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摘要：沉沙池是水利工程中的重要组成部分，由于传统的直线形沉沙池所需长度要70 m左右，在山区较难找到如此长度的地形;同时直线形正底坡沉沙池冲沙效果欠佳。如采用园形沉沙池，地形条件大多能满足要求。通过我州 近10多年小水电工程建设的实践证明，园形沉沙池的沉沙、冲沙效果好，运行管理方便，工程投资相对小。本文对园形沉砂池的设计构造及使用效果进行了分析阐述，以供同行参考。
关键词：水电工程;园形沉砂池;设计构造;使用效果
一、近年园形沉沙池的出现是工程实践的创新
1、传统的正底坡直线形沉沙池在我州的应用简况
笔者在山区从事水利水电的勘测设计工作多年，经常遇到正底坡直线形沉沙池的设计布置上很难找到适合长度单沙效果较差。规范要求该沉沙池的长度较长，一般都在70 m左右，其长度按下公式计算：
式中L——沉沙的工作长度（m）;
——系数，一般采用1.2-1.5;
Hp——沉沙池工作深度（m），一般为4-5m，取4m;
V——沉沙池水流的平均流速（m/s），当要求沉淀的泥沙粒径d>0.25-0.40mm时，V值可选用0.25-0.50m/s，取0.35 m/s;
——泥沙的沉降速度（m/s），当沉淀0.35mm粒径泥沙且水温为10℃时，
=0.0328m/s
代入公式计算并取整数L=51-64（m）
以上的长度尚未包括进、出口渐度段的长度，一般需10m左右。由于长度受地形限制，沉沙效果都不太理想，尤其在底栅坝取水中，小于栅条间隙8mm（常规）粒径的沙石都随水流入池，得由沉沙池来负责沉降冲除。由于沉沙池长度受地形限制，冲沙效果达不到规范要求，较细粒径的泥沙沉不下来致而带入下游危及水轮机。同时较粗粒径的推移质都沉积在沉沙池的进口段。而池底坡型的采用方面，为了操作冲洗比反坡方便，我州的直线沉沙池基本都是正底坡。所以沉沙池进口段的推移质距沉沙池末端的冲沙闸的距离都远，冲沙水束无法冲走该处大量的沙石，经常导致引不够设计流量。为此迫使停止引水，停机发电，进行人工请除这些沙石，一般在汎期10天左右需清除一次，这就造成大量较大的经济损失。
2、园形沉沙池的出现
由于以上直线形正底坡沉沙池的诸多敝端，笔者一直蒙求既能取表层水又能够不停水停机去进行人工清沙石、同时也不需要直线形沉沙池那么长度的条形地带的一种沉沙建筑物。
从日常生活生产中得到启发：例如在球冠形的容器中装有水并掺一些容重比水大的固体物质，再按一个方向沿周边拨动时，水中的固体物质很快就沉入底部。由此联想到用这样的原理作园形沉沙池。但是在教科书或刊物上找不到类似的参考资料，更谈不上有相关的规范去遵循。全靠摸索实践得出本文笔者所论的园形沉沙池。
二、园形沉沙池工作原理
园形沉沙池的沉沙是利用水流的离心力使沙快速下沉。来自取水道的夹沙水流方向与池内壁相切，夹沙水流的惯性作用，绕园心始终按一个方向作园周运动，泥沙随之快速下沉且靠近园心。当开启园心处的冲沙阀时就可冲沙、表层水经池壁顶的供水溢流堰翻入引水渠，达到了取无有害泥沙的表层水的目的。目前水沙运动的规律尚未量化，但是根据近年来运行证实冲沙效果良好。
三、园形沉沙的设计与结构构造
1、地形及工程地质条件
在山区流域面积小的河道，原则上都是拦河低溢流坝与拦栅坝无压取水，选择坝址时要综合考虑有布置园形沉沙池的位置，只要有一块能布置池体大小的场地即可，不管是天然的场地或需经人工挖填形成的都可以。沉沙池尽量靠近进水闸，以尽量缩短沉沙池至进水闸间的引渠長度，以利泥沙进入沉沙池同时减小引渠的工程量。池基对工程地质条件的要求较低。一般情况都能满足要求，只要地基稳定，除流沙和淤泥外的地基都能满足要求。
2、沉沙池直径的确定
根据已知工程的设计流量，然后初拟池墙供水溢流堰的堰顶水深，再用堰流公式计算出溢流堰的孤长，该弧长所对应的园心角不宜大于90度，已知弧长和对应的园心角即可求出直径。
