魯 霞,侯 杰,趙慧芳,高 蕾

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

0 前 言

渾水水力分離清水裝置(簡稱裝置)是一種新型的凈水裝置。該裝置依靠動(dòng)態(tài)渾水自身水力分離作用分離出清水,分離出的泥沙都由自身水力作用排除,無須施加任何其他動(dòng)力和化學(xué)藥劑,改變了傳統(tǒng)的自來水加藥處理泥沙的方式,改善了水質(zhì),可應(yīng)用于噴、滴灌等先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)[1]。但是由于原裝置徑坡為1∶1使得裝置高度較大,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)受到限制。為了解決裝置高度問題,通過改變裝置底部徑坡,減小了裝置的高度。由于改變裝置底部徑坡后會(huì)造成底部泥沙淤積,在裝置底部布設(shè)有壓滲水管路,對(duì)淤積在底部的泥沙進(jìn)行沖刷,使底部的泥沙能夠從排沙底孔均勻排出;因此,對(duì)不同的徑坡和有壓滲水管路布置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)。

1 模型結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)裝置

1.1 模型結(jié)構(gòu)

圖1為裝置的模型結(jié)構(gòu)圖,裝置主要由進(jìn)水涵洞、溢流側(cè)槽、上懸板、中懸板、下懸板、排沙底孔組成。

圖1 裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)裝置

裝置采用透明有機(jī)玻璃制成(圖2)。整個(gè)裝置為自循環(huán)系統(tǒng),即:回水箱中的渾水經(jīng)攪拌泵攪拌均勻后,由抽水泵泵入裝置中進(jìn)行水沙分離,分離出的清水從溢流管進(jìn)入回水箱,渾水由底孔排入回水箱,有壓滲水管路中清水通過另一側(cè)水箱流入裝置,重新混合后再次形成一個(gè)循環(huán)。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

2 試驗(yàn)方法及內(nèi)容

2.1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)在柱體高度為1.3 m,直徑為1 m,底孔孔徑為6 mm的裝置內(nèi),通過改變裝置徑坡、布設(shè)壓力滲水管路的方式進(jìn)行試驗(yàn)研究,每組試驗(yàn)必須間隔數(shù)次加入含沙濃度較高的渾水,保證每測(cè)一組數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)流含沙濃度始終在一個(gè)固定范圍內(nèi)。

2.2 模型沙的選取

本試驗(yàn)選用新疆烏魯木齊市北部天然黃土作為模型沙。顆粒粒徑大于0.075 mm的占6.5%,中值粒徑D50為0.026 mm。天然黃土的顆粒級(jí)配見圖3。

圖3 天然黃土的顆粒級(jí)配

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

裝置底部選取1∶10的徑坡,以人工加壓的方式加入清水并用閥門控制清水流量,在一定壓力作用下,清水由環(huán)形管路中進(jìn)水孔進(jìn)入后從滲水孔滲出,滲水孔僅出現(xiàn)滲水現(xiàn)象且不得使泥沙進(jìn)入,一端封堵,另一端與加壓軟管連接以達(dá)到底部沖淤目的,加壓系統(tǒng)采用側(cè)面標(biāo)有刻度的水箱,可上下移動(dòng)調(diào)節(jié)水頭滿足試驗(yàn)需要。環(huán)形管路結(jié)構(gòu)如圖4所示。在清水流量Q=51.89 cm3/s,底孔 d=3 mm,進(jìn)流含沙濃度為S0=5 kg/m3～35 kg/m3條件下,分別取不同的進(jìn)流流量進(jìn)行試驗(yàn)研究,以進(jìn)流量,溢流量與溢流濁度的關(guān)系來確定改變裝置底部徑坡及布設(shè)有壓式環(huán)形管路結(jié)構(gòu)是否與原裝置水沙分離的規(guī)律一致。

圖4 環(huán)形管路布置

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 進(jìn)流流量、溢流流量對(duì)溢流濁度的影響

在進(jìn)流含沙濃度,其他條件不變的情況下,隨著進(jìn)流流量的增大,溢流流量逐漸增大(圖5);進(jìn)流流量、溢流流量增大的同時(shí),溢流濁度也逐漸增大(圖6)。

