趙東寧，侍克斌，韓克武，石 祥

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

圓中環(huán)沉沙排沙池(以下簡(jiǎn)稱“圓中環(huán)”)作為一種新型的二級(jí)泥沙處理設(shè)施，具有截沙率高、排沙耗水率低、處理泥沙粒徑范圍大的特點(diǎn)[1]，目前已在新疆多地得到應(yīng)用。已建的圓中環(huán)自運(yùn)行以來(lái)，沉沙排沙效果良好，而且在運(yùn)行過(guò)程中管理也比較方便，還取得了比較好的經(jīng)濟(jì)效益，受到當(dāng)?shù)氐暮迷u(píng)。

目前，在圓中環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，只能采取手動(dòng)計(jì)算的方式，而且在計(jì)算過(guò)程當(dāng)中需要進(jìn)行多次試算，運(yùn)用到的計(jì)算公式多而復(fù)雜，稍有不慎就會(huì)造成計(jì)算上的失誤，降低計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)度。為了提高工作效率和計(jì)算精度，本文以Fortran作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將圓中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中運(yùn)用到的計(jì)算過(guò)程融入到編寫(xiě)的程序當(dāng)中，旨在為今后的圓中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供便利，同時(shí)也有助于圓中環(huán)的推廣。

1 “圓中環(huán)”簡(jiǎn)介

1.1 基本結(jié)構(gòu)

以呼圖壁河阿葦灘渠首圓中環(huán)為例，圓中環(huán)主要是由進(jìn)水前池、進(jìn)水廊道、中心出水環(huán)、環(huán)流閘、沖沙槽、沖沙廊道、沖沙閘、溢流堰、匯流槽和出水渠組成。其中，進(jìn)水廊道首部連接進(jìn)水前池，尾部連接環(huán)流閘，中心出水環(huán)堰位于其中間位置；倒錐底坡將中心出水環(huán)堰與沖沙槽相連接，環(huán)流閘和沖沙廊道分別位于沖沙槽首部和尾部[2]，見(jiàn)圖1。

1-進(jìn)水前池；2-進(jìn)水廊道；3-中心出水環(huán)堰；4-倒錐底坡；5-溢流堰；6-匯流槽；7-環(huán)流閘；8-沖沙槽；9-沖沙廊道；10-沖沙閘；11-出水渠

1.2 工作原理

圓中環(huán)沉沙排沙池的運(yùn)行過(guò)程主要是利用重力沉沙的原理，采取連續(xù)引水、間歇沖沙的作業(yè)方式，它的運(yùn)行周期主要分為沉沙和排沙兩個(gè)階段。在沉沙階段中，關(guān)閉環(huán)流閘及沖沙閘，攜帶泥沙的水流經(jīng)進(jìn)水前池進(jìn)入有壓的進(jìn)水廊道，在壓力的作用下攜沙水流從中心出水環(huán)呈輻射狀涌出進(jìn)入圓中環(huán)；之后隨著半徑的增加，過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e不斷加大，相應(yīng)的挾沙水流流速變小，水流攜沙力也隨之降低，因此水流中攜帶的推移質(zhì)泥沙和部分懸移質(zhì)泥沙開(kāi)始在倒錐底坡面上堆積，相對(duì)清水則經(jīng)過(guò)溢流堰流出并通過(guò)匯流槽流入出水渠中，見(jiàn)圖2。在排沙階段中，首先打開(kāi)沖沙閘，這時(shí)圓中環(huán)中的水位迅速下降，倒錐底坡上的大量淤積泥沙會(huì)隨水流進(jìn)入環(huán)形沖沙槽，同時(shí)沖沙槽中的部分泥沙通過(guò)沖沙廊道進(jìn)入下游的河道中，見(jiàn)圖3(a)。當(dāng)?shù)瑰F底坡上的泥沙基本排凈時(shí)再打開(kāi)環(huán)流閘，此時(shí)環(huán)形水流將沖沙槽中的淤積泥沙完全通過(guò)沖沙廊道排出圓中環(huán)外的下游河道中，見(jiàn)圖3(b)。至此圓中環(huán)一個(gè)沉沙排沙周期的運(yùn)行結(jié)束，關(guān)閉沖沙閘和環(huán)流閘進(jìn)入下一周期的運(yùn)行[3]。

