灌溉沉沙池泥沙设计标准研究.pdf

水利水电技术第3 8 卷2 0 0 7 年第5 期灌溉沉沙池泥沙设计标准研究裴云，杨晋营(水利部山西水利水电勘测设计研究院，山西太原0 3 0 0 2 4)【摘要】灌溉沉沙池的设计标准是沉沙池设计的重要依据，包括入池和出池泥沙设计标准，内涵含沙量和级配两个指标。确定入池设计标准时，宜以引水期分析统计得到的具有代表性的入池泥沙特征值作为设计值。自流灌溉沉沙池出池含沙量的控制，应以干、支渠不产生淤积为标准，平原区沉沙池取值可低些，可以2 7k g m 3 作参考；山区沉沙池取值可高些，可以1 2 5 0k g m 3 作参考。泵站沉沙池出池含沙量应综合考虑泵站扬程、泥沙粒径对水泵磨损的影响，并结合下游干、支渠挟沙力要求。通过论证后确定。灌溉沉沙池出池泥沙粒径宜控制在小于0 0 5m m 以下，0 0 5m m 以上粒径的泥沙沉降率可取8 0 8 5。，【关键词】灌溉；沉沙池；泥沙；设计标准中图分类号：T v l 4文献标识码：B文章编号：1 0 0 0 0 8 6 0(2 0 0 r 7)0 5 0 0 1 2-0 4S t u d y 蚰d e s i g ns t a n d a r do fd e s i l t i n g b 捌nf o ri 州g a t i o nP E IY u n，Y A N GJ i n y i n g(s h 踟x iH y d r o e l e c t r i cI n v e s“g a t i o nD e s i 印a n dR e 眈a r c hI n s t i t u t e，T a i y 哪0 3 0 0 2 4，S h a 似i，C h i 眦)A b s t r a c t：，1 1 l ed e s i 印s t a I l d a r do ft h ed e s i l t i n gb a s i nf 撕i r r i g a t i o ni s 粕i m p o n a mb 黯i sf 撕t h ed e s i g r Io ft h ed e s i l t i I l gb 鹊i n，w h i c hi n c l u d e 8t h e d i m e n td e s i 印8 t a n d a r d sf 曲b o t ht h ei n c o m i I l gn o 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d1引言多沙河流引水灌溉设置沉沙池目的是为减少下游灌溉渠道淤积，防止泥沙对灌区土壤可能带来的危害。当下游设有泵站时，沉沙池还具有减轻水泵磨损的功效。灌溉沉沙池的设计标准沉沙池设计的重要依据，包括入池和出池泥沙设计标准，内涵含沙量和级配两个指标。如何确定泥沙设计标准，是一个值得探讨的问题。本文根据国内已建灌溉沉沙池的人池、出池泥沙设计及运行资料，对水利工程沉沙池泥沙设计标准收稿日期：2 0 0 7 一0 3 0 2作者简介：裴云(1 9 6 l 一)，男，高级工程师，副总工程师。向鲫R d 耐H】岫畔w E 馏f，删r l g 怕粥N o 歹 万方数据进行了研究。2 沉沙池泥沙设计标准对工程的影响2 1 入池标准入池含沙量及粒配作为沉沙池设计的重要特征值，与引水河流的泥沙特性有关，直接影响沉沙池设计。当沉沙池设计出池泥沙标准一定时，入池泥沙设计标准的取值对控制沉沙池设计规模尤为重要。此外，对于定期冲洗型沉沙池，人池水流含沙量影响设计冲洗周期；对于条渠形沉沙池，入池水流含沙量影响沉沙池的设计使用年限。2 2出池标准出池含沙量及粒径级配是沉沙池设计的主要控制指标，主要与下游供水要求、灌区的灌溉要求、灌区的土壤结构和下游输水渠道输沙能力有关。对沉沙池下游设泵站的工程，出池含沙量及粒径级配还与水泵磨损有关。3 人池泥沙设计标准分析3。1已建沉沙池入池泥沙设计取值情况根据国内已建沉沙池调查资料，由于地区的不同，沉沙池入池泥沙设计值的选取也有所差异，但大多以河流泥沙特征值作为人池设计值。表1 为国内部分已建沉沙池人池泥沙设计控制指标。