圖5 進(jìn)流流量與溢流流量的關(guān)系

圖6 進(jìn)流流量、溢流流量與溢流濁度的關(guān)系

該裝置進(jìn)流流量的大小決定了裝置內(nèi)流場(chǎng)的強(qiáng)度,并直接影響裝置處理渾水的能力。當(dāng)進(jìn)流流量較小時(shí),裝置進(jìn)口平均流速較小,水流紊動(dòng)強(qiáng)度較弱,為泥沙懸浮提供的能量較少,泥沙在重力作用下做沉降運(yùn)動(dòng),溢流濁度較小,當(dāng)進(jìn)流流量較大時(shí),水流的紊動(dòng)作用隨著流量的增加而增加,泥沙受到的水流紊動(dòng)擴(kuò)散作用遠(yuǎn)大于重力作用,泥沙向下的沉速小于水流向上的脈動(dòng)流速時(shí),大部分泥沙以懸浮運(yùn)動(dòng)為主,部分泥沙隨水流溢出,使溢流含沙濃度增大[2],從而溢流濁度增大。

3.2 進(jìn)流流量對(duì)底部淤積的影響

進(jìn)流含沙濃度S0=5 kg/m3～10 kg/m3時(shí),不同進(jìn)流流量下取裝置底部兩個(gè)垂直斷面A—A、B—B的淤積形態(tài)如圖7所示。圖中表明,在進(jìn)流含沙濃度保持不變的情況下,進(jìn)流流量越大,泥沙在底部淤積越少,溢流濁度越大,當(dāng)進(jìn)流流量逐漸變小時(shí),底部泥沙淤積越厚,對(duì)溢流濁度影響較小。

圖7 裝置底部垂直斷面淤積形態(tài)

3.3 裝置耗水率的影響

底孔孔徑不變時(shí),裝置高度對(duì)耗水率有影響[2]。若將裝置的底孔出流視為一般的自由出流,則:

式中:A為底孔面積;g為重力加速度;H為該裝置中的水深;μc為孔口流量系數(shù)。

由式(1)可見,底孔出流量與水深的1/2次方成正比;底部徑坡改為1∶10,較原裝置徑坡1∶1時(shí)整個(gè)裝置高度降低0.45m,裝置耗水率也相應(yīng)減小了6.8%。

3.4 進(jìn)流含沙濃度對(duì)環(huán)形管路的影響

在底孔孔徑不變的情況下,進(jìn)流濃度為S0=10 kg/m3～15 kg/m3時(shí),整個(gè)裝置中泥沙在重力和離心力沉降的共同作用下都淤積在底部,進(jìn)流含沙濃度增大到S0=10 kg/m3～15 kg/m3時(shí),底部的淤積越來越厚,淤積厚度超過10 cm,環(huán)形管路壓力滲水孔被高濃度泥沙淤埋起不到均勻排沙的效果。

由圖2可知，感官評(píng)分隨著十三香濃度的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，在3 g時(shí)感官評(píng)分達(dá)到最大值，隨后迅速下降。究其原因可能是十三香添加量過低，“貢椒魚”火鍋的風(fēng)味沒有層次感；十三香的濃度較高時(shí)，丁香、八角、砂仁、白芷等香料的苦味溶出，從而對(duì)“貢椒魚”火鍋的風(fēng)味產(chǎn)生不利的影響。所以，十三香添加量控制在 2～4 g 之間，此時(shí)“貢椒魚”火鍋的風(fēng)味最好。

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及試驗(yàn)成果分析

4.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)試驗(yàn),裝置底部徑坡改為1∶10后,裝置高度有所降低,但是由于徑坡較緩,當(dāng)進(jìn)流含沙濃度較高時(shí),容易使高濃度渾水淤積在底部;環(huán)形管路布置形式對(duì)徑向排沙有阻礙作用,壓入的清水沒有起到?jīng)_沙效果。針對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行了如下改進(jìn):

(1)將裝置底部徑坡變陡,由1∶10改為1∶6,這樣保證裝置高度減少的同時(shí)底部淤積也減少到最小。

(2)裝置內(nèi)管路布置由環(huán)形管路改為輻射狀管路,清水由滲流變?yōu)樯淞餍问竭M(jìn)入裝置底部。輻射狀管路如圖8。

4.2 成果分析

4.2.1 進(jìn)流流量、溢流流量對(duì)溢流濁度的影響

圖8 輻射狀管路布置

在其他條件不變的情況下,隨著進(jìn)流流量的增大,溢流流量也逐漸增大(圖9)。在裝置結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下,僅改變進(jìn)流流量,裝置底孔出流流量基本保持不變[3]。因此,隨著進(jìn)流流量、溢流流量的增大,溢流濁度也逐漸增大(圖10)。

