滇中引水水源工程沉沙池设计研究

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

1 工程概况

滇中引水水源工程提水泵站最大提水净扬程219.16 m，引水流量135 m3/s，多年引水量34.03亿m3，装机功率480 MW，提水扬程、引水流量及装机功率均居世界前列。金沙江多年平均含沙量0.603 kg/m3，最大含沙量19.9 kg/m3，水流中悬移质泥沙对高扬程泵站机组的长期磨损问题突出，因此需设置沉沙池。结合泵站进水口地形特点，沉沙池布置在金沙江河道凹岸，其主要功能是从金沙江河道引水，沉降水流中的泥沙，将清水输送至提水泵站，减小过机泥沙对泵站机组的磨损。

2 沉沙池的设置依据及标准

根据石鼓水文站1958～2015年实测泥沙资料统计，多年平均含沙量为0.603 kg/m3，汛期多年平均含沙量为0.745 kg/m3，年最大含沙量为19.9 kg/m3，年最小含沙量为 0.003 kg/m3。多年平均悬移质输沙量为2 537万t。各年输沙量基本集中在汛期，其中6～9月的输沙量占年输沙量 93.3%。

多年平均月含沙量见表1，悬移质泥沙颗粒级配见表2。

表1 多年平均月含沙量 kg/m3

对悬移质泥沙进行了取样，并委托中国地质大学进行X射线物相检测分析，泥沙矿物质成份主要有绿泥石、伊利石、石英、方解石、高岭石等，其中硬矿物质对水泵机组磨损危害较大。泥沙矿物组成见表3。

表2 悬移质泥沙颗粒级配

表3 石鼓水源工程泥沙矿物质组成 %

泥沙中数粒径0.015 3mm，平均粒径0.059 2mm，最大粒径1.21mm，泵站提水净扬程近220 m，引水流量135 m3/s，水泵对过机泥沙含量及粒径要求较高。依据SL 269-2001《水利水电工程沉沙池设计规范》(以下简称“《规范》”)[1]的要求，结合机组抗磨蚀分析，工程过机泥沙允许粒径不宜超过0.05mm，故需设置沉沙池，出池泥沙粒径标准不大于0.05 mm，泥沙沉降概率不小于85%。

3 沉沙池方案选择

水源工程取水口布置在金沙江岸边凹岸处，采用无坝型式直接从金沙江河道引水，根据“河道引水必引沙”的特点，需设置沉沙池来沉降水流中有害或过多的泥沙，降低对水泵机组的磨损。通过利用沉沙池水流挟沙力低的特点，使水流中泥沙粒径大于设计沉降粒径的泥沙得到沉降，从而减少出池含沙量，达到出池泥沙设计标准。

根据水文泥沙、地形地质条件，结合调度运行管理，选择沉沙池方案时，主要进行了冲洗式和条渠式、长池和短池的比选工作。

3.1 冲洗式和条渠式

根据地形地质条件， 结合水源工程“先沉沙后扬水”和“先扬水后沉沙”两种开发方式， 对条渠式和冲洗式两种建筑物型式进行了比较。 条渠式沉沙池充分利用过流断面大、 流速小、 水流挟沙能力小的特点， 使水流中大于设计沉降粒径的绝大部分泥沙在渠内得到沉降， 减小了出池含沙量。 冲洗式沉沙池利用池内水流流速小、 水流上清下浊的特点， 引取表层水清水， 使侧堰上部水流中大于设计沉降粒径的泥沙逐渐在池内沉降。 由于条渠式沉沙池需要沉降整个池内水流泥沙， 故沉沙池规模相对较大； 而冲洗式沉沙池仅需要沉淀侧堰上部10 cm左右深度水流中的泥沙， 故沉沙池规模相对较小。 条渠式沉沙池淤积泥沙采用挖泥船机械设备进行清淤； 冲洗式沉沙池水源工程需采用两级泵站开发方式， 淤积泥沙采用水力冲沙方式进行清淤。 冲洗式沉沙池在泥沙清淤、 后期维护、 工程占地等方面具有一定优势， 但水源工程采用两级泵站开发方式较条渠式沉沙池一级泵站开发方式、 投资将增加11.48亿元。

