2.3 沉沙池布置
2.3.1 定期冲洗式直线形沉沙池
2.3.1.1 结构布置
定期冲洗式直线形沉沙池由进水口、沉淀室、出水口、冲沙廊道（或冲沙闸）以及节制闸等部分组成，如图2-7所示。
当水流由窄狭的进水渠流入宽度较大的沉沙池时，由于水流扩散，流速变缓，泥沙逐渐沉降。为了提高沉沙效果，沉沙池的进口水流比须平顺，流速要分布均匀，避免发生涡流或集中底流等现象，以免影响泥沙的正常沉淀。为此，一般在沉沙池的进水和出水口用渐变段与上下游渠道连接，使水流沿平面及深度均能均匀扩散和收缩。由于水流的自由扩散角只有10°～12°，因此，必须采取人工措施，在沉沙池进口处设置扩散墙或在进水槛上安装静水格栅，如图2-8所示。若沉沙池进口的流速较大，可在进水槛上设置闸门加以控制。必要时，也可把进水槛分为若干孔口，通过对每孔的闸门开度改变和调整对入池水流流速和方向的控制，使水流在短距离内能够在平面上得到良好的扩散。
图2-7 定期冲洗式直线形沉沙池
1—进水口；2—沉淀室；3—出水口；4—冲沙廊道；5—节制闸
图2-8 沉沙池进口布置示意图
根据日本的经验，为了使沉沙池进口处水流流速均匀分布，应使渐变段不仅在平面上扩宽（θ＜20°），而且将渠底做成反坡，沿下游方向逐渐抬高，并要求扩散段末端断面上流速（约为0.7m/s）等于扩散段起始端平均流速。沉沙池内平均流速应小于0.25m/s。沉沙池的沉淀室数目一般为2～3个，其横断面多为矩形，宽度不宜过大，最好不超过工作长度的35%，因为过宽的沉淀室很难保证流速分布均匀。
沉沙池的工作深度应尽可能小，一般水电站用的沉沙池深度为4～5m，灌溉用的沉沙池深为2.5～3.5m。工作深度一般应根据具体情况而定：工作深度过大并不经济；若工作深度过小，反而使沉沙池宽度增大，也不经济，甚至引起沉沙池内水流紊乱，妨碍泥沙沉淀。
沉沙池的底坡可以是正坡或倒坡，其数值为0.020～0.005，较大的底坡很少采用。若采用正坡时，冲沙廊道进口一般设在沉沙池末端，这对操作冲洗比较方便。
在沉沙池内，粗沙一般沉淀在沉淀室首端，中粒和细粒泥沙则在室内均匀下沉。因此，当水流所含粗粒泥沙较多时，沉淀室的首端淤积较快，而末端则淤积缓慢。此时，为了简化管理工作，沉淀室的底坡可采用倒坡，使沉淀室首端加深，以增加淤积容积，减少冲洗次数。
当沉淀室较宽时，可在沉淀室中设置纵向分水墙，以提高冲洗效率。分水墙的高度稍高于淤积的高度。
定期冲洗式直线形沉沙池的主要优点是结构简单，运行可靠，不易发生故障。其缺点是流速不均匀，对泥沙沉淀影响较大，对进口调整水流要求较高；当含沙量较大时，冲洗工作频繁，管理复杂，在排沙廊道的出口处容易形成沙滩，严重时会妨碍冲洗工作的顺利进行。
2.3.1.2 工程实例——大禹渡泵站沉沙池
1.沉沙池工程概况
大禹渡泵站位于山西省芮城县黄河北岸，自三门峡水库库尾取水，沉沙池位于一级站与二级站之间的台地上，沉沙池设计工作流量为5.7m3/s，自一级站出水池引水，经沉沙池将泥沙处理后排入河内，将较清的水引入二级站前池。
沉沙池为平流式，由进水闸、沉沙厢、溢流集水槽、排水沙闸室和输沙洞等组成，如图2-9所示。
进水闸设在每厢的进口处，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，底部首段宽6m，尾段宽4.5m，侧墙为斜坡式，边坡1：1～1：1.86；池水进口深度4.2m，出口深度8.6m，水面自进口至出口宽度14～25m，溢流集水槽布置于沉沙厢尾段。为了便于取沉沙池的表层清水，集水槽由侧集水槽与正集水槽组成，呈n形布置，侧集水槽各长50m，正集水槽长25m。集水槽侧墙为集水溢流堰，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，位于正面集水槽下方。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，如图2-10所示。输沙系统由输沙洞与输沙渠组成，输沙洞长130m，断面（高×宽）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2-9 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
图2-10 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—闸门；11—泄空排沙闸门；12—异重流排沙底管进口
2.沉沙池设计工作指标的选择
（1）泥沙处理的标准。泥沙处理主要解决水泵磨损与渠道淤积问题，从已运行的泵站情况看：黄河含沙量在10kg/m3以下，泥沙粒径小于0.04mm，对水泵磨损问题不大，渠道淤积问题较小。在汛期黄河泥沙粒径较细（d50＜0.03mm），但含沙量超过20kg/m3时，水泵磨损较严重。根据大禹渡泵站工程条件，沉沙池泥沙处理标准指标为：