圖9 進(jìn)流流量與溢流流量的關(guān)系

圖10 進(jìn)流流量、溢流流量與溢流濁度的關(guān)系

4.2.2 進(jìn)流含沙濃度對(duì)溢流濁度的影響

在底孔出流流量保持不變的情況下,隨著進(jìn)流含沙濃度、進(jìn)流流量的增大,溢流濁度也逐漸增大(圖11)。隨著進(jìn)流含沙濃度、溢流流量增大,溢流濁度也隨之增大(圖12)。

圖11 進(jìn)流流量與溢流濁度的關(guān)系

4.2.3 底部徑坡為1∶6對(duì)裝置耗水率的影響

圖12 溢流流量與溢流濁度的關(guān)系

4.2.4 輻射狀管路對(duì)底部淤積的影響

在底孔孔徑不變,進(jìn)流流量Q0=280 cm3/s時(shí),當(dāng)進(jìn)流含沙濃度 S0=5 kg/m3～10 kg/m3、S0=30 kg/m3～35 kg/m3時(shí)A—A、B—B兩個(gè)垂直斷面的淤積形態(tài)如圖13所示。

圖13 裝置底部垂直斷面淤積形態(tài)

在進(jìn)流含沙濃度較小時(shí),底部輻射狀管路滲水孔滲水情況較好,向底孔沉降的泥沙能被射流出的清水沖起,懸浮后從底孔均勻排出,泥沙在底部的淤積較少。隨著進(jìn)流含沙濃度的逐漸增大,泥沙淤積形態(tài)呈現(xiàn)波浪狀垅脊,壓力滲水孔上方泥沙淤積處開始沖刷時(shí)進(jìn)展迅速,出現(xiàn)圓錐形沖刷坑[4],沖刷坑之間基本保持各自單獨(dú)的形態(tài),相鄰兩根輻射狀滲水管之間可留下高低起伏的垅脊,當(dāng)輻射狀壓力滲水孔管壓力足夠大時(shí),滲水孔之間的間距達(dá)到液化體開口寬度[5]時(shí),圓錐形沖刷坑之間緊密相連,其間的垅脊高度減小;隨著滲水孔之間間距的進(jìn)一步減小(或射流流速的進(jìn)一步增大),沖刷最大寬度處的垅脊則幾近沖平,滲水孔孔距愈小則愈平坦[6],隨著時(shí)間的推移沖刷速率減慢,至最后形成一個(gè)穩(wěn)定的沖刷坑,斷面不再擴(kuò)大,泥沙不再輸移。

5 結(jié) 論

裝置徑坡改為1∶6及底部布設(shè)輻射狀管路的結(jié)構(gòu)改進(jìn)達(dá)到了滿意的成果。與前期試驗(yàn)規(guī)律基本一致:在同一直徑、底孔的裝置中,溢流流量隨著進(jìn)流流量的增大而增大,溢流濁度也隨著進(jìn)流流量、溢流流量的增大而增大;裝置底部徑坡為1∶6時(shí),在進(jìn)流濃度較小時(shí),泥沙在底部淤積較少,當(dāng)進(jìn)流濃度逐漸增大時(shí),泥沙的淤積厚度減少了1～1.5倍,在滲水孔通暢的情況下,淤積底部的泥沙將被順利排出底孔,不會(huì)造成淤積堵塞;裝置耗水率隨著高度的減小而減小。試驗(yàn)表明:通過改變裝置徑坡,有效的降低了裝置的整體高度,減小了耗水率;裝置底部的輻射狀管路布置方式,使底部徑坡改變引起的淤積得到了合理的解決。試驗(yàn)成果為裝置的推廣應(yīng)用提供了更為有利的條件和經(jīng)驗(yàn)。

[1]邱秀云,肖 俊,周 著,等.渾水水力分離清水裝置清水流場(chǎng)特性試驗(yàn)研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,29(4):56-61.

[2]劉芬.“渾水水力分離清水裝置”的結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)研究[D].烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.

[3]余新艷,邱秀云,劉芬,等.渾水水力分離清水裝置溢流性能的影響因素試驗(yàn)研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,31(2):81-84.

[4]李文學(xué),張隆榮,姜乃遷,等.射流沖刷試驗(yàn)研究[J].泥沙研究,2000,10(5):22-27.

[5]何建新,侯 杰,劉 亮,等.人工線源液化起動(dòng)泥沙試驗(yàn)研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,30(4):110-112.

[6]李文學(xué),張隆榮,張?jiān)h,等.射流沖刷試驗(yàn)研究[J].泥沙研究,1999,(4):5-10.