圓中環(huán)沉沙排沙池特性研究

張　軍，侍克斌，高亞平，王　進

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊　830052； 2.新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊　830000)

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圓中環(huán)沉沙排沙池特性研究

張軍1,2，侍克斌1，高亞平2，王進2

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊830052； 2.新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000)

摘要：圓中環(huán)沉沙排沙池是新型二級水沙分離設施，采用物理模型試驗方法研究中心出水環(huán)不同高度工況下的排沙特性及最大沉沙粒徑。研究表明：圓中環(huán)利用倒錐底坡上的高速水流將沉沙匯入沖沙槽，保證了在小于設計流量運行時排出沉積泥沙。同時要求沖沙槽起點至沖沙廊道后有適當?shù)穆洳?，保證水流在沖沙槽內(nèi)形成高速環(huán)流及強挾沙力將泥沙自動排入下游河道。在設計流量條件下，中心出水環(huán)不同高度工況處理的泥沙粒徑范圍為1～84 mm。相比中心出水環(huán)不加高工況，中心出水環(huán)加高9 cm，沉沙分布更均勻，有效沉沙體積及沉沙量增加，排沙時間稍有縮短，沉沙時間增加，排沙耗水率更小。圓中環(huán)依靠水力作用并以間歇排沙方式處理推移質(zhì)泥沙，加高中心出水環(huán)可提高處理懸移質(zhì)能力，減小排沙耗水率。

關鍵詞：圓中環(huán)沉沙排沙池； 中心出水環(huán)； 排沙特性； 排沙耗水率

我國西北地區(qū)水資源短缺，河流含沙量大，河道引水比高，二級泥沙處理設施作為引水工程的常用建筑物，其主要功能是沉沙、排沙保護引水渠道及引水式發(fā)電機組不受泥沙直接沖蝕而產(chǎn)生破壞，同時它們也在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉方面發(fā)揮重要作用。目前已有排沙渦管[1-3]、復合型沉沙池[4]、排沙漏斗[5-8]、微灌用新型沉沙池[9-11]等泥沙處理設施。水利工作者通過物理模型研究其排沙特性并取得良好效果。

圓中環(huán)沉沙排沙池(以下簡稱圓中環(huán))是一種新型二級泥沙處理設施，利用水工模型研究其排沙特性及最大沉沙粒徑，為“圓中環(huán)”優(yōu)化結構設計和施工提供依據(jù)，對其推廣應用具有重要意義。

1材料與方法

圓中環(huán)主要由進水渠、進水廊道、匯流槽、沖沙槽、倒錐底坡、中心出水環(huán)、溢流堰、沖沙廊道、環(huán)流閘、沖沙閘、出水渠等建筑物組成[12-13]，基本結構如圖1。呼圖壁圓中環(huán)外徑為32 m，內(nèi)徑為30 m，中心出水環(huán)直徑2.0 m。本次模型以呼圖壁圓中環(huán)為原型，根據(jù)重力相似準則，模型幾何比尺λL=λH=14，渾水模型設計流量為2.72 L/s。為保證懸沙沉降相似，模型沙采用河道天然粉沙，密度為2.65 g/cm3，模型沙水下重度比尺為1，懸移質(zhì)泥沙沉降相似比尺為3.74，粉沙最大粒徑1.0 mm，中值粒徑d50=0.15 mm，小于0.075 mm顆粒含量為14.6%。渾水含沙量2 kg/m3。沉沙、排沙時間比尺λt=3.74。為保證推移質(zhì)沉降相似，模型沙采用天然粗砂，推移質(zhì)泥沙沉降相似比尺為14，最大粒徑10 mm，密度2.66 g/cm3，中值粒徑d50=1.3 mm。排沙特性試驗模型沙為天然粉沙，含沙量由南京水利科學研究院生產(chǎn)的CYS—Ⅲ型智能測沙顆分儀測試，讀數(shù)精度為0.01 kg/m3。最大粒徑測試的模型沙選取天然粉沙及粗砂，顆粒粒徑試驗對圓中環(huán)內(nèi)及出口沉沙進行取樣，結合篩析法及密度計法進行沉沙顆粒最大粒徑測量，圓中環(huán)內(nèi)最大沉沙粒徑按推移質(zhì)泥沙比尺14進行原型粒徑換算，出口最大沉沙粒徑按懸移質(zhì)泥沙比尺3.74進行原型粒徑換算。