沉沙池拦截的泥沙粒径：d＞0.04mm。
经沉淀后出池的含沙量：汛期ρi≤12kg/m3；
非汛期ρi＜7kg/m3。
当高含沙量时沉沙池无能力沉沙，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限。据统计，大禹渡黄河含沙量大于或等于80kg/m3在平沙年累计约为13天；丰沙年累计约为29天。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）沉沙池的泥沙沉积。
1）泥沙沉淀过程。黄河含沙量大，粒径较细，泥沙的沉淀规律较为复杂。从沉沙池的模型试验与原型观测来看，在沉沙池的进口首先落淤，逐步形成了三角洲。随时间延长三角洲逐渐向前推移，三角洲前坡从3/25逐渐变为1/25，后坡成水平。进入沉沙池的较粗颗粒的泥沙先淤积，较细颗粒的泥沙潜入池下部，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，随着淤积三角洲向前推移，异重流潜入点也向前推移，异重流运行至沉沙池尾段停止前进而开始浓缩沉积，当池尾水深较大时，有利于异重流浓缩。如在池尾不排异重流泥沙，由于异重流泥沙不断补充，沉积面不断上升，至一定高度后，受过溢流堰水流影响，异重流爬高，自溢流堰排出，造成出溢流堰水的含沙量增高。
淤积三角洲的后坡淤积到一定高度时，其上方工作水深变浅，流速加大，泥沙不易沉积，三角洲顶向前移到一定距离（约为池工作长度的一半时），沉沙池即停止工作，进行冲沙。
泥沙在池内淤积，自进口至出口泥沙粒径由粗到细。泥沙在池内的垂线分布大致分四层：清水区、浑水区、悬浮区、淤积区。沉沙池的前半段中，淤积区为主要淤积形式；沉沙池后半段中，悬浮区为主要淤积形式。随时间的延长，淤积区、悬浮区的高度不断提高，浑水厚度提高，清水厚度相对减少。当设底孔排异重流时，悬浮区高度上升缓慢，否则悬浮区高度增长较快，池内不同水深含沙量变化见表2-1。据模型试验，不同水深含沙量变化情况如下：
测验断面距池尾5m处（桩号0+215）。
进水流量：Q进=5.7m3/s。
进池含沙量：ρ1=60kg/m3。
沉沙池工作历时：8h。
表2-1 池内不同水深含沙量变化情况
2）沉沙池的工作容积。
①沉沙池工作长度、水深、设计流速的确定。沉沙池工作长度、工作水深、设计流速、泥沙粒径之间的相互关系近似满足
式中：L为沉沙池工作长度，m（大禹渡沉沙池工作长度受条件限制，仅取220m）；h为沉沙池工作水深，m；ω为泥沙的沉降速度，m/s；Hz为沉沙池中部全水深，即自池底至设计水位，m；h′为沉沙池中部设计淤积厚度，可据设计沉沙容积及排沙条件考虑选用，m（大禹渡沉沙池h′为3.25m）；v为平均流速，m/s（因池首部水浅，流速大，尾部水深，流速小，为计算简化，取中部流速，大禹渡沉沙池v=0.085m/s）；v1为运行初期，池中部无淤积时的流速，m/s；v2为运行末期，池中部达淤积设计高度时过水断面的流速，m/s。
如沉沙池的h、v、L已知时，可按（2-1）式求出ω，查d-ω关系参数表，得出沉沙池拦截的泥沙粒径d0，再按泥沙级配曲线，可得出泥沙的沉淀率。也可先确定d0，再计算v或h、L等。
②泥沙的沉淀计算。
a.计算的基本假定。泥沙在池内沉淀情况较为复杂，据模型试验与原型观测的淤积形态，为了简化计算，作如下基本假设：
（a）泥沙进入沉沙池后，由于水面下各层泥沙沉降高度不同，沉淀泥沙的粒径也不同，可采取分层计算后叠加，即将沉沙池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速后，查相应的泥沙粒径，按泥沙级配求出泥沙沉淀百分数。泥沙粒径沉至淤积层的中部，即认为泥沙沉淀下来。
（b）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近似计算。据上述基本假定，含沙量沉淀百分数，按下式近似计算：
式中：ρz为入池含沙量的总沉淀率，%；ρi为计算层含沙量减少百分数，%；Q为工作流量，m3/s；Aω为沉沙池中段的运行初期与末期的平均过水断面，m2；v为平均流速，按式（2-3）计算，m/s；hi为计算层中间C-C的距离（如图2-11所示），m；Ai为计算层的横断面积，m2；ωmin为计算泥沙最小粒径的沉速，m/s；ρ异为异重流的泥沙减少值，按总泥沙的百分数计，%。
按照求出的ωmin值，查d-ω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的泥沙含量的百分数（%），即ρi，其余各层计算均同。一般粒径d不大于0.02mm的泥沙可为异重流，从模型试验与原型观测，部分异重流自溢流堰排出，部分沉于池内，对开底孔排异重流者，ρ异可近似按异重流总来量的80%～90%计，对于不设底孔排异重流者，ρ异可近似按异重流总来量的40%～50%计。
