平流式沉沙池原理及使用方法

平流式沉沙池有进水闸、沉沙厢、溢流集水槽、排沙闸室和输沙洞等部分组成。图8-14为山西大禹渡泵站所采用的平流式沉沙池的平面布置图。

图8-14　大禹渡泵站平流式沉沙池平面布置图

1—进水闸；2—沉沙厢；3—二级站引水渠；4—集水槽；5—溢流堰；6—泄水闸；7—泄空排沙闸；8—输沙洞；9—输沙渠

进水闸设在每道沉沙厢的进口处，为开敞式，分为两孔，每孔宽2m。沉沙厢分为两厢，工作长度为220m，底纵坡为1/94，底宽首段为6m，尾段为4.5m；侧墙为斜坡式，边坡为1∶1～1∶1.86；池水深进口为4.2m，出口为8.6m，水面宽自进口至出口为14～25m，溢流集水槽布置在沉沙厢尾段。为了便于取沉沙池表层清水，集水槽有侧集水槽与正集水槽组成，呈形布置。侧集水槽各长50m，正集水槽长25m。集水槽侧墙为溢流堰，集水槽出口接二级站引水渠，排沙闸室由闸前集沙廊道、泄空排沙闸和异重流排沙管三部分组成。集沙廊道为城门形，长11m，断面（高×宽）为4.5m×4.25m，位于正面集水槽下面。泄空排沙闸为2m×2m的平板闸门，异重流排沙管布置在集沙廊道的侧墙上，管径0.3m，由闸门控制（见图8-15）。输沙系统由输沙洞与输沙渠组成，输沙洞长130m，断面为2.3m×1.6m，因地形条件所限，从沉沙池底穿过，洞出口接长100m的输沙渠，泄水排沙入黄河。

图8-15　沉沙池纵向淤积形态

1—进水闸；2—水面；3—淤积三角洲；4—少沙层；5—悬浮泥沙层；6—悬浮泥沙浓缩层；7—沉沙厢底；8—溢流集水槽；9—异重流排沙底管；10—阀门；11—泄空排沙闸门；12—异重流排沙底管进口

（一）沉沙池设计参数选择

1.泥沙处理标准

泥沙处理的主要目的是减少水泵磨损和渠道淤积。从已经运行的泵站情况看，黄河含沙量在10kg/m3以下时，泥沙粒径小于0.04mm，对水泵磨损问题不大，对渠道淤积问题也较小。在汛期黄河泥沙粒径较细（d50＜0.03mm），但含沙量超过20kg/m3时，水泵磨损严重。根据大禹渡泵站的工程条件，沉沙池处理标准为：①沉沙池拦截的泥沙粒经d≥0.04mm；②经沉淀后出池的含沙量Ws：汛期Ws≤12kg/m3；非汛期Ws＜7kg/m3。

当高含沙量沉沙池无能力沉沙时，应在沙峰经过时停止工作。根据黄河含沙量变化情况，选定含沙量大于或等于80kg/m3作为沉沙池停止工作的界线。根据统计，大禹渡泵站处理黄河泥沙量大于或等于80kg/m3在平沙年累计时间约为13d，丰沙年约为29d。高含沙量多在汛期，此时降雨较集中，停止工作对灌溉影响不大。

2.池内泥沙沉积

（1）泥沙沉淀过程。泥沙在沉沙池的进口首先落淤，逐步形成三角洲，并逐渐向前推进。三角洲的前坡从3/25逐渐变为1/25，后坡成水平状。进入沉沙池后首先沉积下来的是较粗的颗粒，较细颗粒的泥沙则潜入池下部。因池水较深，部分较细泥沙形成异重流。开始时异重流自沉沙池进口潜入，随着淤积三角洲的向前推移，异重流的潜入点也向前推移。异重流运行至沉沙池尾端停止前进后开始浓缩沉淀。当池尾端的水深较大时，有利于异重流浓缩。若在池尾不排除异重流泥沙时，由于异重流泥沙不断补充，沉积面积不断上升，至一定高度后，由于受溢流堰水流影响，异重流爬高，自溢流堰排出，使得溢流堰出水的含沙量增高。