溢流堰的过流能力按下式计算：
或中Q——渠道设计流量（m3/S）
m——流量系数
B——溢流堰长度（m）
H0——堰顶水深（m）;
供水溢流堰顶水深的深度越小时，所取的表层水所含有害泥沙量相应也小，但增大了供水溢流堰的长度亦即增大了沉沙池的直径，相应增加了工程造价。如果供水溢流堰的堰顶水深越大，其结果刚好与上的情况相反。根据笔者现场考察分析，建议供水溢流堰的堰顶水深为250mm左右较好。 3、沉沙池的结构和构造
底板的坡降：自沉砂池周边直墙底起，以辐射状约按0.1的坡度向园心下降呈园锥形底。
冲沙孔与冲沙道：池底板园心部份有φ60的冲砂孔，从冲砂孔进口垂直向下设1.7m深的冲砂竖井，再从井底以0.02～0.04的坡度设冲砂廊道，冲砂廊道内侧横截面尺寸B×H= 0.6×1.4m，该尺寸以满足人能入廊道检修为准。冲沙廊道出口高程最小应高于该处河床1.0m，其目的是保证有一定冲沙水头。
池底板宜用300mm厚的钢筋砼，按构造配双层钢筋。
沉沙池边墙为直立式，厚400～500mm的钢筋砼，按构造配双层筋。
池边墙正常水位以上设有溢流缺口，溢去入池多余水量。边墙正常水位以上的超高一般为400mm。
冲沙孔的开闭有以下两种方式：
（1）、在孔口进口处控制。在用约0.6m高倒园锥台的金属外壳塞封避孔口，壳外嵌园圈形的橡胶止水板止水，壳内填充砼以达到一定的自重，以便减小塞体晃动。用1.0T螺杆启闭机操作其塞的开闭。该方式的冲沙效果很好，但要另设简易工作桥。
（2）、在沉沙池边墙外的冲沙廊道起始段设平板钢闸门控制。该平板闸门封堵孔口尺寸同冲沙廊道即B×H= 0.6×1.4m，闸门止水方式为迎水面的橡胶止水带。闸门启闭可用手电两用螺杆启闭机。此方式的缺点是：平板闸门前的廊道内和竖井内会沉积满泥沙，启闭力相对大一些同时泥沙对橡胶带的磨损较大。
以上两种控制方式所需费用差别不大，一般习惯用前一种方式。
4、沉沙池正常水位的确定
沉沙池正常水位即供水溢堰的堰顶水位加该处的设计堰顶水深。其正常水位的确定，分开敞式进水闸取水与底格拦栅取水两种情况。
（1）、开敞式进水闸取水
沉沙池正常水位的推求。（A）、闸前设计水位减去过闸水头损失0.2～0.3 m与过栅水头损失后即为引渠渠首水位;（B）、由引渠坡降与长度推求出引渠末的水位及渠底高程。因引渠末紧接沉沙池进口，引渠末的水位即是沉沙池正常水位。引渠末底板高程即是沉沙池底板的起点高程
引渠常为窄深式矩形断面，坡降宜为0.002。引渠渠首至沉沙池进口段按明渠均匀流计算，已知流量、水深、坡降、定一个糙率即可试算出引渠宽度。
（2）、底格栏栅取水
（A）、引用底格拦栅坝取水廊道水力计算的成果得到的廊道末（即引渠起点）的水位及该处的渠底高程;（B）、由引渠坡降（宜为0.002）与长度推求出引渠的水面线及引渠末的水位，该渠末水位即是沉沙池的正常水位。用引渠水面线定出引渠边墙顶线。
在底栅坝取水时，引渠底板线与沉沙池底板的起点高程的推求，在此作一交代：由引渠起点的底板高程及引渠长度及坡降（用较陡的宜按0.04～0.02），得出引渠底板线及引渠末高程，引渠末高程亦是沉沙池底板的起始高程。引渠断面为窄深式，其宽度可用均匀流公式算求。
四、四川省凉山州已建水电站中投入应用的园形沉砂池摘录表
凉山州己投入应用的园形沉沙池摘录表
水電站名称
装机规模（kw）
引用流量（m3/s）
池直径（m）
运行效果
甘洛县莫色电站
4800
1.44
11.0
良好
甘洛县木瓜坪电站
6300
2.08
16.0
良好
甘洛县龙杠子电站
5000
3.25
18.0
良好
越西县洛姆二级电站
5000
1.56
9.0
良好
越西县茶园二级电站，其中：
2×10000
1#取水枢纽
1.94
14.0
良好
2#取水枢纽
1.11
8.0
良好
3#取水枢纽
1.13
8.0
良好
4#取水枢纽
1.67
12.0
良好
五、结束语
