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1、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
2、。图1 赵口引黄灌区平面布置图Sketch on general layout of Zhaokou Irrigation District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
3、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，
4、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
5、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Long period average sediment grading in March at Huayuankou station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24k
6、g/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
7、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
8、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
9、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
10、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Sketch on layout of preliminary design scheme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
11、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
12、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Sketch on layout of optimum scheme 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
13、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Sketch on layout of optimum scheme 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
14、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，因此，大量的淤积首先发生在导水渠拢口出口一带，并不断向下游发展。随着淤积的不断发展，沟槽变动较大，使泥沙的横向分布趋于均匀。同时，由于池内淤积的不断向下游延伸，水流挟沙力在池内逐渐恢复，出口含沙量和粒径也不断增大，直至达到设计上限指标，开辟另一个淤积区。表2为优化方案试验淤积量和沉沙率统计。从表中可知，在给定的水
15、沙条件下，沉沙池的淤积总量约为4，000，000m3。第二组优化方案工程量明显少于第一组，而使用时间略长，从工程总体效果看，具有明显的优势。在第二组试验中，A、B、C三区的淤积量分别占总量的19.6%、35.6%、37.2%，其他的占总量的7.6%。由此可见，其主要淤积区为B、C两区，占总淤积量的72.8%。表2 优化方案试验淤积量和沉沙率统计Statistical data of optimum scheme组次区域历时进口平均含沙量出口平均含沙量沉沙率排沙比淤积量（d）（kgm-3）（kgm-3）(%)(%)104m3A276.2812.08966.833.281.27B416.4502.
16、03168.531.5120.64一C446.5142.04168.731.3134.89其他17.21112354.01A266.5592.14166.533.581.96B526.4312.09567.432.6148.74二C526.6052.14167.632.4155.47其他32.39130418.56图5 第二组方案试验进出口含沙量过程线Process curves of intake and outlet sediment concentration in optimum scheme 图5为第二组试验进出口含沙量过程线。与原方案相比，由于淤积区的长度大大缩短，使得出口含沙量和
