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泥沙问题是黄河难治的症结所在，治理黄河必须坚持治水与治沙并重。“维持黄河健康生命”，实现河床不抬高，治理黄河泥沙是当前十分紧迫的任务。小北干流放淤是列于黄土高原治理之后，治理黄河泥沙的第二道防线。试验工程的目的和任务为：实现多引沙、引粗沙、淤粗沙、排细沙。相应输沙渠的任务是将粗沙高含沙量水流顺利输送到淤区。
1输沙渠设计纵断面
1.1设计原则及设计条件
黄河小北干流来水含沙量较大，多为粗泥沙高含沙水流，本试验工程旨在引沙放淤，因此输沙渠的设计应考虑引沙放淤的要求，输送一定浓度的高含沙量洪水。由于引水含沙量从50kg/m3到大于300kg/m3不等，变化范围较大，输沙渠应按有冲有淤，冲淤相对平衡的原则进行设计。
以1998年为设计典型年，引水含沙量日平均最大为327.7kg/m3，最小50.6kg/m3，平均142.6kg/m3，设计最小引水含沙量为50kg/m3。考虑到设计的输沙渠的输沙任务，所设计的输沙比降应基本满足冲淤平衡的要求，取200kg/m3含沙量作为设计含沙量，设计流量按71m3/s考虑，悬移质泥沙中值粒经d50=0.025mm，清水沉速ω0＝0.004m/s。
1.2输沙比降分析方法
根据西北所在黄土区泾洛渭渠系稳定渠道调查资料分析，稳定渠道过水面积与流量存在下述关系：
（1）
本次考虑输沙渠的作用，采用下列几种方法进行输沙比降分析。各方法计算结果见表1。
①方法一，采用黄委会设计院公式计算
（2）
式中：－比降；
－水深（m）；
－水面宽（m）；
－系数，与来沙系数有关，取为34；
－输沙率（kg/s）；
－中值粒径（m）；
－糙率。
②方法二，根据西北所在黄土区泾洛渭渠系稳定渠道比降公式计算。
（3）
式中：－比降；
－流量（m3/s）；
－糙率。
③方法三，沙玉清方法
沙玉清利用黄河流域渠系资料和黄土水槽试验资料分析提出不淤流速公式：
（4）
－不淤流速(m/s)；
－粒径（mm）=d50；
－挟沙力（kg/m3）；
－水力半径（m）。
20世纪70年代、80年代陕西泾惠渠、洛惠渠、宝鸡峡灌区及陕北进行了大规模的高含沙引水淤灌试验，前后历时约10年。在不平衡输沙理论和冲淤平衡原则指导下，正常引水含沙量可达400kg/m3～500kg/m3，干支渠一般不淤。洛惠渠和延惠渠引水含沙量最高分别达到957kg/m3和1075kg/m3，表2为泾、洛、宝灌区长距离引浑情况，泾惠渠、洛惠渠引水含沙量分别为533kg/m3和815kg/m3，输沙渠比降分别为40/000～50/000和3.60/000，渠道长分别为67 km、50km。宝鸡峡引水含沙量为465 kg/m3，比降为20/000～3.30/000，渠道长为200km。
表1 输沙渠输沙比降分析表
另人民胜利渠总干渠，设计流量60m3/s，为壤土，比降为2.20/000～3.30/000，个别渠段达5.50/000。汾河干渠，设计流量78m3/s，为沙土、壤土，比降为20/000。
山西省水利厅编制的《高含沙引水及淤灌技术》根据多年的实践经验对高含沙输沙渠得出下列认识：流量大时比降可缓，流量小时比降应陡；对于清浑水兼引的渠道，干渠流量大于10m3/s，小于50m3/s比降范围为20/000～40/000。
表2 1977年泾、洛、宝灌区长距离引浑情况表
根据上述分析计算结果及以往的研究成果输沙比降宜采用30/000~50/000
1.3输沙渠设计纵剖面
按1998年来水来沙过程，采用黄设院冲淤平衡输沙比降公式、黄土地区稳定渠道公式、沙玉清方法计算，输沙渠分流前，既第一级弯道前，所需平均输沙比降为2.4～3.20/000，最大3.1～4.10/000。输沙渠分流后，所需平均输沙比降为2.7～4.40/000，最大3.6～5.70/000。