综合比较后，“先沉沙后扬水”的一级泵站开发方式较优，沉沙池推荐采用条渠式，池内淤积泥沙采用挖泥船进行清淤。

3.2 长池和短池

沉沙池地基为深厚冲洪积砂砾卵石，最大厚度约140 m，砂砾卵石层结构，呈中等～强透水性，区内地下水埋深一般为1.4～7.1 m，与金沙江相通，地下水资源丰富。

根据地形地质条件， 结合金沙江河势走向， 沉沙池沿金沙江右岸大同村下游河滩布置， 并重点比较了长、 短沉沙池两种方案。 其中长池方案大致呈“∽”型布置， 全长1 266 m， 由引水口门、 池身段和连接段3部分组成。 短池方案大致呈直线布置， 在末端设浮动闸门表层取水， 充分利用沉沙池内水流上清下浊的特点， 借鉴冲洗式沉沙池引表层取水的方式， 上部清水翻越闸门经进水塔流入泵站， 下部相对浑浊的水被拦沙闸门阻挡在沉沙池内， 短池方案全长710 m。 两种方案均能满足泥沙沉降要求， 且各有优劣， 在泥沙沉降效果、 施工、 工程投资、 调度运行管理等方面， 长池方案较优； 在征地移民、 环境景观影响等方面， 短池方案较优。综合泥沙沉降效果、 工程投资和调度运行管理考虑， 推荐采用长池方案。

4 水力设计

根据文献[2]的方法，采用准静水法对条渠式沉沙池进行水力学计算，初拟沉沙池断面及结构尺寸。根据计算成果，沉沙池设计采用梯形断面，梯形底宽100 m，两侧坡比1∶2.5，高度 7.5 m，沉沙池长度890 m。不同工况下池内平均流速为0.067～0.26 m/s，在同类工程流速范围之内。泥沙沉降计算采用沉降概率法和一维不均匀悬移质泥沙数模两种方法进行，并相互验证。

沉降概率法为《规范》推荐的泥沙沉降计算方法，计算成果见表4。各典型年全年大于或等于泥沙允许粒径0.05 mm的泥沙沉降率为85.9%～88.7%，满足规范要求。池内淤积总量为16.03万～34.35万m3，沉沙池池首累计淤积厚度为3.46～8.30 m，池尾累计淤积厚度为 0.39～0.69 m。

一维不均匀悬移质泥沙数学模型能输出泥沙在沉沙池中的沿程淤积厚度、泥沙累计淤积率、沉沙池出池断面的含沙量、悬沙粒径级配、各分组泥沙粒径的淤积率和影响过机的泥沙粒径的占比等信息。

水流运动公式为

(1)

式中，x为沿水流方向的距离，m；H为水位，m；U为断面平均流速，m/s;R为水力半径，m;C为谢才系数，且C=R1/6n(n为曼宁糙率系数)；g为重力加速度，m/s2。

泥沙运动公式为

(2)

式中，h为水深，m；S为悬移质含沙量，kg/m3；S*为悬移质挟沙力，kg/m3；ω为泥沙颗粒沉降速度，m/s；α为泥沙恢复饱和系数。

挟沙力采用张瑞瑾公式计算，即

(3)

式中，k和m为系数，取k=0.274，m=0.92。

泥沙沉降速度计算采用斯托克斯(G.G.Stokes)球体沉速公式，即

(4)

式中，γs为泥沙的容重，kN/m3；γ为水的容重，kN/m3；d为泥沙的颗粒粒径，m；ν为水流粘滞系数，m2/s。

泥沙连续公式为

(5)

式中，γ′为淤积泥沙的干容重；ΔA为断面泥沙淤积面积，m2；Δt为计算时间间隔，s；Q为流量，m3/s；Δx为断面间距，m。具体计算时，根据已知沉沙池的水位-断面面积关系(Z～A关系)，通过计算的ΔA来确定淤积物床面高程。

悬移质泥沙级配变化公式为

(6)

