沉沙池的设计及不同池型的选择

沉沙池的设计及不同池型的选择

【摘要】沉沙池是用以沉淀挟沙水流中颗粒大于设计沉降粒径的悬移质泥沙，降低水流中含沙量的建筑物，按用途可分为水电站沉沙池和水利灌溉沉沙池。沉沙池在多沙河流引水枢纽对水利工程充分发挥枢纽工程效益起着至关重要的作用。在设计建设沉沙池时，应根据不同型式的沉沙池的特性、河流泥沙情况及枢纽运行条件，确定最合理的沉沙池设计方案，以实现沉沙池的最大效益。【关键词】沉沙池；设计；池型；水利工程

一、前言

沉沙池是利用自然沉降作用，去除水中沙粒或其它比重较大的无机颗粒的构筑物。其过水断面远大于引水渠道的过水断面，因而水流通过沉沙池时流速很小，挟沙能力降低，使水流中大于规定粒径的有害泥沙沉淀于池中。沉沙池通常布置在渠首，也可布置在渠系内输水渠道附近，视地形条件而定。然而，在给定的情况下，要达到所需要的除沙效果，沉沙池应选用合适的池型，采用不同的长度、宽度和深度。对于多沙河流上设置沉沙池的水利水电工程，沉沙池常常作为引水枢纽的一个重要组成部分，其正常运行是保证枢纽工程正常发挥作用的重要条件。

二、沉沙池设计的重要性

在水利工程中，沉沙池用来沉淀水中大于规定粒径的有害泥沙，使水的含沙量符合水质要求并与下游渠道挟沙能力相适应的水池。为保证和指导沉沙池正常运行，掌握沉沙池运行过程中的水沙变化、泥沙沉降率、泥沙沉降标准，积累资料，在沉沙池设计阶段进行沉沙池的运行设计和观测设计是很有必要的。

过去，国内部分已建沉沙池，由于缺少运行设计，形成了沉沙池运行管理的难度，也带来了一定的经济效益问题。例如，有的定期冲洗式沉沙池由于入池水沙指标控制不当，致使沉沙池很快淤满，淤积时间达不到设计规定的时间；或由于冲洗时机不适宜，池内泥沙固结，造成了冲洗的困难，增加了冲洗费用。有的条渠沉沙池由于只注意沉降效率，而导致沉沙池提前淤满，达不到设计规定的使用年限。可见，沉沙池的运行是影响沉沙池正常发挥效益的重要因素之一。在总结我国已建沉沙池运行经验的基础上，我国首次颁布的《水利水电沉沙池设计规范》明确规定“沉沙池的泥沙运行设计应符合沉沙池运行水位、设计入池流量、含沙量、泥沙沉降设计标准和运用时间等运用条件的要求”，并在条文说明中强调，“沉沙池作为引水枢纽的一个组成部分，其运行原则必须与枢纽运行协调一致。在沉沙池各方案技术经济比较时，应根据河流泥沙情况及枢纽布置，拟定不同设计方案的沉沙池进行比较，应满足其运用条件，故选定方案时必须明确运用条件”，这是对沉沙池设计提出的基本要求。

三、沉沙池的设计及不同池型的选择

沉沙池按位置分为渠首沉沙池和渠系内沉沙池；按冲洗设备分为水力冲洗式

沉沙池和机械清淤式沉沙池，前者又分为定期冲洗式和连续冲洗式；按沉沙池的数目分为单室式和多室式；按平面布置分为直线形沉沙池和曲线形沉沙池。在我国水利工程中，主要采用的沉沙池设计有：连续冲洗式沉沙池、定期冲洗式沉沙池、条渠沉沙池。

1.连续冲洗式沉沙池

连续冲洗式沉沙池是指在连续供水的同时，将沉落的泥沙连续不断地冲排入下游河道的沉沙池。连续冲洗式沉沙池，多用于水电工程，单室式和多室式的布置均有采用。连续冲洗式沉沙池按平面形状又可分为直线形沉沙池和曲线形沉沙池，后一种常布置在由山区或丘陵区河流引水的渠首。连续冲洗式沉沙池，由上游连接段、工作段、下游连接段、排沙廊道系统等部分组成。连续冲洗式沉沙池的特点是压力水流冲洗，供水与冲沙同时进行，多用于含沙量较大,颗粒较粗,且不允许中止供水的情况。在连续冲洗式沉沙池池室中，沉沙和冲沙同时连续运行，在连续供水的过程中，沉落的泥沙连续通过池底进沙孔进人排沙冲沙廊道，排向下游河道。

对于连续冲洗式沉沙池，排沙廊道能正常运行是保证沉沙池正常运行的关键。排沙廊道及进沙孔堵塞会带来出池泥沙不满足设计要求、加快水轮机磨损，甚至被迫停机的后果。同时也会造成排沙廊道检修的困难。因此，为了避免落淤的泥沙堵塞排沙廊道及进沙孔，在连续冲洗式沉沙池运行期间，连续开启冲沙廊道出口闸门进行排沙是非常重要的，这在《水利水电工程沉沙池设计规范》(SL269-2001)中也有明确规定。规范还同时规定了“当入池含沙量大于设计含沙量时，为避免出现出池含沙量和粒径不满足设计标准的情况，还应及时调整运行安排，直至暂停运用”，这同样也是非设计条件下减小水轮机磨损的沉沙池运行方式之一。所以，连续冲洗式沉沙池的设计必须明确运行条件。