图2-11 泥沙沉淀分层计算简图
▽1—水面；▽2—淤积层中线；▽3—池底
③沉沙的容积。大禹渡沉沙池的计算工作水深为3.15m，中段泥沙淤积厚度3.25m。沉沙池的总容积为35000m3（其中一厢为17500m3）。沉沙池的总淤沙容积约为12000m3（其中一厢为6000m3）。
（3）沉沙池泥沙的排除。泥沙的排除采取水力冲洗，泄入黄河。冲沙排沙采用以下两种方式：
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，也可视过溢流堰含沙量多少而定。刚打开排异重流孔时，其含沙浓度较高，可达500～800kg/m3，有时最高可达1050kg/m3，结束时降为80～100kg/m3。每次开孔排沙历时视排沙浓度而定，一般0.5～1h。
2）定期停止运行冲沙排沙。沉沙池淤积到设计高度时，停止运行进行冲沙。冲沙分为两个阶段：①泄空排沙，沉沙池内悬浮状态的泥沙分布在池尾，约占沉沙容积的1/4～1/3，当闸门开启后，悬浮状的泥沙，随泄空水流被挟带出池，一般7～9m3水可带1m3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，从模型试验与原型观测看，其前坡较陡，约1/15～1/10，后坡与水面比降接近，该部分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，即为溯源冲沙阶段。当冲洗流量为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。溯源冲沙一般约需9～10m3水可带1m3沙。大禹渡沉沙池溯源冲沙计算曾采用三门峡水库溯源冲刷公式，其计算成果与模型试验成果非常接近，可作沉沙池溯源冲沙计算的公式。
溯源冲沙计算公式及其计算成果如下：
式中：Qi为出池排沙率，kg/s；S为出池含沙量，kg/m3；Q冲为冲沙流量，m3/s；d50为池内泥沙中数粒径，取0.06mm；J′为水面比降，冲沙开始时，采用三角洲前坡比降J′=J′1=1/10，冲沙终止时，按进、出口池底高差与距离之比，J′=J′2=1/36，分别代入，可计算冲沙开始与终止时的出池含沙量，‰。
溯源冲沙含沙量表见表2-2。
表2-2 溯源冲沙含沙量表
3.沉沙池运行情况
（1）取水泥沙概况。泵站所取的黄河水，在汛期含沙量高且粒径细，非汛期含沙量低而粒径粗（见表2-3、表2-4）。
表2-3 平沙年（1968年）含沙量变化
表2-4 平沙年（1968年）泥沙粒径组成
（2）运行方式。沉沙池建成后，由于灌区工程没有全部配套，沉沙池工作流量仅达到原设计工作流量的50%左右，经常运行流量为1.5～2.5m3/s，最大过水流量达3m3/s，故沉沙池采取连续沉沙，两厢同时过流的运行方式，在供水不中断的情况下，每日定时将异重流排沙管打开排沙一次，历时约60min左右，异重流排沙管流量为0.3m3/s，每一灌溉时段（10～15天）结束后，将沉沙池泄空冲洗一次。
（3）泥沙沉淀率。泥沙进入沉沙池后，由于流速变缓，泥沙在池中沉淀，泥沙沉淀率αc按下式计算：
式中：ρ1为进池含沙量，kg/m3；ρ2为出池含沙量，kg/m3。
αc值的大小表示沉沙池的工作性能的优劣，与进池流量中的含沙量、工作流量、沉沙排除等情况有关。沉淀率αc变化的规律大致是：在沉沙池冲洗后再开始运行时，αc达到较大值，当运行一段时间，沉沙库容减少，αc值变小；当工作流量变小时，αc值增大，工作流量增大或进池含沙量增加时，αc值变小。
从沉沙池运行测验资料来看，汛期进池含沙量多在30～60kg/m3，最高含沙量达118kg/m3；出池含沙量一般在10～30kg/m3范围变化，枯水期也有较长时间低于10kg/m3，汛期出池最高含沙量曾高达63kg/m3。池内泥沙中数粒径d50=0.01～0.015mm，一般情况下，大于0.025mm粒径的泥沙被沉沙池截留。
（4）池内纵向泥沙淤积形态。泥沙进入沉沙池内，由于流速突然放缓，较粗的泥沙先在进口段沉积，呈三角洲淤积形态，淤积三角洲自进口不断向前推移，其前坡顶点一般延伸到池内约50m左右，前坡斜伸入池中段。在池中、后段为悬浮状态沉积，大致分为三层，上层为较薄的少沙层，中层为悬浮泥沙层，下层为悬浮泥沙浓缩层。悬浮泥沙浓缩层的泥沙在沉沙池放空冲洗时，可随放空水流而排到池外；池内三角洲部分的泥沙，需引外水进行冲洗。
池内沿途沉淀泥沙粒径筛选情况见表2-5。
表2-5 沉沙池沉淀泥沙纵向粒径分布
（5）泥沙的垂线分布。在池中悬浮区泥沙的垂线分布情况大致是，水面下1～3m为泥沙悬浮层；3m以下为悬浮泥沙浓缩层；最下部为较薄的沉积层。其含沙量、粒径的垂线分布如图2-12所示。
图2-12 泥沙垂线分布
