水利工程论文-赵口引黄灌区一号沉沙池设计方案优化试验研究.doc

水利工程论文-赵口引黄灌区一号沉沙池设计方案优化试验研究摘要：要求大型放淤工程的沉沙池具有沉粗排细特殊功能，以延长沉沙池的使用时间，有效利用土地资源，是一个值得探索的课题。本文通过泥沙模型试验，结合具体工程实例，提出加筑纵、横向导水堤的方法，将条渠分隔成若干区域，分期分区合理地开辟新淤积区，并一步优选经济合理的工程布置方案，以达到设计要求。其基本原则可供此类沉沙池设计借鉴。关键词：沉沙池沉粗排细分区淤积1引言赵口引黄灌区位于河南省黄河南岸，分布在郑州市中牟县和开封市尉氐、通许三县境内，是水电部批准兴建的大型放淤试点工程。目的是通过工程实践，探索引黄泥沙的合理处理，利用肥水灌田，改变农业低产落后状况。图1赵口引黄灌区平面布置图SketchongenerallayoutofZhaokouIrrigationDistrict灌区一号沉沙池由至号条渠组成，沿引黄总干渠左侧依次布置，进口离赵口闸1.6km,平面呈湖泊形，为自流式沉沙池，见图1。一期工程确定先使用第条渠，其位于池的南部，长约9.865km，宽265785m，总面积5.2km2，沉沙池容积约6，000，000m3。为了充分发挥沉沙池的工程效益，要求条渠具有沉粗排细的功能。由于泥沙运动的复杂，需进行整体泥沙模型试验论证原设计方案，并寻求经济合理的优化布置方案和科学易行的运行方式，尽可能利用条渠的有效容积，沉粗排细，既延长其使用年限，又能使含有一定数量细沙的肥水排出沉沙池灌溉农田。2工程概况2.1工程布置黄河河水由赵口闸引入，流经1.6km的总干渠，通过节制闸的调节，进入沉沙池的进水闸，流入第条渠。进水闸引水角65，共六孔，每孔孔径43m，设计引水流量110m3/s，闸底设计高程81.79m，闸前设计水位84.17m，闸后设计水位83.97m。出水闸和总干渠交角56，设计流量及闸孔尺寸和数量同进水闸，闸底设计高程79.40m，闸前设计水位81.19m，闸后设计水位81.17m。由于第条渠上段地势较高，在进水闸下游3.3km范围内，地面高程大多在82m以上,高于进水闸底高程。其中散布着多处放淤形成的滩地，高程在82.586.9m之间,且大多横向分布,给自流引水造成了困难，拟在条渠内开挖引水渠使水流得以通行。为便于沉沙条渠两测的村民生产交通,条渠内筑三条横隔堤,并架设桥梁，由进出水闸和三条隔堤将条渠划分成四部分,从下游至上游分别称为A、B、C和D区。2.2水沙条件赵口闸位于三门峡水库下游，来水来沙受水库调度影响较大。为此，采用三门峡水库改建后19741986年，距赵口闸上游约25km的花园口水文站的实测水文泥沙资料，作为沉沙池的设计依据。赵口引黄灌区引水期在每年的3、4、5和12月，每月引水天数分别为20、10、30和10天，总计每年70天。模型采用3月份的多年平均悬移质粒径，泥沙颗粒级配见表1，中值粒径为0.0498mm。引水期选用3月份多年平均含沙量6.46kg/m3。表1花园口站3月份多年平均悬移质粒径级配LongperiodaveragesedimentgradinginMarchatHuayuankoustation泥沙粒径(mm)0.500.250.100.050.0250.010.005小于某粒径重量（%）10099.891.650.217.67.15.2条渠设计流量110m3/s，进口最高限制水位83.97m，如条渠进口超过该水位，将不能引足设计流量。条渠出口水位控制在81.9182.40m。为使条渠具有沉粗排细的功能，要求出口含沙量控制在24kg/m3，小于0.030.05mm的细颗粒泥沙能排出沉沙池。3模型设计3.1几何比尺根据沉沙池的平面布置及所要研究问题的性质，确定模型平面比尺为l=150。在确定水深比尺时，考虑到模型水深不应过小，同时考虑糙率不宜过大和有足够的测量精度，模型宜做成变态。变态模型应使模型水流运动仍与原体基本相似，出现的偏差应在允许范围内，其变率的大小主要依赖于原体的宽深比。模型宽深比(B/H)m可由下式1确定(B/H)m610(1)取水深比尺等于20，对条渠中宽深比最小的断面进行校核，结果满足式（1）。因此可确定模型的水深比尺h=20。3.2水流运动相似重力相似（2）阻力相似c=1或(3)式中v、c、n分别为流速比尺、谢才系数比尺和糙率系数比尺。3.3泥沙运动相似由总干渠引入沉沙条渠的水流，含沙浓度较高，大多处于超饱和状态。由于条渠过水断面增大，流速减小，水流的挟沙能力大幅度降低，造成条渠内泥沙淤积。条渠内泥沙淤积形式主要为缓流淤积，也可能出现局部回流淤积。随着泥沙的累积性淤积，池中水深减小，水流流速和流路将发生变化，在出口水位作下降调度时，水面比降和流速也将增大。上述情况均有可能使已淤泥沙发生部分冲刷。