2.定期冲洗式沉沙池

定期冲洗式沉沙池是指沉沙与冲洗交替进行的沉沙池，即沉沙池淤积到一定程度后，开启冲沙闸进行冲洗，以恢复沉沙池沉沙容积。定期冲洗式沉沙池多用于水利工程，根据引水流量的大小，沉淀室可设计成单室或多室，一般采用多室式布置，主要由引渠、进口连接段、工作段(含溢流堰区)和冲排沙设施等组成。其工作特点是沉沙与冲洗交替进行，当沉沙池中某池室淤积到一定程度后，及时进行冲洗，恢复沉沙容积，同时将已冲洗恢复沉沙容积的另一池室投入沉沙运行。根据定期冲洗式沉沙池的运行特点，其运行设计应根据泥沙淤积、出池沉降标准等，提出不同水沙条件下的沉沙池冲洗控制条件，包括入池含沙量控制、冲洗时机、冲洗方式及闸门调度方式等。在沉沙池运行设计中，应给出最大可能引水含沙量和相应的引水流量。

定期冲洗式沉沙池冲洗过程一般可分为泄空冲洗、溯源冲洗和沿程冲洗三个阶段。冲沙闸开启后，池末部分尚未充分浓缩固结的泥沙被泄空水流挟带出池的过程为泄空冲洗阶段。泄空冲洗结束后，及时开启进口闸门，逐厢引水冲洗，该冲洗过程中，前坡产生强烈的冲刷，并逐渐向上游发展，直到前后坡统一形成一

个坡降，此过程称为溯源冲洗阶段。当前后坡的坡度统一后出现由上至下的冲刷，此过程称沿程冲洗阶段，冲洗历时较长，冲洗效率低于前两个阶段。一般当淤积物冲洗去95%左右时，冲洗过程可终止，并按运行要求调度各闸门启闭。沉沙池淤积过程中采用连续或间隔排沙方式，排泄池末的高浓度含沙水流，对保证溢流堰出池含沙量效果很明显，同时也可起到延长沉沙池淤积运行时间的功效。《水利水电工程沉沙池设计规范》强调了定期冲洗式沉沙池底孔运行的重要性，规定“设计中应提出底孔排沙运行方式”。因此，在水利工程沉沙池设计中还应确定底孔排沙流量和运行方式，并提出相应的操作运行设计。

3.条渠沉沙池

条渠沉沙池是指利用天然洼地或滩涂筑成的长度较长的宽浅土渠，淤满后可还耕或清淤后可重复利用。这种沉沙池一般利用渠首附近天然洼地作为沉沙区，在沉沙区内用围堤和格堤分为若干条渠，其平面形状近似于菱形，各条渠可轮流使用。每一条渠淤满后，即可用来耕种。在中国黄河下游引黄灌区,常采用条渠形沉沙池。在条渠沉沙池运行过程中，如何控制池内泥沙的淤积，对沉沙池能否达到设计规定的使用年限或延长使用年限是很重要的。

《水利水电工程沉沙池设计规范》规定“条渠沉沙池运用前期，可控制部分流量经条渠沉沙，部分流量直接进人输水渠；中、后期可利用出口闸调节水位，控制出池含沙量和粒径。条渠沉沙应与盖淤改土相结合，当淤积达到设计淤积高程以下0.3-0.5m时，宜停止使用，并引入细颗粒泥沙或用新挖条渠表土覆盖至还耕高程”，“条渠沉沙池宜采用高水高淤、低水低淤的分期淤高方式。对较长的条渠沉沙池，可采用自上而下的分段放淤方式”。因此，沉沙条渠的运行要充分利用沉沙容积。对于灌溉条渠沉沙池，可在保证安全的前提下，要沉粗引细，浑水淤灌，以延长条渠沉沙池使用年限，并达到肥田改土的目的。这是在综合考虑了土壤改良和延长条渠使用年限等因素的基础上，提出的条渠运行要求。一般情况下，沉沙池淤沙较粗，不利于耕作。因此，条渠沉沙应与盖淤改土相结合，当淤积达到设计淤积高程以下0.3-0.5m时，宜停止使用，并引入细颗粒泥沙或用新挖条渠表土覆盖至还耕高程。此外，条渠沉沙池采用分期淤高，轮换沉淤方式，可保证条渠的安全运用，并可提高条渠的利用率。

五.结束语

沉沙池作为多沙河流引水枢纽的重要建筑物，应根据枢纽的运行条件、沉沙池类型、供水对象，根据沉沙池运行水位、设计入池流量、含沙量、泥沙沉降设计标准和运用时间等运用条件的要求，提出合理的运行设计和原型观测设计。应当在考虑不同沉沙池的特性基础上，根据实际需要和客观情况选择合理的沉沙池，对于保证其在投入运用后的正常运行具有重要意义，也是尽可能地发挥枢纽工程效益的重要条件。

参考文献：[1]杨晋营. 定期冲洗式沉沙池工作段主要尺寸确定[J]. 电力学报,2004,(02):162-164.