17、粒径在开始时就较大，大量的无害泥沙能够排出沉沙池，节省了条渠的有效沉沙容积；同时，由于分区淤积，出口含沙量并不随运行时间单向增加，因而沉沙效率也不随时间单向减小，其大小主要取决于所开辟淤积区沉沙容积的大小和形状等。另一方面，分区淤积使得条渠在纵向上淤积高差减小，淤积物分布更趋平坦，在第二组试验中，A、B、C三区的淤积面比降约为1：7000，可达到延长沉沙池使用寿命的目的。由于原方案改变泥沙沉排比的手段较弱，沉沙池在大部分时间处在沉沙效率较高的状态，较多的细沙不能排出而被拦蓄沉淀在条渠内，使得条渠的使用年限大为缩短。第二组优化方案由于增加了调节淤积区大小的手段，使沉排比例控制在要求范围内，在设计
18、流量110m/s时，条渠的使用时间可延长至130d，约合1.86年。由于B、C两区的淤积量占总量的72.8%，在设计水沙条件下，可运行104d，约合1.49年，为充分利用土地资源和节约工程费用，可考虑采用“以挖代沉”的使用方式。即以第条渠代替1号沉沙池，在A区淤满还耕后，只考虑B、C两区轮换使用，周期为1.49年，则整个沉沙池的平面面积由30km2减小为3km2，将大大地节约土地资源。5 结语试验结果表明，沉沙条渠要达到沉粗排细的目的，应限制其淤积区的平面尺度，增大水流流速，缩短水流流程，使泥沙沉排比例控制在适当范围内。这将有利于充分利用沉沙池的容积，增加条渠的使用时间，节约土地和费用。优化方
19、案采用加筑纵、横向隔堤的方法，将条渠分隔成若干区域，通过引水渠分期分区合理地开辟新淤积区，使池内泥沙淤积分布基本均匀、平坦、使用年限达到1.86年。若以第条渠代替整个一号沉沙池，采用“以挖代沉”的方式，将第条渠的两个淤积区轮换使用，周期为1.49年，而整个沉沙池的平面面积由30km2减小为3km2，将大大地节约土地资源。由各组试验资料的比较可以看出，沉沙池的使用寿命与进池泥沙的含沙量、粒径级配及引水流量有很大的关系。在复杂多变的天然情况下，应根据实际情况确定引水条件，避开过高含沙量、过大粒径的水沙期，避免引进过小流量，科学合理地使用沉沙池。本文不仅对赵口沉沙池的设计、施工、管理有指导性意义，对
20、其他沉沙池的设计、规划也有重要借鉴作用。参 考 文 献1 李昌华，金德春。河工模型试验。北京：人民交通出版社，1981.2 窦国仁。全沙模型相似律及设计实例。水利水运科技情报,1977，(3).3 杨德昌等。赵口引黄灌区一号沉沙池泥沙模型试验阶段报告。南京水利科学研究院，1990.4 周益人等。赵口引黄灌区一号沉沙池泥沙模型第二阶段试验报告。南京水利科学研究院，1990.劳德诺又道：“当时我问师父：林家这辟邪剑法威力很大么？青城派为甚么这样用心修习？师父不答，闭眼沉思半晌，才道：德诺，你入我门之前，已在江湖上闯荡多年，可曾听得武林之中，对福威镖局总镖头林震南的武功，如何评论？我道：武林中朋友们
21、说，林震南手面阔，交朋友够义气，大家都买他的帐，不去动他的镖。至于手底下真实功夫怎样，我不大清楚。师父道：是了！福威镖局这些年来兴旺发达，倒是江湖上朋友给面子的居多。你可曾听说，余观主的师父长青子少年之时，曾栽在林远图的辟邪剑下？我道：林林远图？是林震南的父亲？师父道：不，林远图是林震南的祖父，福威镖局是他一手创办的。当年林远图以七十二路辟邪剑法开创镖局，当真是打遍黑道无敌手。其时白道上英雄见他太过威风，也有去找他比试武艺的，长青子便因此而在他辟邪剑法下输了几招。我道：如此说来，辟邪剑法果然是厉害得很了？师父道：长青子输招之事，双方都守口如瓶，因此武林中都不知道。长青子前辈和你师祖是好朋友，曾
22、对你师祖说起过，他自认这是他毕生的奇耻大辱，但自忖敌不过林远图，此仇终于难报。你师祖曾和他拆解辟邪剑法，想助他找出这剑法中的破绽，然而这七十二路剑法看似平平无奇，中间却藏有许多旁人猜测不透的奥妙，突然之间会变得迅速无比。两人钻研了数月，一直没破解的把握。那时我刚入师门，还只是个十来岁的少年，在旁斟茶侍候，看得熟了，你一试演，便知道这是辟邪剑法。唉，岁月如流，那是许多年前的事了。”林平之自被青城派弟子打得毫无招架之功，对家传武功早已信心全失，只盼另投明师，再报此仇，此刻听得劳德诺说起自己曾祖林远图的威风，不由得精神大振，心道：“原来我家的辟邪剑法果然非同小可，当年青城派和华山派的首脑人物尚且敌不
23、过。然则爹爹怎么又斗不过青城派的后生小子？多半是爹爹没学到这剑法的奥妙厉害之处。” 只听劳德诺道：“我问师父：长青子前辈后来报了此仇没有？师父道：比武输招，其实也算不得是甚么仇怨。何况那时候林远图早已成名多年，是武林中众所钦服的前辈英雄，长青子却是个刚出道的小道士。后生小子输在前辈手下，又算得了甚么？你师祖劝解了他一番，此事也不再提了。后来长青子在三十六岁上便即逝世，说不定心中放不开此事，以此郁郁而终。事隔数十年，余沧海忽然率领群弟子一起练那辟邪剑法，那是甚么缘故？德诺，你想那是甚么缘故？“我说：瞧着松风观中众人练剑情形，人人神色郑重，难道余观主是要大举去找福威镖局的晦气，以报上代之仇？师父点
24、头道：我也这么想。长青子胸襟极狭，自视又高，输在林远图剑底这件事，一定令他耿耿于怀，多半临死时对余沧海有甚么遗命。林远图比长青子先死，余沧海要报师仇，只有去找林远图的儿子林仲雄，但不知如何，直挨到今日才动手。余沧海城府甚深，谋定后动，这一次青城派与福威镖局可要有一场大斗了。“我问师父：你老人家看来，这场争斗谁胜谁败？师父笑道：余沧海的武功青出于蓝而胜于蓝，造诣已在长青子之上。林震南的功夫外人虽不知底细，却多半及不上乃祖。一进一退，再加上青城派在暗而福威镖局在明，还没动上手，福威镖局已输了七成。 倘若林震南事先得知讯息，邀得洛阳金刀王元霸相助，那么还可斗上一斗。德诺，你想不想去瞧瞧热闹？我自是欣