1—1979年8月17日测（进池含沙量ρ1=44.5kg/m3）；2—1979年8月29日测（进池含沙量ρ1=30.0kg/m3）；3—1979年9月2日测（进池含沙量ρ1=27.5kg/m3）；4—1981年8月7日测（进池含沙量ρ1=11.0kg/m3）；5—1981年8月17日（粒径分布曲线）
从图2-12可看出，水面2～3m以下的含沙量增高数倍至数十倍，较长时间处于悬浮状态而不易沉淀，具有黄河高浊度水沉淀的一般特征。
4.异重流浓缩排沙的应用
（1）池内产生异重流的条件。在沉沙池内是否产生异重流，可用产生异重流的判别式进行判别，即
式中：u0为沉沙池进口段流速，本池为0.06～0.1m/s；g为重力加速度，g=9.81m/s2；h0为沉沙池进口段水深，本池为2～4.2m；ηg为重力修正系数；γ′为浑水重率；γ为一般情况下清水重率，γ=1000kg/m3；γ′s为一般情况下泥沙重率，γ′s=2650kg/m3；ρ1为进池含沙量，本池为10～100kg/m3。
通过式（2-10）验证，本沉沙池内必然产生异重流，从运行中也观察到，在沉沙池每次运行初期，异重流在池进口处潜入水下，该处表面有悬浮物。当进口段出现淤积三角洲后，异重流移在三角洲顶点处潜入水下。
（2）异重流泥沙淤积。异重流潜入水下后，沿池内淤积面向池尾前进，至排沙闸受阻停止前进，由于闸前集沙廊道为净水区，异重流泥沙因重力作用下沉，而清水上升，异重流泥沙在闸前一带浓缩。据测验，其含沙量高达900～1070kg/m3，沉沙池底纵坡较陡（1/94），池尾集沙廊道处水深达9m，使异重流连续不断向池尾部运行，浓缩层面抬高，悬浮层泥沙上升超过集水溢流极限吸出面高度时，使出池含沙量增大，供水水质恶化。
（3）异重流淤积泥沙的排除。沉沙池的泥沙排除分为两种形式，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。如采取连续开启排沙底管排除异重流泥沙，由于运行来的异重流泥沙得不到浓缩，据测验其浓度仅为来沙量的1～2倍，耗水量大，运行方式不经济；采取定期限时开启排沙底管，排除异重流浓缩的泥沙，既可降低出池水含沙浓度又能节省排沙所耗水量，见表2-6。
表2-6 异重流浓缩排沙测验资料
续表
注 1.沉沙浓缩时间即异重流排沙间隔时间。
2.排沙单位耗水量即排1m3的耗水量。
从表2-6可看出：①在开启排沙底管、排除浓缩的泥沙后，悬浮层面降低，出池含沙量也明显降低，其降低量约为原出池含沙量的10%～30%；②异重流浓缩排沙浓度开始最高达1050kg/m3，排到一定时间后，含沙量降低较多，使始末相差近10倍，故排沙历时应选择适当，根据运行经验，一般排沙历时宜控制在1h左右，当沉沙池冲洗后再运行的初期，排沙历时宜缩短，在沉沙池连续运行时间较长、进池含沙量较高时，排沙历时宜延长；③异重流浓度高低，除与进、出池含沙量之差有关外，还与异重流泥沙沉淀的浓缩时间（即排沙的间隔时间）关系较为密切，排沙的时间间隔一般控制在20h左右一次，可获得较高的排沙浓度。
（4）异重流浓缩排沙的经济效益。沉沙池的泥沙排除分为三部分，即三角洲沉积泥沙的冲洗、悬浮区泥沙的泄空排除和异重流浓缩排沙。
根据沉沙池测验资料，一个灌溉时段一个沉沙厢的排沙情况为，三角洲沉积泥沙约为3740m3，冲洗用水流量为1.5m3/s，冲洗时间约7h；悬浮区泥沙约为1440 m3，泄空沉沙池时随水流排出，泄空水量约为12450m3，异重流浓缩排沙量约3400m3，排沙耗水量约为11200m3，各部分的排沙单位耗水量见表2-7。
表2-7 排沙单位耗水量指标
由表2-7可以看出，异重流浓缩排沙可以节水1倍以上，如不采用异重流浓缩排沙，既增加沉沙池冲洗次数，增大耗水量，又使该部分泥沙单位耗水量增多5.3m3（与泄空排沙相比）。所以，采用异重流浓缩排沙，沉沙池两个沉沙厢在一个灌溉时段冲沙水量可节省36000 m3，全年平均按5个灌溉时段计，年可节约水量18万m3，折价约为2000元。
5.认识与体会
（1）大禹渡泵站沉沙池为短池深水、沉淀与浓缩综合处理泥沙的沉沙池，从运行实践看，对处理含沙量大、粒径细、沉淀慢的黄河水有较好的沉淀效率；但池内沉沙形态大部呈悬浮状，解决悬浮泥沙的排除问题成为该种沉沙池成败与否的关键。采用异重流浓缩定期限时排沙，解决了悬浮泥沙的排除问题。实践说明这种排沙方法是成功的，取得了较好的经济效果。
（2）异重流浓缩排沙的应用条件可概括为：①沉沙池进口段的水深、流速、含沙量应具备形成异重流条件；②沉沙池后端的水深不宜小于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池底纵坡为正向，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。
（3）泥沙的浓缩时间与排沙历时长短是控制排沙浓度的关键。从运行经验与观测资料分析，本池较有利的排沙间隔时间（即浓缩时间）约为20h，排沙历时为1h左右。