表1已建沉沙池入池泥沙设计控制指标沉沙池名称入池含沙耋 k g m。人池粒径m m小沙湾引水工程沉沙池 8 0禹门口沉沙池 1 2 0d=O 0 3 9 一O 0 4 9浪店水源工程沉沙池5 0大禹渡沉沙池 6 0d 5 0=O 0 3 6 一O 0 6 6阳武河沉沙池 1 4 6=O 0 2 2 O 0 8 3邙山泵站前沉沙池 3 0谚=0 0 3 8人民胜利渠沉沙池 1 5三义寨东坝头沉沙池7 9 3d=O 0 4 l赵口灌区沉沙池6 2 2如=0 0 4 98一级池1 3=O 0 2 6 0 0 3 9潘庄灌区二级池9三级池4东平湖引黄灌区沉沙池 2 0d 幻=O 0 2 2 一O 0 4 2引黄济青沉沙池 1 4d 5 0=0 0 3 一O 0 3 5胜利油田辛北沉沙池8 5 3=0 0 3 0 0 4 l胜利油田耿井沉沙池1 2山东、河南等地一般采用沉沙池运行期引水时段多年平均含沙量和泥沙颗粒级配值作为沉沙池人池设计泥沙特征值。山西阳武河、大禹渡、浪店水源工程水利水电技术第3 8 卷2 0 0 7 年第5 期裴云，等灌溉沉沙池泥沙设计标准研究沉沙池采用汛期平均含沙量和泥沙颗粒级配值作为沉沙池人池设计泥沙特征值。山西禹门口沉沙池则是根据引水期含沙量大小分布情况和供水重要程度，调整引水流量。沉沙池在引水含沙量大于1 2 0k g m 3 时停止运行；引水含沙量为1 2 0 1 0 0k g m 3，引水流量6m 3 s；引水含沙量为1 0 0 8 0k g m 3 时，最大引水流量1 0m 3 s；引水含沙量小于8 0k g m 3 时，为设计引水流量2 6m 3 s。采用汛期多年平均泥沙粒径作为入池设计泥沙粒径。3 2 对入池泥沙设计取值的认识从部分已建沉沙池入池水流含沙量来看，黄河上、中游地区大，下游小。入池水流最大含沙量可达1 0 0k g m 3 以上，而最小的则小于1 0k g m 3，差别较大。尽管入池含沙量的选取方法及指标有所差别，但将河流泥沙特征值作为人池设计值还是比较普遍的。实际上年平均或汛期平均河流含沙量与实际引水人池含沙量差别较大，采用河流泥沙特征值作为人池设计值有不尽合理的因素在内。因此，将由引水期分析统计得到的具有代表性的人池泥沙特征值作为设计值，较采用河流泥沙特征值更为合理些。当然，人池设计泥沙特征值的选取，还应结合河流输沙特征、枢纽布置特点、沉沙池类型、供水重要程度、沉沙池工程量、效益等综合分析论证。4 出池泥沙设计标准分析4 1已建沉沙池出池泥沙设计取值情况目前，在沉沙池设计中，灌溉沉沙池的出池含沙量及粒径一般是根据沉沙池下游灌排渠系允许挟沙力和灌区土壤改良要求来确定的，对下游设置泵站的沉沙池，同时考虑泥沙对水泵磨损的影响。表2 为国内部分已建沉沙池出池含沙量及颗粒级配设计控制指标。由表2 可看出，由于地区的差异，对沉沙池的设计出池含沙量要求不同。设计出池含沙量比较小，山东一般不大于2k g m 3，河南一般不大于7k g m 3。山西、内蒙等地的设计出池含沙量比较大，最大可达5 0k g m 3。而对出池泥沙的粒径要求则基本接近，均小于0 0 5m m。4 2 对出池泥沙设计取值的认识4 2 1出池含沙量(1)自流灌溉沉沙池。控制沉沙池出池含沙量的主要目的应是减轻灌排渠系的淤积。从多沙河流引水灌溉，引入泥沙是不可避免的，关键是要合理利用水沙资源。我国西北、华1 3 万方数据裴云，等灌溉沉沙池泥沙设计标准研究表2已建沉沙池出池泥沙设计控制指标沉沙池名称出池含沙量，7 J c g m-3出池粒径”说明内蒙小沙湾加自流灌溉禹门口沉沙池 5 0 o I c l 5提水灌溉浪店水源工程汛期1 5、非汛期l O o 0 5提水大禹渡沉沙池汛期1 2、非汛期7 o 0 4提水灌溉阳武河沉沙池汛期笛、非汛期清水汛期d 岛=o 0 1 5自流灌溉邙山泵站前沉沙池I 3(0 0 l提水灌溉人民胜利渠4 0 0 3 0 0 5自流灌溉三义寨东坝头沉沙池赵口灌区沉沙池 2 O 0 3自流灌溉一级池9 O 0 5自流灌溉潘庄灌区二级池4自流灌溉三级池2 0 0 2 5 0 0 3自流灌溉东平湖引黄灌区沉沙池2 O 0 5引黄济青沉沙池1 5氐=Q 0 0 3 一n 0 0 4自流灌溉胜利油田辛北沉沙池2 O 0 5胜利油田耿井沉沙池2 O 0 5北地区干旱缺水，年降雨量约3 0 0 6 0 0m m，7 9月份河流来水量占全年总来水量的6 0 以上，汛期来水含沙量很大，在这类地区解决农作物干旱缺水问题，必须利用高含沙水。