圓中環(huán)中心出水環(huán)不同加高工況的流速分布規(guī)律研究表明：中心出水環(huán)加高9 cm工況比中心出水環(huán)不加高工況的流速分布更均勻，但中心出水環(huán)加高后頂高程不宜超過溢流堰頂高程[12]。因此，本文針對圓中環(huán)中心出水環(huán)不加高及加高9 cm工況進行其排沙特性試驗研究，描述排沙過程及計算排沙耗水率，進一步測試分析最大沉沙粒徑。

圖1　圓中環(huán)結構布置Fig.1　“Circular-ring” structure diagram

2試驗結果與分析

2.1排沙特性試驗

在中心出水環(huán)不加高條件下，渾水進入時，開始記錄時間，并測出口含沙量，當圓中環(huán)出口含沙量迅速增加時，水流流速增加并挾帶較多較粗沉沙顆粒排出圓中環(huán)，同時沉沙不斷向溢流堰內(nèi)側推進并淤堵部分沖沙廊道出口，如圖2(a)所示，說明圓中環(huán)沉沙效率迅速降低，截沙率迅速降低，停止試驗，記錄沉沙時間及用沙質(zhì)量。同時打開沖沙閘至孔口最大，記錄排沙時間，圓中環(huán)內(nèi)水位迅速下降，如圖2(b)所示，隨著圓中環(huán)內(nèi)水位迅速下降，由于較陡倒錐底坡的坡度較陡，水流出中心出水環(huán)后形成具有較強沖刷能力的高速水流，首先將倒錐底坡的沉沙匯入沖沙槽，同時部分泥沙隨水流通過沖沙廊道進入下游河道，試驗中發(fā)現(xiàn)，0°～180°范圍沉沙匯入沖沙槽的速度快于180°～360°范圍沉沙，分析原因主要是由于0°～180°范圍倒錐底坡坡度比180°～360°范圍陡，導致0°～180°范圍水流流速較大，水流動能較強，沖刷能力更大。

圖2　中心出水環(huán)不加高工況排沙過程Fig.2　Ejection process in the central outflow ring without being heightened

當?shù)瑰F底坡的沉沙大部分匯入沖沙槽內(nèi)，打開環(huán)流閘，高速水流再將沖沙槽內(nèi)泥沙自動排出圓中環(huán)進入下游河道。分析原因主要是由于沖沙槽過水斷面面積束窄，沖沙槽起點至沖沙廊道后的渠道高差，水流在沖沙槽內(nèi)迅速形成高速環(huán)流，以高流速及強挾沙力迅速將泥沙自動排出圓中環(huán)。通過試驗發(fā)現(xiàn)，當環(huán)流閘孔口開度為0.5時，沖沙槽內(nèi)環(huán)流流速可達到最大，水流動能大，沖刷能力強，排沙時間短，排沙效果較好。

當圓中環(huán)內(nèi)沉沙基本沖洗干凈后，關閉沖沙閘及環(huán)流閘進入正常運行工況，并記錄排沙時間，如圖2(c)所示，從該圖可見圓中環(huán)內(nèi)泥沙淤積死角為進水廊道頂部及環(huán)流閘后。同時，在沖沙槽的凸岸淤沙，延長排沙時間，分析原因主要是由于差異慣性力作用，在沖沙槽內(nèi)產(chǎn)生彎道環(huán)流效應，凸岸淤沙，排沙效率降低。但上述淤沙量很小，不影響圓中環(huán)正常運行，總體排沙過程順暢，可判定圓中環(huán)內(nèi)沉沙基本沖洗干凈，進入正常運行狀態(tài)。