园形沉沙池对地形、工程地质条件要求较低，多数地方都能满足要求。结构简单，工程量较直线形沉沙池省约五分之三，施工期短，施工、运行管理简单方便、经使用近10来年的实践证明 效果满意。很适合山区高水头小流量小型水电站中使用。但设计上多凭经验，尚待从理论上提升量化。
后附：工程实例布置略图
关键词：水电工程;园形沉砂池;设计构造;使用效果
一、近年园形沉沙池的出现是工程实践的创新
1、传统的正底坡直线形沉沙池在我州的应用简况
笔者在山区从事水利水电的勘测设计工作多年，经常遇到正底坡直线形沉沙池的设计布置上很难找到适合长度单沙效果较差。规范要求该沉沙池的长度较长，一般都在70 m左右，其长度按下公式计算：
式中L——沉沙的工作长度（m）;
——系数，一般采用1.2-1.5;
Hp——沉沙池工作深度（m），一般为4-5m，取4m;
V——沉沙池水流的平均流速（m/s），当要求沉淀的泥沙粒径d>0.25-0.40mm时，V值可选用0.25-0.50m/s，取0.35 m/s;
——泥沙的沉降速度（m/s），当沉淀0.35mm粒径泥沙且水温为10℃时，
=0.0328m/s
代入公式计算并取整数L=51-64（m）
以上的长度尚未包括进、出口渐度段的长度，一般需10m左右。由于长度受地形限制，沉沙效果都不太理想，尤其在底栅坝取水中，小于栅条间隙8mm（常规）粒径的沙石都随水流入池，得由沉沙池来负责沉降冲除。由于沉沙池长度受地形限制，冲沙效果达不到规范要求，较细粒径的泥沙沉不下来致而带入下游危及水轮机。同时较粗粒径的推移质都沉积在沉沙池的进口段。而池底坡型的采用方面，为了操作冲洗比反坡方便，我州的直线沉沙池基本都是正底坡。所以沉沙池进口段的推移质距沉沙池末端的冲沙闸的距离都远，冲沙水束无法冲走该处大量的沙石，经常导致引不够设计流量。为此迫使停止引水，停机发电，进行人工请除这些沙石，一般在汎期10天左右需清除一次，这就造成大量较大的经济损失。
2、园形沉沙池的出现
由于以上直线形正底坡沉沙池的诸多敝端，笔者一直蒙求既能取表层水又能够不停水停机去进行人工清沙石、同时也不需要直线形沉沙池那么长度的条形地带的一种沉沙建筑物。
从日常生活生产中得到启发：例如在球冠形的容器中装有水并掺一些容重比水大的固体物质，再按一个方向沿周边拨动时，水中的固体物质很快就沉入底部。由此联想到用这样的原理作园形沉沙池。但是在教科书或刊物上找不到类似的参考资料，更谈不上有相关的规范去遵循。全靠摸索实践得出本文笔者所论的园形沉沙池。
二、园形沉沙池工作原理
园形沉沙池的沉沙是利用水流的离心力使沙快速下沉。来自取水道的夹沙水流方向与池内壁相切，夹沙水流的惯性作用，绕园心始终按一个方向作园周运动，泥沙随之快速下沉且靠近园心。当开启园心处的冲沙阀时就可冲沙、表层水经池壁顶的供水溢流堰翻入引水渠，达到了取无有害泥沙的表层水的目的。目前水沙运动的规律尚未量化，但是根据近年来运行证实冲沙效果良好。
三、园形沉沙的设计与结构构造
1、地形及工程地质条件
在山区流域面积小的河道，原则上都是拦河低溢流坝与拦栅坝无压取水，选择坝址时要综合考虑有布置园形沉沙池的位置，只要有一块能布置池体大小的场地即可，不管是天然的场地或需经人工挖填形成的都可以。沉沙池尽量靠近进水闸，以尽量缩短沉沙池至进水闸间的引渠長度，以利泥沙进入沉沙池同时减小引渠的工程量。池基对工程地质条件的要求较低。一般情况都能满足要求，只要地基稳定，除流沙和淤泥外的地基都能满足要求。
2、沉沙池直径的确定
根据已知工程的设计流量，然后初拟池墙供水溢流堰的堰顶水深，再用堰流公式计算出溢流堰的孤长，该弧长所对应的园心角不宜大于90度，已知弧长和对应的园心角即可求出直径。
溢流堰的过流能力按下式计算：
或中Q——渠道设计流量（m3/S）
m——流量系数
B——溢流堰长度（m）
H0——堰顶水深（m）;