25、然奉命。师父便教了我几招青城派的得意剑法，以作防身之用。” 陆大有道：“咦，师父怎地会使青城派剑法？啊，是了，当年长青子跟咱们祖师爷爷拆招，要用青城派剑法对付辟邪剑法，师父在旁边都见到了。”劳德诺道：“六师弟，师父他老人家武功的来历，咱们做弟子的不必多加推测。师父又命我不可和众同门说起，以免泄露了风声。但小师妹毕竟机灵，却给她探知讯息，缠着师父许她和我同行。我二人乔扮改装，假作在福州城外卖酒，每日到福威镖局去察看动静。别的没看到，就看到林震南教他儿子林平之练剑。小师妹瞧得直摇头，跟我说：这哪里是辟邪剑法了？这是邪辟剑法，邪魔一到，这位林公子便得辟易远避。”在华山群弟子哄笑声中，林平之满脸通红，
26、羞愧得无地自容，寻思：“原来他二人早就到我局中来窥看多次，我们却毫不知觉，也真算得无能。” 劳德诺续道：“我二人在福州城外耽不了几天，青城派的弟子们就陆续到了。最先来的是方人智和于人豪二人。他二人每天到镖局中踹盘子，我和小师妹怕撞见他们，就没再去。 那一日也是真巧，这位林公子居然到我和师妹开设的大宝号来光顾，小师妹只好送酒给他们喝了。当时我们还担心是给他瞧破了，故意上门来点穿的，但跟他一搭上口，才知他是全然蒙在鼓里。这纨裤弟子甚么也不懂，跟白痴也差不了甚么。便在那时，青城派中两个最不成话的余人彦和贾人达，也到我们大宝号来光顾” 陆大有鼓掌道：“二师哥，你和小师妹开设的大宝号，当真是生意兴隆通四
27、海，财源茂盛达三江。你们在福建可发了大财哪！”那少女笑道：“那还用说么？二师哥早成了大财主，我托他大老板的福，可也捞了不少油水。”众人尽皆大笑。劳德诺笑道：“别瞧那林少镖头武功稀松平常，给咱们小师妹做徒儿也还不配，倒是颇有骨气。余沧海那不成材的小儿了余人彦瞎了眼睛，向小师妹动手动脚，口出调笑之言，那林公子居然伸手来抱打不平” 林平之又是惭愧，又是愤怒，寻思：“原来青城派处心积虑，向我镖局动手，是为了报上代败剑之辱。来到福州的其实远不止方人智等四人。我杀不杀余人彦，可说毫不相干。” 他心绪烦扰，劳德诺述说他如何杀死余人彦，就没怎么听进耳去，但听得劳德诺一面说，众人一面笑，显是讥笑他武功甚低，所使
28、招数全不成话。只听劳德诺又道：“当天晚上，我和小师妹又上福威镖局去察看，只见余观主率领了侯人英、洪人雄等十多个大弟子都已到了。我们怕给青城派的人发觉，站得远远的瞧热闹，眼见他们将局中的镖头和趟子手一个个杀了，镖局派出去求援的众镖头，也都给他们治死了，一具具尸首都送了回来，下的手可也真狠毒。当时我想，青城派上代长青子和林远图比剑而败，余观主要报此仇，只须去和林震南父子比剑，胜了他们，也就是了，却何以下手如此狠毒？那定是为了给余人彦报仇。可是他们偏偏放过了林震南夫妻和林平之三人不杀，只是将他们逼出镖局。林家三口和镖局人众前脚出了镖局，余观主后脚就进去，大模大样的往大厅正中太师椅上一坐，这福威镖局算
29、是教他青城派给占了啦。”陆大有道：“他青城派想接手开镖局了，余沧海要做总镖头！”众人都是哈哈一笑。 劳德诺道：“林家三口乔装改扮，青城派早就瞧在眼里，方人智、于人豪、贾人达三人奉命追踪擒拿。小师妹定要跟着去瞧热闹，于是我们两个又跟在方人智他们后面。到了福州城南山里的一家小饭铺中，方人智、于人豪、贾人达三个露脸出来，将林家三口都擒住了。 小师妹说：林公子所以杀余人彦，是由我身上而起，咱们可不能见死不救。我极力劝阻，说道咱们一出手，必定伤了青城、华山两家的和气，何况余观主便在福州，我二人别要闹个灰头土脸。”陆大有道：“二师哥上了几岁年纪，做事自然把细稳重，那岂不扫了小师妹的兴致？” 劳德诺笑道：“
30、小师妹兴致勃勃，二师哥便要扫她的兴，可也扫不掉。当下小师妹先到灶间中去，将那贾人达打得头破血流，哇哇大叫，引开了方于二人，她又绕到前面去救了林公子，放他逃生。”陆大有拍手道：“妙极，妙极！我知道啦，小师妹可不是为了救那姓林的小子。她心中却另有一番用意。很好，很好。”那少女道：“我另有甚么用意？你又来胡说八道。”陆大有道：“我为了青城派而挨师父的棍子，小师妹心中气不过，因此去揍青城派的人，为我出气，多谢啦”说着站起身来，向那少女深深一揖。那少女噗哧一笑，还了一礼，笑道：“六猴儿师哥不用多礼。”那手拿算盘的人笑道：“小师妹揍青城弟子，确是为人出气。是不是为你，那可大有研究。挨师父棍子的，不见得只你六猴儿一个。”劳德诺笑道：“这一次六师弟说得对了，小师妹揍那贾人达，确是为了给六师弟出气，日后师父问起来，她也是这么说。”陆大有连连摇手，说道：“这这个人情我可不敢领，别拉在我身上，教我再挨十下八下棍子。”那高个儿问道：“那方人智和于人豪没追来吗？”那少女道：“怎么没追？可是二师哥学过青城派的剑法，只一招鸿飞冥冥，便将他二人的长剑绞得飞上了天。只可惜二师哥当时用黑布蒙上了脸，方于二人到这时也不知是败在我华山派14