上述分析表明：圓中環(huán)排沙是利用進水水流在較陡的倒錐底坡上形成強沖刷能力的高速水流，能快速將倒錐底坡的沉沙匯入沖沙槽，由于沖沙槽過水斷面面積束窄，沖沙槽起點至沖沙廊道后的渠道高差，水流在沖沙槽內(nèi)迅速形成高速環(huán)流，以高流速及強挾沙力迅速將泥沙自動排出圓中環(huán)進入下游河道。

由圖2可見，圓中環(huán)沉沙分布不均勻，135°～225°范圍沉沙量較多；315°～15°范圍沉沙量次之，其余范圍沉沙量較小。分析有效沉沙體積較小的原因，主要是由于圓中環(huán)結構的影響，進水廊道位于0°及180°方向，180°方向受到水流慣性力作用，導致該斷面及相應的影響范圍水流流速較大，水流紊動擴散作用較強，含沙量大，所以該斷面及其135°～225°范圍沉沙量較多。中心出水環(huán)不加高工況下，沉沙和排沙時間分別為560和37 min，排沙耗水率為6.6%。

中心出水環(huán)加高9 cm工況下，圓中環(huán)起始出口含沙量0.11 kg/m3，截沙率為94.5%，沉沙時間700 min，出口含沙量0.14 kg/m3，截沙率為93.0%，截沙率變化幅度??；沉沙時間790 min及800 min，觀察到0°～360°范圍沉沙接近水面，尤其是315°～15°范圍沉沙水流流速增加并挾帶較多較粗沉沙顆粒排出圓中環(huán)，同時沉沙不斷向溢流堰內(nèi)側及沖沙廊道出口推進，如圖3(a)所示，相應出口含沙量由0.30 kg/m3增至0.36 kg/m3，截沙率由85.0%下降到82.0%，截沙率每分鐘下降0.3%。以上結果表明：圓中環(huán)截沙率及沉沙效率迅速降低，下游引水含沙量迅速增加并影響沖沙，需停水排沙。

中心出水環(huán)加高9 cm工況排沙過程基本同圓中環(huán)中心出水環(huán)不加高工況一樣，不再贅述。當圓中環(huán)截沙率迅速降低時，停止試驗，打開沖沙閘，圓中環(huán)內(nèi)水位迅速下降，如圖3(b)所示，首先是0°～180°方向倒錐底坡的沉沙隨水流匯入沖沙槽，分析原因主要是由于該范圍倒錐底坡坡度較大，水流沖沙動能更強。隨著沖沙時間延長，180°～360°方向沉沙隨水流匯入沖沙槽，該范圍沖沙時間較長。同時圓中環(huán)內(nèi)存在進水廊道頂部及環(huán)流閘后泥沙淤積死角，如圖3(c)所示。

圖3　中心出水環(huán)加高9 cm工況排沙過程Fig.3　Ejection process in the central outflow ring with its height raised by 9 cm

由圖3可見，中心出水環(huán)加高9 cm工況沉沙形態(tài)和沉沙量分布均較均勻，究其原因主要是由于中心出水環(huán)加高9 cm后，改變了“圓中環(huán)”的出水結構，中心出水環(huán)的各方向受到水流慣性力作用基本一致，導致流速及水流紊動擴散作用分布較為均勻，含沙量分布較均勻，所以沉沙量分布較均勻。

由表1及圖3可見，中心出水環(huán)加高9 cm工況有效沉沙體積大，沉沙量多，沉沙時間長(800 min)，排沙耗水率為4.37%。在相同進口水流條件下，相比中心出水環(huán)不加高工況，中心出水環(huán)加高9 cm工況沉沙量分布均勻，有效沉沙體積增加，沉沙量更多。同時，中心出水環(huán)加高9 cm工況的出口含沙量更小，沉沙時間更長，排沙時間稍減小，截沙率增加，排沙耗水率小。