圖2 圓中環(huán)沉沙排沙池沉沙階段

圖3 圓中環(huán)沉沙排沙池排沙階段

1.3 手動(dòng)計(jì)算的復(fù)雜性

在圓中環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，若采取手動(dòng)計(jì)算的方式，則在計(jì)算過(guò)程當(dāng)中應(yīng)用到的計(jì)算公式較多，稍有不慎就會(huì)造成計(jì)算上的失誤，最終影響到圓中環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？偟膩?lái)說(shuō)，圓中環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在最大粒徑泥沙啟動(dòng)流速、最小粒徑泥沙不淤流速和內(nèi)環(huán)直徑大小的計(jì)算過(guò)程當(dāng)中。

1.3.1 最大粒徑泥沙啟動(dòng)流速

為了確保最大粒徑泥沙隨水流經(jīng)中心出水環(huán)堰涌出后能夠在沉沙池內(nèi)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也是為了確定倒錐底坡的最小坡度，以使在倒錐底坡上淤積的泥沙快速被溢出的水流沖到?jīng)_沙槽中，需要將中心出水環(huán)堰處的實(shí)際流速與最大粒徑泥沙的啟動(dòng)流速進(jìn)行比較。

在計(jì)算中心出水環(huán)堰處實(shí)際流速的時(shí)候，有一個(gè)對(duì)中心出水環(huán)堰上的堰上水深h1進(jìn)行試算的過(guò)程。每當(dāng)確定一個(gè)h1值時(shí)，都要計(jì)算中心出水環(huán)堰溢出水流的實(shí)際流速V與最大粒徑泥沙啟動(dòng)流速Uc[4]，并將兩個(gè)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，只有當(dāng)這兩個(gè)流速值相近時(shí)才能停止試算。在這一過(guò)程當(dāng)中，主要用到的計(jì)算公式如下：

1) 中心出水環(huán)堰溢出水流的實(shí)際流速：

(1)

式中：Q為進(jìn)水流量；A為水流斷面，m2。

2) 最大粒徑泥沙啟動(dòng)流速Uc：

(2)

式中：ρs為泥沙干密度，kg/m3；ρ為水密度，kg/m3；h為中心出水環(huán)堰堰上水深，m；d為沙石粒徑，mm。

1.3.2 最小粒徑泥沙不淤流速

計(jì)算最小粒徑泥沙不淤流速，不僅僅是為了確定圓中環(huán)的內(nèi)環(huán)直徑大小，也是為了確定倒錐底坡的最大坡度值，使淤積泥沙被水流快速?zèng)_到?jīng)_沙槽中。在計(jì)算過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)用到的計(jì)算公式多而復(fù)雜，具體如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：ω為沉速，cm/s；d為泥沙粒徑，mm；v為運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，cm2/s；t為水的溫度，℃；R為水力半徑，m；n為糙率；J為進(jìn)水渠比降。

1.3.3 內(nèi)環(huán)直徑的確定

在圓中環(huán)擬建地經(jīng)實(shí)地勘測(cè)確定進(jìn)水流量Q之后，運(yùn)用薄壁堰的堰流計(jì)算式(8)可計(jì)算出溢流堰的堰上水深h；假定內(nèi)環(huán)直徑大小為D，依據(jù)流量的基本公式(1)可算出溢流堰附近的行近流速V。按照此計(jì)算原理，最終可得出當(dāng)圓中環(huán)進(jìn)水流量一定時(shí)，內(nèi)環(huán)直徑D與溢流堰附近的行近流速V關(guān)系表(表1)；最后再?gòu)膱A中環(huán)安全運(yùn)行的角度考慮，根據(jù)計(jì)算的最小粒徑泥沙不淤流速值在表中查得相應(yīng)的內(nèi)環(huán)直徑大小值。

(8)

表1 當(dāng)流量為Q時(shí)，不同直徑條件下的流速數(shù)值表

從以上3個(gè)方面可以看出，以手動(dòng)計(jì)算的形式對(duì)圓中環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算量較大，容易出現(xiàn)失誤。因此，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中運(yùn)用到的計(jì)算公式以及各數(shù)值之間的關(guān)系進(jìn)行整理后融入到編程當(dāng)中，根據(jù)程序運(yùn)行過(guò)程中的提示內(nèi)容適當(dāng)調(diào)整輸入值，可減少大量的計(jì)算過(guò)程，同時(shí)還可以提高計(jì)算精度。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算程序開(kāi)發(fā)過(guò)程

2.1 程序流程圖

在對(duì)相關(guān)學(xué)者的研究成果[3,5-6]進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮影響圓中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)因素，得出圓中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的流程圖，見(jiàn)圖4。