考虑输沙渠输沙对比降的要求、地形条件以及输沙比降加大后对淤区堆沙容积的影响等因素，经综合分析，第一级弯道前输沙渠比降取40/000，弯道溢流堰分流后，输沙渠比降取50/000。
2输沙渠设计横断面
输沙渠的横断面设计除需要考虑地形条件、引水闸、投资、运行因素以外，最主要的是要满足输送泥沙的要求。输沙渠横断面设计按明渠均匀流渠道过水断面设计。
输沙渠按衬砌考虑，渠道糙率n取值为0.017，渠道内、外边坡均为1:2。经过计算，输沙渠底宽取20m，第一级弯道前输沙渠过流71 m3/s时，水深1.88m，输沙渠过流108 m3/s时，水深2.4m。第一级弯道下游输沙渠过流61 m3/s时，水深1.62m。弯道前后，设计时不考虑过流河宽变化。
根据陕西黄土地区径、洛、渭渠系资料，不淤断面的过水断面面积和流量关系（见式（1））经计算，输沙渠的过流面积小于按上述公式计算的不淤面积，说明输沙渠断面设计满足输沙渠不淤面积的要求，见表3。
表3 输沙渠断面水力因子计算
经计算平均流量下的宽深比为14.6与北洛河下游河道河槽的宽深比接近（北洛河下游宽深比为14～16），北洛河下游河槽比降为1.90/000。输送泥沙含沙量高达1000kg/m3，泥沙粒径粗，平均粒径0.025mm，流量变化范围大，从几十个流量到几千流量，河槽有冲有淤，长期以来河槽稳定。由此认为设计渠底宽20m，可以满足输沙要求
3 2004年放淤试验输沙效果
2004年放淤试验引水流量在10m3/s～97.5m3/s，引水含沙量29.8kg/m3～524kg/m3，引沙中数粒径0.009mm～0.041mm。7月27日1：00～7：30引水流量仅为9.7m3/s，持续时间6小时30分钟，相应含沙量在186kg/m3～344kg/m3之间，相应引沙中数粒径在0.026mm～0.031mm之间，输沙渠运行正常，未发生大淤现象；其间，最大引水含沙量344kg/m3，引沙中数粒径0.031mm。8月11日6：00～12：00引水流量在22.1m3/s～45.8m3/s，持续时间6小时，引水含沙量高达392kg/m3～524kg/m3之间，引沙中数粒径在0.035mm～0.040mm之间；其间，最大引水含沙量524kg/m3相应引水流量仅38.7m3/s，引沙中数粒径为0.039mm；对输沙渠来说，水沙条件非常不利，输沙渠仍圆满完成了输沙任务。可以看出连伯滩输沙渠适应的水沙变化范围很大。
从整个运行情况看，输沙渠输送高含沙的能力较强，放淤试验前期、末期输沙渠同流量水位升高0.35m～0.2m，总的来说输沙渠淤积较轻。在放淤闸后Q1断面及上游弯道溢流堰的弯道进口Q3断面淤积厚度为0.7m，上游弯道的弯道凸岸最大淤积厚度达1m，相对较厚（见图1～图3），但不影响整个输沙渠的运行。输沙渠在输沙过程中，淤积主要发生在放淤闸关闭时，此时输沙渠流量仅有0.2m3/s～1m3/s，但是含沙量却高达29.8kg/m3～288kg/m3。特别是放淤闸第一次关闸时（因故被迫关闭），输沙渠水流含沙量高达288kg/m3，流量从74m3/s突变为0m3/s，致使输沙渠发生淤积，从现场观察情况看淤积厚度约0.5m，这是整个运行过程中淤积最严重的一次。
图1 连伯滩放淤闸后Q1断面淤积过程
图2 上游弯道溢流堰弯道进口Q3断面淤积过程
图3 上游弯道弯顶Q4断面淤积过程
2004年放淤试验成果表明，小北干流放淤试验工程输沙渠输沙设计合理，所输送水沙的变化范围远超过了原设计水沙变化范围，具有很强的输沙能力。
参考文献
1 中国水利学会泥沙专业委员会 泥沙手册. 北京：中国环境科学出版社，1992
2 迟耀瑜. 杨廷瑞. 高含沙引水及淤灌技术. 北京：水利电力出版社，1995
