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沉沙池沉降粒径的选择分析

发表时间：2021/6/17 来源：《基层建设》2021年第6期作者：史经海尹华

[导读] 摘要：平原灌区自流灌溉在需要设置沉沙池工程时，合理确定沉降粒径是工程成败的关键因素之一，本文从上下游关系、颗粒分析、清理周期等因素分析如何选择沉沙粒径，更好的促进灌区沉沙，改良土壤,作者结论认为上下游流速关系是第一考虑因素。

        阿瓦提县水利局新疆阿瓦提县 843200
        摘要：平原灌区自流灌溉在需要设置沉沙池工程时，合理确定沉降粒径是工程成败的关键因素之一，本文从上下游关系、颗粒分析、清理周期等因素分析如何选择沉沙粒径，更好的促进灌区沉沙，改良土壤,作者结论认为上下游流速关系是第一考虑因素。
        关键词：沉沙池；平原灌区；沉降粒径；以挖待沉
        前言
        《水利水电工程沉沙池设计规范》（SL/T269-2019）（以下简称《规划》）“4 沉沙池设置条件及标准”对灌溉及供水工程沉沙池设置条件及标准进行了限制和说明，在使用中遇见了一些新的问题，在这里我们进行共同讨论，提出一些新的解决思路。
        1基本情况[1]
        1.1老大河灌区地处塔里木盆地西北部，天山南麓山前冲积平原西部的阿克苏河冲积平原上，南北长约100km，东西宽约90km，地势总体由西北向南东倾斜，地形较平坦，局部略有起伏，地形坡降0.2‰，是典型的灌溉农业区，老大河是唯一灌溉水源，是阿克苏河干流上的汊流，是融雪水和混合型水，多泥沙性河流。
        1.2泥沙来源：上游山区冰雪融水流经冰碛地貌而夹带的冰碛物，河道两岸地表裸露，山地岩石风化破碎经冰雪融水和雨水冲刷下来的风化物，上游山区植被稀疏，河源到出山口河段坡降大，河岸河底受冲刷带来的河相物。
        1.3泥沙含量：年内变化明显，汛期大、枯水期小，最大月平均含沙量4.06kg/m3，发生在八月，最小月平均含沙量0.12kg/m3，发生在一月，历年平均含沙量为1.97kg/m3，多年平均悬移质输沙量490万t。
        2.沉沙池建设的必要性
        2.1运行负担重。灌区下游地势平坦，地面和渠系纵坡小，挟沙能力小，泥沙淤积的问题存在诸多骨干渠系中，其丰收总干渠的泥沙淤积问题尤为突出，排沙闸至3号闸段，超过一半的过水断面被泥沙淤满，过水能力严重不足，渠道右侧已被清出的泥沙堆成了山，每年清淤费用80余万元，维修费100余万元。

        现状丰收总干渠泥沙淤积情况
        2.2改建条件限制。在灌区的上游，利用水力冲排沙是优选方案，在上游有地理条件，但是在阿克苏市境内需要侵占大量基本农田，废弃一师胜利渠二级电站，涉及30km的河道改建等人文和经济条件不允许；利用水力在下游冲沙，水资源禀赋条件不允许建水力冲沙设施，经过多方案比对，依据《规范》“4.1.1自流灌溉引水含沙量和泥沙粒径超过输水渠道允许挟沙能力和对灌区土壤改良不利时，宜设置沉沙池。”确定在排沙闸下游建设以挖待沉、机械清淤的沉沙池。
        3.存在的问题
        3.1缺少河水（渠水）泥沙的颗分资料。水文部门量测了河水的泥沙含量，但是未对泥沙进行颗分实验，由于项目申报要求，没有时间进行河水的泥沙颗分实验，设计单位采用变通的方式，对沿渠沉积的泥沙分段取样颗分实验。
        3.2对《规范》的理解存在分歧。《规范》“4.1.1沉沙池出池含沙量及设计最小沉降粒径应根据灌排水渠道允许挟沙能力和灌区土壤改良要求，通过技术经济分析后确定。设计最小沉降粒径不宜大于0.05mm。”“4.1.4大于等于设计最小沉降粒径的泥沙沉降率宜取80%~85%。”[2]
        4.分析与选择
        4.1淤积物的调查及分析[1]
        根据现场调查及了解情况，从排沙闸（23+300）至4号闸（42+400）渠底淤积物一般厚度约0.5～1.0m，最大厚度约1.5m，淤积物成分自冲沙闸至4号闸由砂土逐渐过渡为粘性土，淤积物颗粒逐渐变细（见表4-1）。
        表4-1 丰收总干渠淤积物颗粒组成统计表

        4.2选取最不利断面的沉积物样本
        选取最不利断面k39+600段面的沉积物分析，淤积物厚度1.5m，99%的颗粒<0.075mm,80%的沉积物<0.003mm（如图4-1）。