2.2 結(jié)構(gòu)尺寸界線說(shuō)明

利用Fortran語(yǔ)言對(duì)圓中環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算過(guò)程進(jìn)行編程時(shí)，各結(jié)構(gòu)的尺寸邊界線詳見(jiàn)圖5。

圖4 圓中環(huán)沉沙排沙池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖

1-中心出水環(huán)堰；2-混凝土板；3-倒錐底坡；4-沖沙槽；5-溢流堰；6-匯流槽；7-匯流槽外墻；D1-中心出水環(huán)堰直徑；D2-內(nèi)環(huán)直徑；D3-外環(huán)直徑；L1-沖沙槽寬度；L2-溢流堰寬度；L3-匯流槽寬度；L4-匯流槽外墻寬度(a)90°斷面圖

ai-寬度(i為進(jìn)水廊道，環(huán)流閘，沖沙廊道)；bi-高度(i為進(jìn)水廊道，環(huán)流閘，沖沙廊道)(b)進(jìn)水廊道/環(huán)流閘/沖沙廊道斷面圖

2.3 計(jì)算過(guò)程

2.3.1 計(jì)算前準(zhǔn)備

在計(jì)算程序所在的文件夾下分別新建一個(gè)文本格式的輸入文件和輸出文件，如“INPUT .txt”“OUTPUT .txt”。輸入文件主要是記錄在圓中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中運(yùn)用到的設(shè)計(jì)參數(shù)，主要是在圓中環(huán)擬建地經(jīng)實(shí)地勘測(cè)后所獲得的數(shù)據(jù)，包括進(jìn)入到圓中環(huán)的最大泥沙粒徑、最小泥沙粒徑、泥沙干密度、含沙量、水溫、水密度、糙率、進(jìn)水渠比降等。需要注意的是，由于在編寫(xiě)圓中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算程序的過(guò)程中，已將計(jì)算過(guò)程中應(yīng)用到的沙石粒徑單位換算為“cm”，所以在錄入以上設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，泥沙粒徑必須以“cm”為單位。輸出文件的作用在于記錄計(jì)算過(guò)程中的結(jié)果。

2.3.2 參數(shù)獲取方式

計(jì)算程序運(yùn)行之后，對(duì)于參數(shù)的獲取主要通過(guò)兩種方式。第一，計(jì)算過(guò)程中的固定參數(shù)通過(guò)READ語(yǔ)句直接從輸入文件當(dāng)中讀取。第二，圓中環(huán)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)需在彈出的窗口中根據(jù)PRINT語(yǔ)句提示進(jìn)行輸入。每輸入一個(gè)參數(shù)后按Enter 鍵方可出現(xiàn)下一個(gè)參數(shù)輸入提示。

2.3.3 誤差檢驗(yàn)

在計(jì)算過(guò)程當(dāng)中，為確保最大粒徑泥沙、最小粒徑泥沙均能在沉沙池內(nèi)沉積，需要對(duì)中心出水環(huán)出口處流速與最大粒徑泥沙啟動(dòng)流速、最小內(nèi)環(huán)直徑時(shí)的溢流堰附近行近流速與最小粒徑泥沙不淤流速這兩組流速數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差檢驗(yàn)；確定內(nèi)環(huán)直徑后，需要對(duì)設(shè)計(jì)流量和溢流堰流出的水流量進(jìn)行誤差檢驗(yàn)，確保溢流堰堰上水深的合理性。進(jìn)行誤差檢驗(yàn)時(shí)，采用塊IF和GO TO語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)當(dāng)型循環(huán)[7]，將誤差的絕對(duì)值控制在0.1范圍以內(nèi)。若在計(jì)算的過(guò)程中所得到的流速誤差符合要求，將會(huì)繼續(xù)進(jìn)行下一步計(jì)算；否則將會(huì)根據(jù)提示調(diào)整相關(guān)參數(shù)，直至達(dá)到要求。計(jì)算過(guò)程中的部分編程如下：

104 PRINT*, ’Input the water depth estimate on overflow weir’

READ(*,*) h4

v3=Q/(PI*D2*h4)

e2=((v3**2)*(F**2))/((PI*D2*h2)/(PI*D2)**(4/3))

H2=h3+e2*(D2/2)

Bm=0.403+0.053*h4/H2+0.007/H2

Q1=Bm*PI*D2*(2*g)**(0.5)*(h4)**(3/2)

Q1Q= Q-Q1

IF (Q1Q.LT.-0.1) THEN

PRINT*,’The h4 needs to be decreased’