供水溢流堰顶水深的深度越小时，所取的表层水所含有害泥沙量相应也小，但增大了供水溢流堰的长度亦即增大了沉沙池的直径，相应增加了工程造价。如果供水溢流堰的堰顶水深越大，其结果刚好与上的情况相反。根据笔者现场考察分析，建议供水溢流堰的堰顶水深为250mm左右较好。 3、沉沙池的结构和构造
底板的坡降：自沉砂池周边直墙底起，以辐射状约按0.1的坡度向园心下降呈园锥形底。
冲沙孔与冲沙道：池底板园心部份有φ60的冲砂孔，从冲砂孔进口垂直向下设1.7m深的冲砂竖井，再从井底以0.02～0.04的坡度设冲砂廊道，冲砂廊道内侧横截面尺寸B×H= 0.6×1.4m，该尺寸以满足人能入廊道检修为准。冲沙廊道出口高程最小应高于该处河床1.0m，其目的是保证有一定冲沙水头。
池底板宜用300mm厚的钢筋砼，按构造配双层钢筋。
沉沙池边墙为直立式，厚400～500mm的钢筋砼，按构造配双层筋。
池边墙正常水位以上设有溢流缺口，溢去入池多余水量。边墙正常水位以上的超高一般为400mm。
冲沙孔的开闭有以下两种方式：
（1）、在孔口进口处控制。在用约0.6m高倒园锥台的金属外壳塞封避孔口，壳外嵌园圈形的橡胶止水板止水，壳内填充砼以达到一定的自重，以便减小塞体晃动。用1.0T螺杆启闭机操作其塞的开闭。该方式的冲沙效果很好，但要另设简易工作桥。
（2）、在沉沙池边墙外的冲沙廊道起始段设平板钢闸门控制。该平板闸门封堵孔口尺寸同冲沙廊道即B×H= 0.6×1.4m，闸门止水方式为迎水面的橡胶止水带。闸门启闭可用手电两用螺杆启闭机。此方式的缺点是：平板闸门前的廊道内和竖井内会沉积满泥沙，启闭力相对大一些同时泥沙对橡胶带的磨损较大。
以上两种控制方式所需费用差别不大，一般习惯用前一种方式。
4、沉沙池正常水位的确定
沉沙池正常水位即供水溢堰的堰顶水位加该处的设计堰顶水深。其正常水位的确定，分开敞式进水闸取水与底格拦栅取水两种情况。
（1）、开敞式进水闸取水
沉沙池正常水位的推求。（A）、闸前设计水位减去过闸水头损失0.2～0.3 m与过栅水头损失后即为引渠渠首水位;（B）、由引渠坡降与长度推求出引渠末的水位及渠底高程。因引渠末紧接沉沙池进口，引渠末的水位即是沉沙池正常水位。引渠末底板高程即是沉沙池底板的起点高程
引渠常为窄深式矩形断面，坡降宜为0.002。引渠渠首至沉沙池进口段按明渠均匀流计算，已知流量、水深、坡降、定一个糙率即可试算出引渠宽度。
（2）、底格栏栅取水
（A）、引用底格拦栅坝取水廊道水力计算的成果得到的廊道末（即引渠起点）的水位及该处的渠底高程;（B）、由引渠坡降（宜为0.002）与长度推求出引渠的水面线及引渠末的水位，该渠末水位即是沉沙池的正常水位。用引渠水面线定出引渠边墙顶线。
在底栅坝取水时，引渠底板线与沉沙池底板的起点高程的推求，在此作一交代：由引渠起点的底板高程及引渠长度及坡降（用较陡的宜按0.04～0.02），得出引渠底板线及引渠末高程，引渠末高程亦是沉沙池底板的起始高程。引渠断面为窄深式，其宽度可用均匀流公式算求。
四、四川省凉山州已建水电站中投入应用的园形沉砂池摘录表
凉山州己投入应用的园形沉沙池摘录表
水電站名称
装机规模（kw）
引用流量（m3/s）
池直径（m）
运行效果
甘洛县莫色电站
4800
1.44
11.0
良好
甘洛县木瓜坪电站
6300
2.08
16.0
良好
甘洛县龙杠子电站
5000
3.25
18.0
良好
越西县洛姆二级电站
5000
1.56
9.0
良好
越西县茶园二级电站，其中：
2×10000
1#取水枢纽
1.94
14.0
良好
2#取水枢纽
1.11
8.0
良好
3#取水枢纽
1.13
8.0
良好
4#取水枢纽
1.67
12.0
良好
五、结束语
园形沉沙池对地形、工程地质条件要求较低，多数地方都能满足要求。结构简单，工程量较直线形沉沙池省约五分之三，施工期短，施工、运行管理简单方便、经使用近10来年的实践证明 效果满意。很适合山区高水头小流量小型水电站中使用。但设计上多凭经验，尚待从理论上提升量化。
后附：工程实例布置略图