以上论述是据运行经验与观测资料进行初步分析探讨的成果，有待今后在实践中经进一步观测、积累资料、分析研究后加以完善。
2.3.2 连续冲洗式直线形沉沙池
连续冲洗式沉沙池的布置主要包括引渠、上游连接段、工作段、下游连接段、旁侧溢流堰及排沙廊道系统，如图2-13、图2-14所示。
图2-13 单室连续冲洗式沉沙池
1—进口闸；2—扩散段；3—冲沙支廊道；4—配水墩；5—整流栅段；6—冲沙主廊道；7—梯形槽壁；8—事故冲沙闸；9—出口闸；10—沉沙池中心线
图2-14 连续冲洗式沉沙池池室横断面
1—沉沙室；2—隔墙；3—冲沙支廊道；4—梯形槽壁；5—沉沙池中心线
1.引渠
引渠应满足设计流量范围内不同设计含沙量的正常输水要求，为防止小流量引水时出现严重淤积、影响过流能力，往往以汛期含沙量大而引水流量小来校核引渠的挟沙力。沿引渠可设置冲沙、泄水设施。引渠设计流量应满足沉沙池正常工作和引渠正常工作的需要。
为改善入池水流条件，引渠轴线宜与沉沙池轴线呈一直线，当引渠较长且受到地形条件限制时，其末段轴线应与沉沙池轴线呈一直线。这样布置的目的是为了使进入上游连接段的水流流态较好，便于上游连接段的布置。
2.上游连接段
上游连接段设置在引渠与沉沙池工作段之间，由于引渠断面宽度和深度均小于沉沙池工作段的断面宽度和深度，若连接段布置不当，水流进入沉沙池工作段会出现流速横向及竖向分布不均匀，严重降低工作段的沉沙效率，故应采取措施使连接段水流的流速和流量分布均匀。因此，上游连接段的主要作用是使水流的流速和流量分布均匀，平稳地进入池室工作段，并最大限度地减少泥沙在连接段沉降。为此，在连接段内应设有进水闸、配水、整流及拦污设施。
为了使水流均匀地扩散到工作段，上游连接段的平面布置宜采用对称扩散形式，单侧扩散角不宜大于8°～12°；若受到条件限制，采用非对称扩散型式时，两侧扩散角之和不宜大于16°～24°；连接段底板与工作段底板连接处不得出现跌坎。设置在连接段内的配水墩和整流栅的主要作用是使进入工作段的水流能均匀地分配于整个过水断面，防止回旋流产生，保证沉沙池的沉沙效果。目前，配水墩的位置、尺寸及方向以及整流栅排距、栅距很难通过数值计算进行模拟，一般是通过水力学模型试验确定。已建水电工程沉沙池在上游连接段内设置整流栅整流后，单侧扩散角可达12°～25°，两侧扩散角之和24°～33°，如：
（1）渔子溪一级，单侧扩散角24°29＇04〞。
（2）南桠河三级，单侧扩散角23°50＇19.46〞。
（3）渔子溪二级，两侧扩散角之和32°20＇50.8〞。
（4）映秀湾电站，两侧扩散角之和24°37＇34〞。
为防止连接段被淤堵，该段内还应设置冲沙廊道。
3.工作段
工作段主要作用是沉降泥沙，并由池底的主廊道、支廊道连续冲洗出池。
池室（厢）底坡一般为正坡，池室（厢）边墙和隔墙迎水面为垂直面，沿池宽方向做成若干倒梯形槽，槽壁坡脚（与水平向夹角）宜大于泥沙水下休止角，在槽底板上布置进沙孔，并与冲沙廊道相通。
冲沙系统由若干条支廊道和主廊道组成。支廊道顺水流方向布置于池底进沙孔下，并分别汇入主廊道。沉沙池工作段内可根据池室（厢）布置，设置多个冲沙系统。
支廊道及主廊道是沉沙池冲排沙的主要建筑物，为充分利用全部水流落差，常把沉沙池分成若干段进行分段沉降和分段冲洗，各段可以利用的水位差均为沉沙池水位与排沙道出口处的水位差。四川南桠河三级电站及渔子溪一级、二级电站的沉沙池工作段分别设置了三段支、主廊道系统进行分段沉降和分段冲沙。由于粗颗粒泥沙前段沉降多，细颗粒泥沙在后端沉降，一般前段冲洗系统的支廊道长度小于后段冲洗系统支廊道长度。
4.下游连接段
下游连接段的主要作用是使出池水流能顺畅进入下游输水道。由于下游输水道断面小，下游连接段宜采用逐渐收缩的渐变断面与下游输水道连接，收缩角一般按水流收缩角确定。当下游为有压引水道时进口顶部淹没水深由淹没条件确定。
连续冲洗式沉沙池的冲沙廊道一旦淤堵，可使用下游连接段内的事故冲沙闸冲沙，因此，在该段内应设置事故冲沙闸作为备用冲沙设施。
5.旁侧溢流堰
旁侧溢流堰的作用是在进水口闸门操作不当或机组丢负荷时，宣泄进入沉沙池超过设计流量的水量或防止沉沙池出现壅水的情况。旁侧溢流堰可在沉沙池工作段、引渠或输水道适当部位设置。堰顶宽度及高程应根据宣泄流量按堰流公式确定，但堰顶宜略高于正常水位，一般高于正常设计水位5cm以上。
6.冲沙廊道
冲沙廊道的顶部一般设有带孔的水平盖板或底栅，如图2-15所示，将池室内具有小流速的水流与冲沙廊道内较大流速的水流分开，以便形成足以冲走冲沙廊道内泥沙的流速，并能利用较小的流量输送泥沙。冲沙廊道的数量是逐渐增加的，其横断面应相应增大，使冲沙廊道的流速大致保持不变，以保证必需的输沙能力，避免过多的水量损失。冲沙廊道的进水最好设计为斜向，以便形成横向环流，提高冲沙廊道的输沙能力。当采用正面进水时，可在冲沙廊道的侧墙及底部设置斜向的条齿，如图2-16所示。条齿的厚度一般采用冲沙廊道宽度的1/10，其方向与冲沙廊道轴线成15°夹角，加条齿的冲沙廊道的糙率约为0.03～0.035，其输沙能力约为无条齿的1.5～2.0倍。