        图4-1 k39+600处低液限黏土的颗分曲线[1]
        在选择最小沉降粒径0.003mm，满足《规范》4.1.1小于0.05的要求和4.1.4条沉积物80%-85%的要求，经计算。当沉砂池宽度为500m时，沉砂池设计工作长度为13km，也远远超过工程场址的范围，说明选取0.003mm粒径颗粒为沉淀最小粒径并不合适，因此选取0.005mm粒径颗粒作为最小沉淀颗粒，确定沉砂池尺寸。
        4.3综合加权平均沉积物
        丰收总干渠下段绝大多数的泥沙在干渠中沉积，下级渠道几乎不淤，假设所有泥沙都在渠道中淤积，对其进行加权计算。
        表4-2 淤积物加权平均计算分析表

        在选择最小沉降粒径0.01mm，满足《规范》4.1.1和4.1.4条的要求，确定沉砂池尺寸为。
        4.4用上下游流速关系确定
        在选择最小沉降粒径应该用上下游流速关系推算，沉沙池段的流速一定是小于上游渠段，上游渠段流速达到不淤流速，同时有较强的挟沙能力，不在上游渠段内淤积；下级最长最不利的渠道的流速略大于沉沙池的流速，用这种办法选择一个合适的沉降流速，0.05mm的沉沙粒径在滴灌系统中已不堵滴灌带，对高效节水设施没有大的破坏力，对应的选择最小沉降粒径0.05mm，确定沉砂池尺寸。
        5.方案优选
        5.1方案一：投资最小方案
        建议采用上下游流速关系确定沉降颗粒0.03mm，最有利于节省投资。其边坡采用1:1.75，底宽50m，长度3km,全断面采用砾石+土工膜防渗防冲，投资0.4亿元。
        优点：一是投资最小。二是水资源利用率高。三是运行管理简单。四是清淤方便，费用低。
        缺点：一是细颗粒泥沙末沉淀完全，在下游出现壅水或进入高效节水沉淀池时，0.03mm以下颗粒会出现沉积，给其它渠段或滴灌池运行管理带来一些困难和成本增加，但量不会很大。二是边坡不规整，不美观，起不到宣传示范作用。
        5.2方案二：泥沙完全沉积方案
        用末端淤积物的颗分来计算，选择0.003mm或0.005mm为沉沙粒径，沉沙池宽600m，长5.0km，边坡系数为1:2，工作水深为1.2m，淤积层厚度为1.5m，堤顶超高为0.8m，坝高为3.5m，沉砂池清淤周期为5年，投资1.2亿元，计算蓄水量675万m3，达到水库标准。
        优点：一是降低下级渠道和滴灌系统的运行成本和管理难度。二是具有一定的水资源调节作用。三是有利于工程施工。
        缺点：一是工程投资巨大。二是水资源损耗大。三是前期工作耗时长。四是运行管理费用和难度大。五是清淤费用高，难度大。
        5.3方案三：美观好用方案
        用上下游流速关系，确定选择最小沉降粒径0.05mm，确定沉砂池尺寸为：宽40m，长3.0km。采用砼重力墙矩形边坡，工作水深为1.2m，淤积层厚度为1.5m，堤顶超高为0.6m，坝高为3.3m，沉砂池清淤周期1年，投资0.6亿元。水面12000m2。
        优点：同方最小投资方案优点类似的三个优点，除此之外，这个方案还多两个优点，一是最美观，两侧是重力墙，渠道看上去整整齐齐，重力墙稳定性和耐久性最好，工程的使用寿命应较其它形式长20年以上。二是泥沙颗粒对改良土壤，防止土壤板结有很大好处。
        缺点：一是同投资最小方案一样细颗粒泥沙末沉淀完全，在下游出现壅水或进入高效节水沉淀池时，0.05mm以下颗粒会出现沉积，给其它渠段或滴灌池运行管理带来一些困难和成本增加，但量不会很大。二是施工难度大，基础稳定性要高度注意，处理好基础是设计与施工企业共担重要任务。
        5.4方案对比
        方案二泥沙完全沉积方案不可行。方案一投资最小方案和方案三美观好用方案从水力学计算，沉沙池的尺寸都不用这么大，但是按水力学计算尺寸泥沙沉积备淤的位置不足，所以增加了尺寸，更多的是满足沉积物沉淀体积需要，建议采用串连条池，便于清淤和保证有序沉积。方案的最终确定还是按投资来源和充足情况确定，从技术分析上讲，本人认为方案三美观好用方案是优选方案。
        6.结语
        从《规范》里主要较为关键的参数：出池含沙量、最小沉降粒径、挟沙能力、灌区最小沉降粒径不宜小于0.05mm，沉降率80%-85%，在洪水资料不完整的情况下，作者建议优选考虑灌区的上下游关系，以下级渠道的挟沙能力为中心，选取沉沙池的最大流速时，一定小于下级渠道的一般或经常水位流速就行，在沉降计算时沉降率作为佐证的参数，建议下限放宽至70%，欢迎来信讨论。
        【参考文献】
        [1]葛晓音、刘冰等.丰收总干渠防渗改建可行性研究报告[J]，15-45页
        [2]水利水电工程沉沙池设计规范（SL/T269-2019），6-9页
        作者简介：史经海，男，农田水利专业，高级工程师，主要从事工程建设管理工作