汛期来水含沙量高，但泥沙粒径细，含粘量高，对农田有利。陕西渭河灌区、河南人民胜利渠灌区、山西汾河灌区和昌沅河灌区的灌溉实践证明，汛期洪水中的细颗粒泥沙含有有机质，对农田具有肥田、改良土壤的作用，大量的细颗粒泥沙进入田间并未引起沙化问题。人民胜利渠含有有机质和肥力的泥沙淤积在断面小的田间渠道农毛渠中，清淤容易，清出来的泥沙可撒到田间或其他之用，运行多来，仍看不到农田渠畔有堆积的泥沙，虽然放水灌溉前要清理一次渠道，但农民已把此项工作纳入农事活动的日程内【2】。人民胜利渠有引水含沙量小于7k g m 3，不经沉沙池处理，直接进行灌溉的运用方式，山西汾河灌区有用含沙量1 0 2 0k g m 洪水淤灌的经验。因此，自流灌溉沉沙池出池含沙量的控制，应以干、支渠输沙平衡，不产生淤积为标准。当灌排渠道设计纵坡较缓时，取值可低些；当灌排渠道设计纵坡较大时，取值可高些。山东、河南等地设计出池含沙量是平原地区设计沉沙池的经验，山西禹门口、大禹渡、阳武河等沉沙池设计出池含沙量可作为山区设计沉沙池的参考。(2)泵站沉沙池。对下游设有泵站的沉沙池，其设计出池含沙量的确定，除考虑减轻对下游干、支渠的淤积外，还应从1 4减轻水泵磨损方面考虑a泥沙对水泵磨损的影响，主要表现在水泵的流量、扬程、效率和轴功率等性能指标下降。清华大学水机教研室对l O s H-1 3 型水泵进行的试验表明，扬程随着含沙量增加而降低，在小流量时降低较少，大流量时降低较多；含沙量对效率、流量和轴功率均有较大影响。根据黄河上、中、下游十余座大中型泵站的调查，水泵在汛期中的磨损大于非汛期的磨损。山西夹马口电灌站水泵口环磨损试验结果表明，汛期磨损强度(使用期平均含沙量为3 4 3k g m 3)比非汛期磨损强度(含沙量为4 6k g m 3)大6 倍以上pJ。均说明了含沙量的大小对水泵磨损的影响程度，但也内涵了粒径的因素。尽管试验资料证明了水泵磨损随含沙量增大而增大的事实，但笔者认为这只是在特定条件下相对而言的，并非绝对。根据黄河上、中、下游十余座大中型泵站调查资料统计，扬程小于6 0m、含沙量小于2 0k g m 3 的泵站，以及扬程小于1 0m、含沙量小于5 0k g m 3 的泵站，水泵磨损均不大，大修周期可保证在25 0 0h 以上，能满足泵站技术管理规程(s L2 5 5 2 0 0 0)的要求。同时在一定程度上揭示了含沙量、扬程与水泵磨损的关系。因此，泵站沉沙池出池含沙量应综合考虑泵站扬程、泥沙粒径对水泵磨损的影响，并结合下游于、支渠挟沙力要求，通过沦证后确定。4 2 2出池泥沙粒径(1)泥沙粒径对农田的影响。有关文献认为，粒径大于O，0 5m m，特别是大于0 1 5n n 的泥沙是有害的，因为它容易在渠道中淤积M j。人民胜利渠对高产农田土壤颗粒分析结果，土壤平均粒径的范围在o 0 2 41 0 0 3 18m m，粒径大于O 0 5m m 的占1 1 3 2 1 7。汛期引水平均粒径O，0 1 4 0 0 2 8m m。非汛期引水平均粒径0 0 3 一O 0 4 5m m，沉沙池处理大于o 0 5m m 的泥沙，出池泥沙乎均粒径与农田土壤平均粒径一致。粒径很细的粉沙(0 0 5 一O 0 0 5m m)淤积到田间，具有改良土壤的效果，未出现沙化问题旧J。根据山西尊村和夹马口灌区的运行情况，由于没有设置沉沙池，粒径大于O 0 5m m 的泥沙约8 7 一9 7 8 淤积在干渠，而多数小于0 0 5m m 的泥沙进入农田，也未引起土壤的沙化。目前，山西、河南、山东等地设置的灌溉沉沙池均以处理0 0 5m m 以上粒径泥沙为主。(2)泥沙粒径对水泵磨损的影响。水利水电技术第3 8 卷2 0 0 7 年第5 期 万方数据 万方数据