淤积三角洲的后坡淤积到一定高度时，其上面的工作水深变浅，流速加大，泥沙不易沉积。三角洲顶部向前移动到一定距离（约为池工作长度之半）时，沉沙池应停止工作，进行排沙。

泥沙在池内淤积，泥沙粒径从进口至出口由粗到细分布。泥沙在池内的垂直分布可大致分为四层：清水区、浑水区、悬浮区、淤积区。沉沙池的前半段和后半段淤积形式有所不同，前半段主要是“淤积区”，后半段主要是“悬浮区”。随着时间的延长，淤积区和悬浮区的高度不断增高，清水水深相对减小。当设底孔排异重流时，悬浮区上升缓慢，否则，悬浮区高度增长较快。

根据模型试验，当进池流量Q=5.7m3/s，进池含沙量为60kg/m3时，在距离池尾5m处，沉沙池工作时间为8h后，不同水深的含沙量的变化情况如表8-3所示。

表8-3　池内不同水深的含沙量的变化情况

（2）沉沙池的工作容积。

1）沉沙池的工作长度、水深、设计流速的确定。沉沙池的工作长度、水深、设计流速可以按式（8-9）～式（8-11）确定：

式中：L为沉沙池的工作长度，m；h为水深，m；v为设计流速，m/s；W为泥沙沉降速度，m/s；H为沉沙池中部的全水深（即自池底至设计水位），m；h'为沉沙池中部的设计泥沙淤积厚度，m；v1为运行初期水池中无淤积时的流速，m/s；v2为运行末期沉沙池中达淤积设计厚度时过水断面的流速，m/s。

当h、H、L已知时，可按式（8-9）求出W，查d-W关系表，求得沉沙池拦截的泥沙粒径d0，再按来沙级配，可得泥沙的沉降率。也可以先确定d0，再计算v或h、L等。大禹渡泵站的沉沙池工作长度受地形条件的限制仅取L=220m；h'=3.25m；v=0.085m/s。(www.xing528.com)

2）泥沙沉淀计算。

a.基本假定。因泥沙在池内的沉淀过程比较复杂，根据模型试验和原型观测的淤积形态，为了简化计算，特作如下假定：①泥沙入池后由于水下各层泥沙沉降高度不同，沉淀泥沙的粒径也不同。可采用分层计算后叠加。即将泥沙工作水深分为若干层，每层高度可取0.5～1.0m，计算出每层泥沙的沉降速度后，查相应的泥沙粒径，按泥沙级配求出泥沙沉淀百分数。泥沙颗粒沉淀至淤积层的中部，即认为泥沙沉淀下来；②沉沙池运行初期与末期过水断面由大变小，计算过水断面采取两者的平均数，用来计算平均流速。沉沙池首部过水断面小，尾部过水断面大，计算断面位置选择在池的中段。

b.含沙量沉淀百分数的计算。根据以上假定，含沙量百分数ρ（%）可按下式计算：

式中：Q为沉沙池的设计流量，m3/s；A为沉沙池中段的运行初期与末期平均过水断面，m2；v为池内的平均流速，m/s，可按式（8-12）计算；hi为计算层中间至C-C的距离，m，如图8-16所示；Ai为计算层的断面面积，m2；Wi为计算泥沙最小粒径的沉降速度，m/s；ρi为计算层含沙量减少百分数，%；按照求出的Wi值，查泥沙粒径～沉降速度表，即可求出相应的泥沙粒径di，然后根据di查泥沙级配曲线，即可求出大于此di的含沙量百分数（%），即ρi，其余各层计算方法相同，然后将各层的ρi累加；ρ异为异重流的泥沙减少值，按泥沙总量的百分数（%）计，一般粒径d不大于0.02mm的泥沙可为异重流，从模型试验和原型观测得知，部分异重流自溢流堰排出，部分沉于池内，对于开底孔排异重流者，ρ异可近似按异重流来量的80%～90%计。对于不设底孔排异重流者，ρ异可近似按异重流来量的40%～50%计。

3）沉沙池的容积。大禹渡的沉沙池计算工作水深为3.15m，中段泥沙淤积厚度为3.25m。沉沙池的总容积为35000m3（其中一厢为17500m3）。沉沙池的总淤积容积为12000m3（其中一厢为6000m3）。