图2-15 圆形冲沙廊道
1—带孔盖板；2—廊道
2.3.3 曲线形连续冲洗式沉沙池
曲线形连续冲洗式沉沙池于20世纪50年代末期在我国新疆地区开始使用，主要用以处理推移质泥沙。池室根据引水流量大小分为单室和多室，目前单室的设计流量已达140m3/s。这种沉沙池与我国西南地区处理悬移质泥沙的水电站连续冲洗式沉沙池不同，它具有结构简单、沉沙效果好、施工方便、造价低等特点。当水流进入曲线形沉沙池后，水流中的推移质泥沙和部分悬移质泥沙在离心力作用下，随着横向环流连续不断地移向沉沙池的凸岸，经设在凸岸的排沙廊道进入排沙道排出。
曲线形沉沙池由进口段、池室（工作段）、出口段和排沙设施等部分组成。
1.进口段
进口段的主要作用是连接引渠和池室，使水流流速逐渐减小，均匀分布进入池室，并不在进口淤积，采用直线渐变与引渠连接，渐变段长度一般为池室宽度的1.6倍。为使进入池室的流速均匀，可在渐变段末端布设整流墩，在渐变段后也可布设一定长度的附加直线段。
图2-16 有条齿的矩形冲沙廊道
1—底部冲沙道；2—廊带孔盖板；3、4—侧墙上人工条齿；5—底部人工条齿
2.池室
池室即为沉沙池的工作段，为一具有90°弯曲的渠段。其轴线的曲率半径为池厢底宽的4倍，曲线两端分别接进、出口段。
池室横断面一般为梯形，池室水深与底宽的比值，一般是根据沉降沙颗粒大小而确定，沉降砾石或卵石的池室，采用相对水深H/B=1/10～1/8，沉降泥沙时一般采用H/B=1/15。池室纵向坡度呈水平，横向一般为1/15～1/8的斜坡，粒径大时采用较大值。采用横向底坡的原因是：由于从凸岸开始的环流向凸岸推进时，不可避免地要出现底部环流过渡到上升环流区，随着这一过渡，底部泥沙会剧烈搅动，为了消除这一现象，以便进行底部泥沙的冲洗，常采用较小的相对水深，凸岸边的渠底会产生逐渐淤高的现象，使横向环流削弱，因此，需将沉沙池的横断面做成坡向凸岸的横向斜坡，以进一步加强横向环流并削除上升环流的搅动，增加排除推移质泥沙的能力。
池室的设计流速可采用1.5m/s。池室底和边坡可用砌石或混凝土衬砌，实践表明，池底粗糙有利于促进底沙的稳定性，同时还可以增加横向环流，有利于泥沙的分离和排除。
3.出口段
出口段与进口段相同，采用1.6倍池底宽的直线渐变段长度，也可加设一定长度的附加直线段。出口段末端常设置闸门、溢流堰或槛坎，用以抬高池厢水位，减低池厢流速。当出口为无闸门控制时，则堰或槛后常用跌水或陡坡与下游渠道衔接。出口段也可以不设槛坎，而靠调节渠道中相应水位来保持衔接。
在有冰凌的泥沙河流中，为了使沉沙池在冬季输水时仍有较大流速，可在槛坎靠近凸岸的一端设一输冰孔。运行经验表明，当冬季输水流量为沉沙池设计流量的1/15左右时，从输水孔输水仍可保持一定的流速，使沉沙池的水流不致冻结。
4.排沙设施
排沙设施包括冲沙廊道和排沙道。冲沙廊道布置在凸岸一侧，一般6～12孔，视沉沙沉砾情况而定：用于沉砾石为6～8孔，用于沉沙为10～12孔。廊道间距大致相同，由于大部分推移质泥沙集中在首部的几个廊道附近，为了减轻这几个廊道的压力采用由密到疏的布置方式，廊道进口应设闸门。廊道设计流量为池室设计流量的25%～36%。廊道轴线以按与排沙道轴线交角为60°的弧形平面布置为好。廊道出口可不设闸门，而在第一条廊道下游的排沙明渠内设置节制闸，用来调节渠内水位和冲沙流量。廊道纵坡可用1/30，出口为非淹没流。廊道孔高不宜小于1.5m，以便检修或人工清淤。
廊道出口设排沙明沟，且使沟内水流方向与池室水流方向相反，以便集中流量冲洗首端挟沙量较大的几条廊道出口沟段的泥沙，排沙沟中的流速应大于3m/s。排沙沟与下游河道的衔接一般采用的跌差具体数值应在决定沉沙池水位时同时考虑，使冲入河道的泥沙不致影响沉沙池的正常使用。因此，在平面布置上，排沙明渠出口应尽可能与河道主流汇合，利用主流将泥沙输送到河道下游。排沙明渠出口应有防冲设施。
2.3.4 条渠形沉沙池
条渠形沉沙池在黄河中下游地区应用较广，这种类型的沉沙池是利用天然洼地地形构筑形成沉沙池，由进口段、中段和下段组成，形成长度较长的宽浅土渠沉沙池，淤满后可以还耕，兼有改良土壤和扩大耕地作用。有些条渠也采用清淤方式，保持长期使用。如图2-17、图2-18所示，按照地形和运行条件，条渠类沉沙池可分多种不同型式。
图2-17 沉沙条渠平面型式
图2-18 梭型沉沙条渠
1—进水闸；2—渠道；3—沉沙条渠；4—节制闸
1.条渠布置原则
沉沙条渠布置应考虑以下原则：
（1）尽量利用天然洼地，少占耕地，减少人口迁移及土地淹没损失。
（2）沉沙池进出口要有一定的落差，采用闸门控制，以利于水位调节，并使池内水位平顺规稳，流势居中，充分利用沉沙库容，使池内淤积泥沙在纵横方向均匀平整，以利于还耕。