表1　中心出水環(huán)不加高和加高9 cm工況排沙過程

2.2最大沉沙粒徑試驗

圖4　中心出水環(huán)不加高工況最大沉沙粒徑Fig.4　 Maximum particle-size of sediment in the central 　outflow ring without heightening conditions

對于中心出水環(huán)不加高工況，在清水模型設計流量Q=2.727 L/s條件下，進口水深為17.2 cm。采用粉沙進行渾水試驗時，含沙量C=2 kg/m3，當進口水深由17.2 cm增至17.5 cm時，粉沙由進水廊道通過中心出水環(huán)進入圓中環(huán)，進口水深增加至17.8 cm時大量粉沙涌出，中心出水環(huán)處出現(xiàn)粉沙淤積，如圖4(a)所示。

進行粗砂渾水試驗時，含沙量C=2 kg/m3，當進口水深由17.2 cm增加到17.8 cm時，少量粗砂由進水廊道通過中心出水環(huán)進入圓中環(huán)，沉沙最大粒徑1 mm；進口水深增加到19.0 cm時部分粗砂涌出，沉沙最大粒徑4 mm；進口水深增加到20.5 cm時大量粗砂涌出，沉沙最大粒徑6 mm，隨后繼續(xù)試驗，進口水深基本不增加，中心出水環(huán)處出現(xiàn)淤積，如圖4(b)所示。

上述試驗結果表明：中心出水環(huán)處部分泥沙落淤使得進水口水深增加，但該處泥沙落淤不影響圓中環(huán)排沙。所以在實際運用中應適當加高進水渠道，滿足安全運行要求。

圖5　不同中心出水環(huán)高度工況出口沉沙顆分曲線Fig.5　Export desilting curves in the central outflow 　ring with different heightening conditions

圓中環(huán)內(nèi)沉沙顆粒最大粒徑按推移質(zhì)粒徑比尺14進行原型換算。在原型設計流量Q=2 m3/s條件下，最大沉沙粒徑為84 mm。中心出水環(huán)不加高工況的截沙率為90.9%，對粒徑大于1 mm的泥沙顆粒完全沉積在圓中環(huán)內(nèi)[13]。這表明：在設計流量條件下，圓中環(huán)主要處理泥沙粒徑范圍1～84 mm，沉沙效率高，處理以推移質(zhì)為主的多泥沙河流具有優(yōu)勢。

對于中心出水環(huán)加高9 cm工況，在相同進口渾水條件下，最大粒徑試驗過程及結果與不加高工況基本相同，不同的是進口水深變化，中心出水環(huán)加高9 cm工況進口水深比不加高工況的大，以下不再贅述。中心出水環(huán)加高9 cm工況的最大沉沙粒徑為84 mm。由圖5可見，出口最大粒徑按懸移質(zhì)泥沙比尺3.74進行原型換算，中心出水環(huán)加高9 cm工況的出口最大粒徑也為1 mm，相對中心出水環(huán)不加高工況，中心出水環(huán)加高9 cm工況的出口小于0.075 mm顆粒含量增加，中值粒徑減小，排沙耗水率減小。同時，兩種工況的沉沙粒徑范圍相同。究其原因，主要是在相同進水廊道條件下，兩種工況的進水流量相同，進口水流動能及挾沙力基本相同。進入廊道泥沙粒徑基本相同，在中心出水環(huán)處，水流動能降低，部分較粗顆粒泥沙落淤，隨著泥沙落淤，進水口處水深增加，直到進入廊道最大沉沙粒徑可進入圓中環(huán)內(nèi)，所以兩種工況最大沉沙粒徑范圍相同，而進口水深不同。以上分析表明：在設計流量條件下，中心出水環(huán)加高9 cm工況不僅處理1～84 mm范圍推移質(zhì)泥沙效果較佳，而且還可提高圓中環(huán)處理懸移質(zhì)泥沙能力。