为此，模型设计首先必须满足泥沙沉降条件相似，同时尽可能满足冲刷条件相似。由此进行模型设计。沉降相似=v=4.47(4)挟沙能力相似s*=s=s/s-(5)起动或扬动相似vf=v(6)冲淤变形相似t2=0l/vs(7)式中、s、vf、t2分别为沉速、含沙量、扬动速度和冲淤时间比尺。由于沉沙条渠中各级粒径的泥沙颗粒都存在沉降问题，因此应考虑全部粒径都满足沉降相似来计算粒径比尺。显然，不是常数，随原型沙粒径变化。3.4模型沙的选择原型沙特性试验表明，沙粒重度为26.8kN/m3，淤积物干重度平均值为12.1kN/m3。沉降试验表明，原型沙絮凝现象很微弱，在模型沙选择时可不计絮凝的影响。经过比较，选用粒径广泛的电木粉作为模型沙，其重度为14.1kN/m3，淤积物干重度4.41kN/m3。在沉沙条渠运行后期，随着泥沙的累积性淤积，水流流速增大，出口水位下降调度时，可导致已淤泥沙的局部冲刷，模型沙应满足泥沙起动（扬动）相似。因此，对模型沙的起动（扬动）流速相似条件进行校核计算。按窦国仁起动流速公式2，对几个典型水深条件下的原型沙和模型沙进行计算，结果表明，其起动（扬动）流速比尺略小于流速比尺，而使模型淤积物偏于难冲，在模型中形成的沉沙条渠淤积面比降将较天然情况为陡。由上述各相似条件可算出各模型比尺s*=s=0.482,t2=180。4方案优化试验和分析4.1原方案试验3由于条渠上段地势较高，在进水闸至池桩号3+940处挖有引水渠一条，渠宽43m，纵向底坡1：5000。引水渠沿池中心线偏左侧布置，在池桩号2+630以下与丁村沟汇合。条渠内筑三条横隔堤，每条隔堤上有两座桥，其分别位于总干渠桩号5+376、6+941和9+498三处，沉沙水流通过桥孔流向下游。见图2。图2原方案工程布置Sketchonlayoutofpreliminarydesignscheme开始引水时，含沙水流自进水闸沿引水渠进入沉沙条渠。由于引水渠底坡比降较大，渠内流速在2m/s左右，泥沙基本不落淤。强烈的淤积首先发生在引水渠下端（池3+0004+000），形成三角形淤积体，并不断向下游延伸。当淤积体高程接近水面时，形成淤沙滩地和主流沟槽。随着淤沙的不断堆积发展，沟槽变动较大，有的呈横向流动，有的可绕过右侧的原淤沙高地，使泥沙横向淤积分布趋于均匀。沟槽的发展受横隔堤和桥孔的影响较大，到条渠使用末期，沟槽大多沿左右桥孔分成两条，既有交汇，又能各自流向下游。试验表明：泥沙淤积从上游逐渐向下游发展，中下段在较长时间内处于水深大、流速小的状况，水流经此段至出口，含沙量大大降低，泥沙粒径较细，大部分泥沙落淤在池内，无法满足设计的沉粗排细要求，大大缩短了沉沙条渠的使用时间。4.2修改方案试验4鉴于原设计方案中存在的问题，在修改方案中提出加筑导水堤，分期分区淤积的工程措施，以达到沉粗排细，有效利用沉沙池容积，延长使用时间的目的。应当指出，只要合理调整每个淤积区的大小，就可使出口含沙量和粒径不致过高或过低，以满足设计要求。为此，进行了两组优选方案试验。在第一组方案中，将条渠内的第一条隔堤上移至总干渠桩号4+776，在第一和第三条隔堤之间的右岸设导水渠，第二和第三条隔堤之间的左岸设退水渠，设计渠底宽60m，底坡1：5000；为了使条渠能分期分区淤积，以达到设计要求的出口粒径和含沙量的指标，在导水堤上开六个拢口，每个拢口宽75m，其分别位于沉沙池桩号3+140、4+520、5+140、5+820、6+640和7+140；第一和第三条隔堤的右岸各设一座桥，第二条隔堤的左、右岸设两座桥，其宽度皆为60m。见图3。图3第一组修改方案工程布置Sketchonlayoutofoptimumscheme在第二组优化方案中，平顺进水闸至第一条隔堤间的引水渠，不设左岸退水渠，只设右岸导水渠，在使用C区淤积时，在第二条隔堤上游60m处筑一长约500m的横导堤，并封堵隔堤上的左桥孔，使水流通过横向导水渠从左岸转至右岸的桥孔流入导水渠。将导水堤上的拢口减为四个，其位置分别为沉沙池桩号3+140、4+520、5+820和6+640。见图4。图4第二组优化方案工程布置Sketchonlayoutofoptimumscheme两组方案的操作程序为：（1）封堵导堤上的所有拢口，由导水渠引水至池末的A淤积区，出口以低水位控制。（2）当淤积区内已有滩地形成，且出口含沙量和粒径即将达到设计上限指标时，逐渐抬高出口水位至最高限制水位运行。（3）沉沙条渠在出口最高限制水位状况下运行，出口含沙量、粒径增大至设计上限指标时，需在导水堤上打开一拢口，放水入B淤积区。（4）按上述步骤依次使用B、C淤积区，直至条渠淤满。开始引水时，进入沉沙条渠的含沙水流集中在引水渠内往下流动，经导水渠流入A淤积区。由于引水渠和导水渠内的底坡比降较大，流速大，泥沙基本不落淤，