（3）有利于安全运行，避免水流游荡，使滩槽相对稳定，形成大滩小槽，高滩深槽。
（4）做好堤外排水布置，以免由于沉沙池蓄水而引起附近地区的地下水位上升，造成浸没影响。
2.条渠沉沙池布置
进口段首端设有多条条渠共用的进口闸，进口段长度约为全池长度的15%，宽度逐渐展开，以利于输沙和防止进口段早期淤积；中段长度约为池长的70%，较顺直，是沉沙池的主要淤积段，流速较小，以利于泥沙沉降；下段为徐缓收缩，长度约为池长的15%，为了避免淤满，流速大于中段。在条渠尾端一般设有节制闸，用以调节水位，提高沉沙效果。
条渠沉沙池的长度大于上述各类沉沙池的长度，根据黄河中、下游的沉沙池调查情况，长度一般在2km以上，个别长度为1km。
根据国内已建条渠沉沙池的经验，条渠内侧边坡一般为1∶5～1∶4，坡面宜植草植树进行生态保护，抵御风浪。堤顶高程的确定应考虑浪高和安全超高，对大型沉沙条渠，标准要适当提高。另外，要有足够的渠顶宽度，以适应风浪冲击和满足防护交通要求，大型沉沙条渠的渠顶宽度一般为5～7m。当渠堤土方工程量较大时，可利用条渠淤土分期加高、分层夯实，做成多级坡面。
3.防渗和截、排渗
沉沙条渠试用期间，由于渗流作用，会引起池外周围区域的地下水位上升而导致土壤盐碱化，因此必须采取有效的防渗排渗措施。沉沙条渠使用完后，在淤好的耕地上，还要建排灌系统，防止产生次生盐碱化和对周围地区浸没的影响。
（1）防渗措施。条渠防渗措施与一般渠道防渗工程不同，通常以就地取材、充分利用水沙资源为原则，采取较简易的措施，减少条渠渠底和围堤的渗漏。
1）池底防渗。可采取放淤的办法，利用水沙资源使池底形成防渗铺盖，即利用来沙较细的季节，引小水放淤渠底，使渠底形成细淤防渗层，厚度约0.3m。
2）围堤防渗。围堤防渗的措施有两种：①利用细淤土做堤；②在条渠使用初期（来沙较细季节），渠内引放大水或壅高水位，使细淤土覆盖堤坡，形成贴淤防渗护面。
（2）截、排渗措施。由于简易防渗不能完全解决沿条渠的渗漏问题，还需在渠外采取相应的截、排渗措施，通常在条渠外设置截渗沟和排水系统。
1）截渗。根据沉沙池水位与池外地形高差及水文地质条件，在沉沙池外开挖2～3道截渗沟 （只挖1条截渗沟往往不能满足截渗要求），第一道沟临近渠堤坡脚，各沟间距和深度需经分析计算确定。截渗沟底宽一般1～3m，边坡1∶3～1∶1.5，视土质条件确定。
2）排渗。排渗措施是在截渗的基础上结合田间工程建立排水系统，使渗水能够排走。井排也具有特殊作用，它能排深层渗水，可有效地控制地下水位埋深至少在2m以下。若地下水矿化度不高，渗水还可补充地下水源，可做到井渠结合，灌溉结合。
设置截渗沟后还必须及时把沟内渗水排走，因此要建立各级排水沟系。此项工程可结合田间工程布置，开挖干、支、斗、农、毛沟等五级灌排系统。做到沟沟有退水出路，节节能退水畅通，把地下水位控制在不会发生盐碱化的安全埋深下。渗水如不远退，就不能起到真正的排渗作用，仍会发生盐碱化。各级排水沟系如有淤塞要及时清淤，否则局部地区仍会返碱。黄河下游冲击平原地区排水治碱工程的经验教训是值得借鉴的。
井排能够有效地控制地下水位埋深至少在2m以下，一般井距300m，一口井控制面积约为100亩地，井排渗水与排水沟相连，由排水沟退水入河。若渗水碱性不大，则可用于灌溉，即井渠结合。沉沙条渠渗水既可补充地下水源，又可抽出灌溉，使井排既治碱又灌溉，此即井排沟排相结合，既灌且排。当截水、排水渠道不能自流退水时，可考虑集中设立抽排站，把截渗沟的水抽排入退水河、渠。截渗沟、排水渠要经常清淤，保持排水畅通无阻。
2.3.5 斜板沉沙池
2.3.5.1 结构布置
斜板式沉沙池由平流段和斜板区两部分组成，平流段起整流与预沉作用，斜板区为主要沉沙区。斜板式沉沙池的特点是沉沙效率较高，占地面积小，城市工业供水的小型沉沙池采用较多，多用于少沙水流。近年来，在水利水电工程中，也逐步开始采用。在渔子溪二级水电站沉沙池模型试验中，专门对斜板式沉沙池的排沙效率和布置形式进行了研究；到20世纪90年代中期，首次将斜板式沉沙池应用于高含沙量且流量不大的黄河中、下游地区，如禹门口提水工程沉沙池。
斜板沉沙池的布置和尺寸选择，原则上应通过模型试验最终确定，其综合评价指标是沉沙效率。设计布置和尺寸拟定时，考虑的主要因素有：①斜板倾角；②斜板相对长度及相对沉速；③斜板间距；④进水方向。现分别叙述如下。
1.倾角（θ）
斜板沉沙池的沉沙效率主要取决于斜板的水平投影面积，因此，斜板的倾角是一个十分重要的因素，倾角越小，斜板在水平方向投影面积越大，处理泥沙能力越强。但是，为保证斜板上的沉沙能自然下滑，就要求有一定倾角而不能太小，试验研究表明，当水流与泥沙的运动方向相反时（异向流），其倾角以45°～60°为宜，一般可采用60°；当水流与泥沙沉淀的运动方向一致时（同向流），沉淀区一般可采用40°，排泥区则采用60°。
2.泥沙相对沉速
及斜板相对长度