式中，Pi，j为第i断面上第j组悬沙粒径在全部悬移质泥沙中的占比，脚标i为断面编号，脚标j为非均匀悬移质粒径分组编号。

淤积物(床沙)级配变化计算公式为

(7)

式中，Ri，j为第i断面上第j组床沙粒径在全部床沙中的占比。

以上各方程在具体求解时，通过给定进口的流量和含沙量条件，采用韩其为非均匀不平衡输沙计算公式对各分组沙、各断面逐一进行求解。对非均匀悬移质的各分组泥沙含沙量的计算如下：

(8)

式中，L为粒径分组数；q为单宽流量，m2/s。

各典型年计算成果见表5。各典型年的泥沙沉沙率为33.31%～35.03%。0.05 mm以上粒径的泥沙沉积率在87.08%～90.91%，出口断面0.05 mm以上粒径的泥沙百分比在4.50%～6.29%。

表5 不均匀悬移质泥沙数模各典型年淤积计算成果

采用两种不同方法进行的泥沙沉降计算结果基本一致，满足《规范》要求。

5 沉沙池工程布置

沉沙池沿金沙江右岸滩地大致呈“∽”型布置，由石鼓镇大同村下游的开阔滩地半挖半填形成，沉沙池全长1 266 m，由引水口门、沉沙池和连接段3部分组成。

(1)引水口门。引水口门主要作用是使水流均匀平顺进入沉沙池池身段，并尽可能减少泥沙在口门处的淤积沉降，口门宽284 m，口门处高程1 814.00 m，前与金沙江河道相通，后与沉沙池池身段相接。为改善进口水流流态，经河工模型试验验证，沿引水口门均匀布置5道导流墙，导流墙长度36～50 m，厚度80 cm，导流墙高度9 m。

(2)池身段。池身段是泥沙沉降的主要工作区，池身段长987.18 m，为减少推移质入渠，池身段进口设置一道拦沙坎，坎顶高度5.50 m，坎长284 m。拦沙坎前接引水口门，后接池身段，池身段采用梯形断面，底宽100～120 m，高度7.5 m，两侧坡比1∶2.5，末端也设置一道拦沙坎，坎顶高度4.6 m，坎长143 m。

(3)连接段。连接段布置在沉沙池末端，主要作用是出池水流平顺进入引水隧洞，连接段长279.15 m，前接池身段底宽120 m，后接引水隧洞进水塔，底宽60 m，连接段前215.65 m，底高程1 807.5 m，进水塔前18.50 m范围内底高程为1 802.5 m，其间50 m以1∶10底坡相接。

引水渠两侧渠坡坡比为1∶2.5，渠顶高程1 827.50 m，由半挖半填形成，高程1 820 m以下部位采用模袋混凝土护坡，混凝土厚15 cm，高程1 820 m以上采用混凝土植生块护坡，植生块厚15 cm。渠内两侧坡脚采用水下抛石防护，坡脚防护宽6 m，抛石厚1.0 m，渠底进水塔前68.5 m范围内采用模袋混凝土进行护底，渠底其他部位不作防护。渠背坡比1∶2.5，采用浆砌石防护，厚度35 cm，脚槽50 cm×80 cm(宽×高)。

为改善沉沙池内流态，经河工模型试验验证，沿沉沙池轴线布置一道中隔墙，隔墙采用地下连续墙结构，前接导流墙，总长度633 m，墙顶高度10 m，墙底高程1 800 m，墙厚80 cm。

6 河工模型试验成果

6.1 试验目的及内容

试验目的是研究各种工况下，取水口附近及引水渠内的水流流态、流速分布、泥沙淤积及渠内泥沙粒径沿程分布，优化引水渠布置，减少入渠的泥沙量，避免口门淤积，保障取水口的稳定和取水安全。

模型试验包括定床模型试验和动床模型试验。定床主要研究水流运动，动床主要研究引水渠内以及口门附近金沙江的泥沙冲淤情况，模型淤积试验以悬移质运动为主。

6.2 定床模型试验

在金沙江河道各级流量下导流墙及左右岸边均存在回流区，渠道中部全断面基本处于缓流区。各级试验流量下进流段回流区位置相近、范围不同，枯水流量下，引水渠进口与上游河道衔接相对平顺，回流范围较小，随着流量增加，回流范围呈增加趋势。金沙江5 153 m3/s流量下引水渠内流态见图1，回流范围统计见表6。