图8-16　泥沙沉淀分层计算简图

▽1—水面高程；▽2—淤积层中线高程；▽3—池底高程

3.沉沙池的泥沙排除

大禹渡沉沙池的泥沙排除采用水力冲洗，泄入黄河。冲洗排沙采用两种方式：

（1）运行期异重流浓缩排沙。沉沙池在过水运行期，每日定期打开异重流排沙孔排沙，一般一日1～3次，也可视溢流堰含沙量多少而定。刚打开排异重流孔时，其含沙浓度较大，一般可达500～800kg/m3，最大可达1050。结束时一般将为80～100。每次开孔历时视排沙浓度而定，一般为0.5～1.0h。

（2）定期停止运行后再排沙。当泥沙淤积高度达到设计高度时，沉沙池停止运行，然后进行冲沙。冲沙分为两个阶段：①泄空排沙。沉沙池内悬浮状泥沙分布在池尾，约占沉沙容积的1/3～1/4。当闸门开启后，悬浮状的泥沙随泄空水流被夹带带出池，一般7～9m3水可带1m3泥沙。②溯源冲沙。池内悬浮状泥沙排除后，淤积的泥沙呈三角洲状，从模型实验和原型观测可见，其前坡较陡，约1/10～1/15。后坡与水面比降接近。该部体积约占沉沙体积的2/3～3/4。放水冲洗时，前坡由于水力冲刷作用，向上游切割，坡度变缓，此时即为溯源冲沙阶段。当冲沙流量为1.5m3/s时，约需7h可以大致冲洗完毕。如冲洗流量加大，可以缩短冲洗时间。溯源冲沙一般需要9～10m3水可带1m3泥沙。大禹渡沉沙池的溯源冲沙计算，曾采用三门峡溯源冲沙公式（8-15），其计算结果与模型实验非常接近，可作为沉沙池溯源冲沙计算公式：

式中：Qs为出池排沙率，kg/s；S为出池含沙量，kg/m3；Q为冲沙流量，m3/s；d50为池内泥沙中数粒径（0.06mm）；J为水面比降，‱，冲沙开始时，采用三角洲前坡比降J=J1=1/10，换算为‱，冲沙终止时，按进出口池底高差与距离之比，J=J2=1/36换算为（‱）分别代入，可计算出冲沙开始与终止时的出池含沙量。

（二）沉沙池的运行情况

根据大禹渡泵站的运行经验，异重流浓缩排沙具有明显的经济效益。因此，在运行时，应尽可能地采用异重流浓缩排沙方式。

异重流浓缩排沙应具备以下条件：①沉沙池进口段的水深、流速、含沙量应具备形成异重流的条件；②沉沙池后段的水深不宜小于7m，水平的平均流速不宜大于0.02m/s，以促使悬浮泥沙浓缩；③池底纵坡为正坡，坡度不宜小于1/100，以促使异重流泥沙运行至池尾；④在池尾静水区设有集沙廊道及底管排沙等设施。

沉沙池内是否产生异重流，可用下式进行判断：

式中：U0为沉沙池进口流速，m/s；g为重力加速度，g=9.81m/s2；h0为沉沙池进口水深；ηg为重力修正系数，ηg=，γ'为浑水重度，γ'=γ+（1-γ/γs）s，γ为清水重度（γ=1000kg/m3），s为进池含沙量，kg/m3。

大禹渡沉沙池取U0=0.06～0.1m/s，h0=4.2～2m；s=10～100kg/m3。

根据大禹渡沉沙池的实际运行，异重流潜入水下后，沿池内淤积面向池尾前进，直至排沙闸为止。由于闸前集沙廊道为静水区，异重流泥沙受重力作用下沉，而清水上升，使异重流泥沙在闸前浓缩。

异重流泥沙的排除方式有二，对于三角洲沉积泥沙，采取定期放空冲洗的方式排除；对于池内悬浮浓缩的泥沙，采取沉沙池不停止运行，定期限时开启异重流排沙底管的方法排除。若连续开启排沙底管排除异重流泥沙，异重流泥沙得不到浓缩，其浓度不高，冲沙需要的耗水量大，很不经济。