斜板相对长度是斜板沿水流方向的长度和斜板间水深之比。李焕才、王孝思针对渔子溪二级电站沉沙池进行了模型试验研究。他们将沉沙效率E概化为泥沙相对沉速
和斜板相对长度
两个无因次量的函数。其试验条件为斜板相对长度
，平均流速0.2～0.5m/s，泥沙粒径为0.05～0.1mm、0.1～0.25mm、0.25～0.5mm，含沙量10kg/m3。
3.斜板间距
从增大沉淀面积、提高沉沙效率上考虑，斜板间距越小越好。但从施工安装和排沙角度看，过小的斜板间距将给施工管理带来困难，使用时容易导致堵塞，因而又都不宜太小。对于城市工业给水，同向流斜板间距以3.5cm为宜，横向流斜板间距以5～15cm为宜，生产上多采用10cm；而对于水利水电工程，考虑到设计流量一般较大，斜板间距宜比上述数值大些，尤其是多泥沙河流，如禹门口提水工程斜板沉沙池斜板垂直净间距为5.4cm。
4.进水方向
斜板沉沙池进水方向有三种，如前所述，分为上向流、平向流、下向流型式，如图2-19所示。通过试验认为，图2-19（a）进水方向为水平进水再转弯向上流动，将可能直冲斜板中的泥沙，不利于泥沙的下滑，一般不宜采用。通常情况下，多采用图2-19（b）、（c）型式。
图2-19 斜板进水方向
2.3.5.2 工程实例
禹门口提水工程，渠首位于黄河禹门口大桥上游，取水总流量26m3/s，一级站自黄河内提水，通过一级输水渠向沉沙池送水，沉沙池布置在禹门口外滩地上，距一级站约300m。沉沙池设计工作流量20m3/s（工业6m3/s、农业灌溉14m3/s），沉沙池作为工业供水的预沉池，以供工业用水为主，灌溉用水次之。当含沙量高时，沉沙池工作流量减小，农业停灌，全供工业使用。工业要求沉沙池在高含沙量时，经沉沙池预沉后出池水中含沙量不超过50kg/m3。该沉沙池于1996年年中建成，于1997年年初开始运行。
该沉沙池由引渠、分水闸、排沙闸、平流段、斜板区、集水槽、排沙渠组成。引渠与一级输水干渠相接，沉沙池集水槽将清水送入清水渠，分别供灌溉与工业供水，排沙渠排沙入滩地与河内。沉沙池总长148m，其中，扩散段长30m，平流段长59m；斜板区长59m；沉沙池宽59m，分为三厢，每厢宽19.6m，两厢工作，一厢交替冲沙；沉沙池设计水深5.3～6.9m，池底纵坡1/70。在斜板区从水面沿水深分为：0.8m高的集流区，1.3m高的斜板区，1.94m高的配水区，2.1～2.95m高的沉沙淤积区。斜板采用玻璃纤维增强水泥板，斜板装置倾角为60°，板间的垂直净距为5.4cm。
2.3.6 湖泊式沉沙池
1.工程概况
湖泊式沉沙池在黄河下游沿岸的河南、山东省境内修建较多，用于城市工业供水与农田灌溉，利用黄河滩地或堤外的洼地湖泊，围堤成池，与平原水库相似。在黄河的悬河段，利用河道的水位高向池内自流引水；在非悬河段采取提水入池。泥沙在池内沉淀，清水供城市工业用。
（1）用于城市工业供水的沉沙池。湖泊式沉沙池由沉沙池与调蓄池组成，联合工作。引、提的浑水先入沉沙池预沉泥沙，然后用一级泵站将较清的水提到蓄水池二次沉淀，再入净化水厂净化后供用户使用。进池水流的含沙量一般控制在不大于50kg/m3，当含沙量大于50kg/m3时，应停引避沙，以减少淤积。出池水流的含沙量在汛期不超过3kg/m3，泥沙粒径小于0.01mm；非汛期一般可以达到基本为清水。绝大部分泥沙（90%以上）可沉淀在沉沙池内，仅有很少部分泥沙沉淀于调蓄池内。也有因沉沙池容积小，调蓄池容积大，后者负担沉淀泥沙多的情况。
沉沙池与调蓄池沉淀的泥沙，均采用机械清淤方法，用吸泥船排出池外。排泥时采取泥沙不停止运行的连续排沙方式。沉沙池与调蓄池的总容积可满足20天以上的供水量。
（2）用于灌溉的湖泊型沉沙池。在黄河下游引黄灌溉用的湖泊型沉沙池，多用在引水量较大，需要有足够容量的沉沙场所，利用地形在洼地修围堤可蓄水沉沙。在豫北、豫东地区一些大型引黄灌区曾广泛采用此型沉沙池，沉沙效果很好。
2.湖泊沉沙池有关经济指标
根据黄委会水利科学研究所1982年的调研资料，平原区利用沙碱荒滩地处理泥沙是较经济的。
3.一些技术问题的处理
（1）沉沙池位置的选择。沉沙池位置多选择在河边或堤边低洼地区，四周修筑围堤。
（2）泥沙的排出与利用。沉沙池与调蓄池沉淀的泥沙多数用挖泥船排出。排出的泥沙有如下出路：①作为黄河大堤内的淤培加固之用；②用于制砖，既解决了排出泥沙的出路，又避免生产砖的取土占用农田问题。
（3）城市、工业用的沉沙池与调节池的容积选择。黄河下游已建的湖泊沉沙池将含沙量大于等于50kg/m3作为避沙停止引水的标准。调蓄水池与沉沙池的容积，在河南段采取为日供水量的25倍；在山东段还要考虑河道断流的影响，采取为日供水量的104倍。
（4）池周围防止地下水升高措施。沉沙池与调蓄水池运行蓄水后，周围农田地下水位升高，将引起盐碱化。为了防止地下水水位升高，周围需采取排水措施。在池外周围打井排水即是降低地下水位的有效办法，同时又可开采部分地下水补充水源。