0.5m，邊墻厚0.4m。

沉沙池末端設溢流堰和清水渠。溢流堰寬10m，堰頂高程507.17m，堰頂水頭0.2m。清水渠為C25鋼筋混凝土矩形結構，設計縱坡1:1000，末端與一級泵站引水渠相接。清水渠頂高程為508.37m，渠底高程506.37m，渠深1.64m，渠底寬度1.5m。渠內設計水深0.44m。渠底厚0.5m，邊墻厚0.4m。

3.3.2 沉沙池結構尺寸

沉沙池結構尺寸是在滿足淤積量的情況下，綜合考慮沉降速度率、允許流速、工作水深等因素確定的。

3.3.2.1 淤積量計算

沉沙池淤積量按一次灌溉期15天淤滿考慮，含沙量采用黃河1986年6月~2006年7月多年平均含沙量（全年）21.9kg/m3計算，泥沙容重為1.65t/m3。根據《水利水電工程沉沙池設計規范》（SL269-2001），沉沙池出池泥沙允許粒徑不宜超過0.05 mm。該段河道大于0.05mm的粒徑占39.6%，0.05mm泥沙粒徑允許流速為0.15m/s，泥沙沉降率取80%。

淤積量按式（3-1）計算。

3.3.2.2 沉沙池長度計算

沉沙池長度按式（3-2）計算。

式中Lp——池廂工作長度（m）；Hp——池廂工作水深（m），取0.5m；V——池廂平均流速（m/s），取0.15m/s；ω——泥沙的沉降速度（mm/s），根據附錄D，粒徑0.05mm，水溫10℃時的沉降速度為1.29mm/s；ξ——安全系數取1.5，規范一般采用1.2～1.5。

經計算Lp=97.6m，確定池長L=100m。

3.3.2.3 沉沙池寬度計算

橫斷面為矩形的沉沙池，工作寬度按式（3-3）計算。

式中Bp——池廂工作寬度（m）；Qp——通過池廂的工作流量（m3/s）,為0.56 m3/s；V——池廂平均流速（m/s），取0.15m/s；Hp——池廂工作水深（m），取0.5m；經計算，B=7.47m。

3.3.2.4 沉沙池池深確定

根據計算的工作長度和淤積量，反算池廂工作寬度和泥沙淤積深度，經試算，確定池廂工作寬度20m，淤積深度1.6m，池廂平均流速實際為0.015m/s，更有利于沉沙。

沉沙池兼作浮船泵站出水池，池深高度綜合考慮淤積深度、工作水深、超高和出水管安裝要求等因素，確定為3.1m。

3.3.3 出口含沙量的計算

出口含沙量按《灌溉與排水設計工程設計規范》（GB50288-99）中的公式計算。

式中S——沉沙池出口含沙量（kg/m3）；So——沉沙池進口口含沙量（kg/m3），21.79kg/m3；e——常數，e=2.71828；α——與泥沙粒徑、水力要素有關的系數，淤積時α＜0.5，沖沙時α=1.0；α取0.45；z——泥沙懸浮指數；L——沉沙池總長度（m）；h——沉沙池平均水深（m）；ν——沉沙池平均流速（m/s）。

經計算，沉沙池出口含沙量為2.75kg/m3，滿足水泵運行要求。

3.4 浮船泵站方案合理性分析

引黃提灌工程的特點是流量小，揚程高，一般采用離心泵。但黃河水平均含沙量較大，對離心泵特性影響較大。高速含沙水流通過水泵時，產生相當大的沖磨力，減弱了泵殼和葉輪等過流部件的強度。含沙量越大，水泵效率降低，流量減小，揚程也相應減少，功率相應增大，泥沙磨損嚴重降低了水泵使用壽命和安全性。泥沙磨損成為水泵選型的制約因素。泥沙磨損對軸流泵的影響較小，浮船泵站采用低揚程軸流泵直接抽取黃河水可以有效解決這一問題。

浮船泵站后設置沉沙池，沉沙池入池含沙量21.9kg/m3，出池含沙量2.75kg/m3，沉沙率達到87%，有效地降低了水流的含沙量，保證了泵站的安全運行。

4 方案比選分析

經上述計算分析，浮船泵站取水方案和大口井取水方案在技術上都是合理可行的，但在施工、投資、運行管理等方面存在差異。

浮船泵站取水方案優點：浮船泵站可以選用低揚程水泵直接抽取黃河水，并且可以適應不同水位的取水要求，不受黃河河勢擺動的影響，取水保證率較高。沉沙池采用半挖半填式堤壩結構，施工簡單。工程直接投資約560.6萬元，比較經濟。缺點：沉沙池采用機械清淤，后期運行管理費用較高。

大口井取水方案優點：可以直接引取黃河清水，不需要設置沉沙設置，運行管理方便。缺點：施工采用沉井施工，施工難度大。井壁和井底的反濾層容易被泥沙淤堵，清淤比較困難，長期運行后，影響進水量，取水保證率降低。工程直接投資約1038萬元，投資較大。

經綜合經濟技術比較，選定浮船泵站取水方案為推薦方案。

5 結語

為了解決水資源貧乏問題，建國以來，我省沿黃河興建了多座提水泵站，大寧縣割麥沿黃提水灌溉工程借鑒已建成類似工程的經驗，采取浮船泵站取水，有效解決了黃河水源泥沙含量大的問題，最大程度地保障工程的順利實現。

大寧縣割麥沿黃提水灌溉工程取水方案設計分析與研究

■薛俊玲

TV[文獻碼]A

1000-405X（2016）-10-215-2

薛俊玲（1974～），女，畢業于太原理工大學水利水電建筑工程專業，本科，高級工程師，研究方向為水工專業設計。