图1 引水渠进口附近主流流向及流态

进口段回流区部位回流区范围长平均宽最大宽1号导流墙右侧20730381～2号导流墙中间8717202～3号导流墙中间8013153～4号导流墙中间27424334～5号导流墙中间7110145号导流墙左侧701724

注：3号导流墙下接中隔墙将引水渠分成左右渠，导流墙从上至下编号，分别为1～5号，其中3号导流墙下接中隔墙。

6.3 动床模型试验

试验模型沿水流向从上至下共布置了8个断面观测引水渠冲淤。引水渠淤积主要发生在汛期，主要淤积区域位于渠道上段。渠底大多呈平淤态势，边坡淤积小于渠底，各个典型年后渠道仍基本保持梯形特征。根据不同典型年年末断面淤积形态比较，进口段(2～4号断面)淤积厚度 2.03～2.58 m，向下沿程减少，但渠尾8号断面仍有淤积，厚度0.32～0.40 m。引水渠监测断面不同典型年年末平均淤积厚度见表7。

模型试验重点观测了引水渠出口处泥沙含量及颗粒级配。出口处断面水流取样点为0.5水深处。1996年典型年引水渠出口(0.5水深)泥沙粒径观测成果见表8。各级试验流量下左右渠泥沙颗粒D50在0.004 4～0.004 9 mm，0.05 mm以下的颗粒占泥沙总重量的比例均大于96%。

表7 引水渠不同典型年年末平均淤积厚度

注： 1966年、1996年、1977年3个典型年分别代表不同泥沙典型年频率25%、50%、75%。

表8 1996年典型年引渠出口(0.5水深)泥沙粒径

根据1996典型年观测试验成果，各级试验流量下，引水渠进口含沙量在0.12～1.77 kg/m3，引渠出口处断面的含沙量在0.09～0.12 0 kg/m3。

试验成果表明：出渠泥沙粒径级配满足设计要求(小于0.05 mm的泥沙沙重大于95%)。

7 清淤设计

结合引水调度过程，为减少对河道的不利影响，排沙在金沙江来流量较大的6～9月进行，河道流速在2.0～2.5 m/s左右，河道水流挟沙力为5.5～10.1 kg/m3。

沉沙池采用射吸式挖泥船进行机械清淤。为方便排沙，沿隔流堤间隔100 m左右布设直径500 mm排沙钢管，采用射吸式挖泥船抽吸渠底淤积泥沙时，其排沙管与排沙钢管相接，将泥沙返还至金沙江取水口下游。

根据沉沙池淤积容量、淤积厚度、排沙时间及排距要求，配备电动式吸沙船，功率600 kW，外形尺寸15.0 m×5.0 m×1.5 m(长×宽×高)，最大挖深可达14 m，排距1 000 m，生产能力达450 m3/h，清水流量2 000 m3/h，按汛期排沙期间多年平均流量2 538 m3/s计，相应金沙江总体含沙量增量不大于0.05 kg/m3。

吸沙船常年安放在引水渠内，可随时启用清淤，为减小船舶运行及维护对渠内水源污染，吸沙船清淤设备配备外接电源动力。配备船功率600 kW。按照沉沙池全年淤积总量16万～34万m3计算，排沙总时间为356～756 h。

8 结 论

(1)滇中引水水源工程沉沙池采用条渠式布置在金沙江凹岸处，能够实现工程引水、沉降泥沙的功能要求，经泥沙沉降分析、河工模型试验验证，泥沙沉降效果较好。

(2)利用沉沙池内水流上清下浊的特点，对条渠式沉沙池进行了一些创新探索，通过池末设置浮动闸门引取表层水可显著减小沉沙池结构尺寸规模。

(3)沉沙池紧邻金沙江右岸并沿河道布置，利用金沙江汛期流量大、挟沙能力强的特点在汛期时间段进行泥沙清淤，降低了清淤泥沙对下游河道的环境影响。