GOTO 104

ELSE

IF(Q1Q.GT.0.1) THEN

PRINT*,’The h4 needs to be increased’

GOTO 104

ELSE

END IF

END IF

2.3.4 輸出形式

從圖4的設(shè)計(jì)流程圖中可以看出，圓中環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為6個(gè)部分，計(jì)算程序運(yùn)行過(guò)程中，輸出形式包含PRINT和WRITE兩種。每一部分在計(jì)算開(kāi)始后，PRINT語(yǔ)句會(huì)將要輸入的內(nèi)容提示及輸入的數(shù)值顯示在電腦窗口上；計(jì)算結(jié)束之后，所得到的計(jì)算結(jié)果都會(huì)通過(guò)WRITE語(yǔ)句在輸出文件中呈現(xiàn)。

2.3.5 運(yùn)行結(jié)果

經(jīng)驗(yàn)證，在相同條件下，將計(jì)算程序得到的結(jié)果與手動(dòng)計(jì)算的結(jié)果相比較，基本一致。而且通過(guò)計(jì)算程序進(jìn)行圓中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，得到的計(jì)算精度更高，耗費(fèi)的時(shí)間更短。

3 算 例

為了將引水渠道中的泥沙進(jìn)行處理后用于周邊村莊的灌溉作業(yè)，某地?cái)M修建一個(gè)圓中環(huán)沉沙排沙池對(duì)引水渠道中的泥沙進(jìn)行處理。經(jīng)實(shí)地勘測(cè)，進(jìn)水渠的流量2 m3/s，比降0.0001，含沙量12 kg/m3，水溫20℃，可進(jìn)入到圓中環(huán)進(jìn)水前池的最大泥沙粒徑為84 mm，泥沙干密度為2 000 kg/m3，水密度1 000 kg/m3，修建時(shí)倒錐底坡采用漿砌塊石，糙率為0.021[8]。要求進(jìn)入到灌溉區(qū)的最大泥沙粒徑為0.15 mm，試對(duì)圓中環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

解：新建“INOUT.txt”“OUTPUT.txt”文件，依次將進(jìn)入到圓中環(huán)進(jìn)水前池的最大泥沙粒徑、進(jìn)入到灌溉區(qū)的最大泥沙粒徑、泥沙干密度、水密度、含沙量、水溫、糙率、進(jìn)水渠比降輸入“INPUT.txt”文件中，見(jiàn)圖6。運(yùn)行計(jì)算程序，在彈出的窗口中依據(jù)提示輸入?yún)?shù)，見(jiàn)圖7。最終得到的計(jì)算結(jié)果匯總在“OUTPUT.txt”文件中，見(jiàn)圖8。

圖6 已知參數(shù)輸入界面

圖7 參數(shù)輸入窗口

從圓中環(huán)安全運(yùn)行的角度考慮，根據(jù)圖8的計(jì)算結(jié)果，該擬建圓中環(huán)的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸信息可確定如下：

設(shè)計(jì)流量：2 m3/s

中心出水環(huán)直徑：2 m

內(nèi)環(huán)直徑：65 m

外環(huán)直徑：67 m

沉沙池深度：3.8 m

沖沙槽寬度：3 m

進(jìn)水廊道尺寸：2 m×0.95 m

環(huán)流閘尺寸：3 m×0.95 m

沖沙廊道尺寸：0.38 m×1.38 m

倒錐底坡的坡度：7.0%

在圓中環(huán)運(yùn)行的過(guò)程中，為確保最大粒徑沙石能夠在沉沙池內(nèi)沉積，進(jìn)水前池與沉沙池之間的水頭差至少為46.5 cm。

將溢流堰寬度設(shè)計(jì)為0.1 m，匯流槽外墻寬度設(shè)計(jì)為0.2 m，根據(jù)圖5(a)可得出匯流槽寬度為0.8 m。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)圓中環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，將各結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行程序化，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算程序編寫(xiě)完成后，經(jīng)驗(yàn)證與手動(dòng)計(jì)算的結(jié)果相近，避免了手動(dòng)計(jì)算出現(xiàn)的失誤，保證了準(zhǔn)確率，提高了計(jì)算精度。

2) 利用編程完成在設(shè)計(jì)過(guò)程中的復(fù)雜計(jì)算，可以減少設(shè)計(jì)人員手工計(jì)算工作量，實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算，提高工作效率，讓設(shè)計(jì)人員更加專注于設(shè)計(jì)工作。

3) 為今后的圓中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步提供了科學(xué)依據(jù)，有助于圓中環(huán)的推廣應(yīng)用。