3結語

通過對圓中環(huán)中心出水環(huán)不同高度工況的排沙特性及最大沉沙粒徑研究，得出以下結論：

(1)圓中環(huán)排沙方式為間歇排沙，依靠水力作用并以較少的排沙耗水量迅速將沉沙自動排出。較陡的倒錐底坡為圓中環(huán)在小于設計流量運行時排出沉積泥沙奠定良好基礎。為了圓中環(huán)迅速排出泥沙，要求沖沙槽起點至沖沙廊道后有適當?shù)穆洳?，以保證泥沙順利進入河道。

(2)在設計流量及含沙量條件下，圓中環(huán)中心出水環(huán)不加高工況的沉沙分布不均勻，沉沙量及有效沉沙體積較小，排沙耗水率為6.6%，中心出水環(huán)加高9 cm工況沉沙分布較均勻，沉沙量及有效沉沙體積較大，排沙耗水率為4.37%，兩種工況主要處理泥沙粒徑范圍1～84 mm。圓中環(huán)處理推移質(zhì)泥沙更具優(yōu)勢，但加高中心出水環(huán)可提高處理懸移質(zhì)能力，排沙耗水率減小，同時在實際運用中應適當加高進水渠道超高，以滿足安全運行要求。

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Flushing characteristics of sediment basin with circular-ring

ZHANG Jun1,2， SHI Ke-bin1， GAO Ya-ping2， WANG Jin2

(1.CollegeofHydraulicandCivilEngineering，XinjiangAgriculturalUniversity，Urumqi830052，China； 2.XinjiangScientificResearchInstituteofWaterResourcesandHydropower，Urumqi830000，China)

Abstract：A model test method is applied to study the characteristics of sediment flushing and the maximum particle diameter of the sediment in the basin with the circular-ring which is a new water and sediment separation device with different heightening conditions of the central outflow ring. The research results show that the desilting inflow flushing trough by using high velocity flow on inverted cone bottom slope guarantees the discharge flow of depositing sediment to be less than design flow. Meantime, proper difference in height is required between the starting point of the flushing trough and the end of the flushing gallery, thus the desilting flow is automatically discharged into the downstream river course by high-speed circulation and strong sediment-carrying capacity in the flushing trough. Under design discharge conditions, the range of the maximum particle-size of sediment is 1～ 84 mm with the central outflow ring of different heights. When the central outflow ring is height by 9 cm, the desilting is distributed more uniformly, and effective desilting production and desilting volume increase. The sediment ejection time decrease and desilting time increases while the water consumption rate is smaller. The experiment results indicate that the “circular-ring” achieves automatically the discharge of sediment in an intermittent way, and can drain coarse-grain bed sediment. The treatment capacity of suspended load is increased and water consumption rate is decreased by appropriate heightening of the central outflow ring.

Key words：circular-ring desilting and sediment ejection basin；central outflow ring；sediment ejection characteristics； water consumption rate

中圖分類號：TV673

文獻標志碼：A

文章編號：1009-640X(2016)01-0087-06

作者簡介：張軍(1981—)，男，四川資中人，高級工程師，博士, 主要從事水利水電工程設計、施工理論及方案優(yōu)選研究。E-mail：zhang244183367@163.com

基金項目：新疆維吾爾自治區(qū)自然科學基金資助項目(2014211B001)

收稿日期：2015-03-10

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.01.013

張軍， 侍克斌， 高亞平， 等. 圓中環(huán)沉沙排沙池特性研究[J]. 水利水運工程學報, 2016(1): 87-92. (ZHANG Jun, SHI Ke-bin, GAO Ya-ping, et al. Flushing characteristics of sediment basin with circular-ring[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(1): 87-92.)