張 軍,侍克斌,高亞平,王 進

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

圓中環(huán)沉沙排沙池流速分布規(guī)律試驗

張 軍1,侍克斌2,高亞平1,王 進1

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

對一種新型沙水分離裝置——圓中環(huán)沉沙排沙池進行模型試驗研究,對8個徑向測試斷面的清水流速在徑向、垂向和環(huán)向的分布進行了測試。試驗結果表明:圓中環(huán)沉沙排沙池的流速及流速梯度在環(huán)向呈不均勻分布,尤以180°徑向測試斷面流速及流速梯度最大;流速及流速梯度在徑向與半徑成反比,表層水流流速大小垂向分布與水深成反比;在距離圓心1/2半徑以內(nèi)水流紊動較強,其余半徑范圍水流紊動弱;中心出水環(huán)處流速大小與溢流堰內(nèi)側最大相差7.3倍,溢流堰長度是中心出水環(huán)的15倍。認為圓中環(huán)沉沙排沙池具有較好的沉沙條件的重要原因是溢流堰長度大。

泥沙處理;圓中環(huán)沉沙排沙池;流速;流速梯度

新疆山溪性河流含沙量高,引水必須防沙。20世紀50年代以來先后引入印度式、原蘇聯(lián)的費爾干式、底欄柵式及分層式等多種一級泥沙處理設施,同時布設沖沙閘槽、曲線沉沙池和廂型沉沙池等二級泥沙處理設施,這些形式的防沙設施早期起到了積極的防沙作用。隨著社會的快速發(fā)展,河流的引水比大幅度提高,甚至達到100%,由此造成引水不沖沙的現(xiàn)象,引水渠道及發(fā)電機組磨損嚴重。如新疆輪臺縣迪那河總干渠干砌卵石渠道,建成后運行僅兩年渠底漿砌卵石就被磨掉15～20 cm,設計引水量減半;新疆克孜河上的喀什一級電站,10臺機組經(jīng)過一個汛期就全部更換[1]。鑒于此,人們對二級泥沙處理設施不斷改進和創(chuàng)新,目前已運用于實際生產(chǎn)的二級泥沙處理設施有排沙渦管、復合型沉沙池、排沙漏斗、微灌用新型沉沙池、自排沉沙池等。

排沙渦管在一定水流條件下,隨著夾角的增大,管內(nèi)線速度增大,沿管軸線方向將會出現(xiàn)空腔,渦管內(nèi)沿徑向的縱向流速分布呈管壁大、中間小的特點,軸向流速分布呈中間大、靠近管壁小的規(guī)律[2-3]。禹門口引黃工程復合型沉沙池的流速分布模型試驗得出流速分布呈沿程減小的規(guī)律[4]。排沙漏斗為典型的三維流場,大量學者對其清水、渾水的切向、徑向、軸向時均流速進行了測試研究[5-9],得出排沙漏斗的底部流速較大,在流場的大部分區(qū)域,切向流速均大于徑向流速及軸向流速。微灌用新型沉沙池及自排沉沙池均是在普通條形沉沙池基礎上增設調流板、溢流槽等裝置改進而得,對其流速分布進行測試研究[10-11],結果表明增設調流板等裝置,沉沙池流速分布更加均勻。

圓中環(huán)沉沙排沙池(以下簡稱“圓中環(huán)”)是一種治理泥沙的新型技術裝置,它首次應用于新疆呼圖壁阿葦灘渠首,重點解決了引水渠泥沙淤積問題,為石梯子鄉(xiāng)阿葦灘灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水提供了保障。2006年運行至今,沉沙排沙效果良好。本文以呼圖壁阿葦灘渠首“圓中環(huán)”為原型進行徑向流速分布規(guī)律研究,為“圓中環(huán)”結構形式的優(yōu)化及其推廣應用提供理論及設計依據(jù),進一步豐富了泥沙處理技術手段。

1 “圓中環(huán)”基本結構

“圓中環(huán)”常布置在引水渠道上,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],如圖1所示。呼圖壁阿葦灘渠首“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,進水廊道2.0 m×0.75 m；匯流槽寬1.0 m,縱坡1%；沖沙槽寬3.0 m,縱坡2.35%；倒錐底坡12.7%～21.8%,以中心出水環(huán)中心為圓心O。

1—進水渠；2—進水廊道；3—中心出水環(huán)；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—出水渠圖1 “圓中環(huán)”布置示意圖

2 試驗概況

本次測試模型按弗勞德準則設計,模型幾何比尺λL=λh=14,為滿足糙率相似要求,模型采用聚氯乙烯塑料板制作。清水測試模型流量為2.71 L/s(原型2 m3/s)。

根據(jù)“圓中環(huán)”原型及模型水流流態(tài)分析可知,水流主要沿徑向流動,因而模型試驗主要測試其徑向流速。清水徑向流速采用LGY-Ⅲ型流速儀對8個徑向測試斷面進行測試[13]。每個徑向測試斷面布置6個垂向測距,以中心出水環(huán)圓心O為坐標原點,模型測距10 cm、30 cm、50 cm、70 cm、90 cm、100 cm，對應原型半徑2.4 m、5.2 m、8.0 m、10.8 m、13.6 m、15 m(溢流堰內(nèi)側)。

清水徑向流速垂向分布各測點間距不同。根據(jù)垂向測距對應的不同水深布置2～6個水平徑向測試面,Z1、Z2及Z3測試面以垂向等距離3 cm(原型為0.42 m)布置測點,Z4、Z5及Z6測試面根據(jù)各自Z3測試面距池底不同垂向水深等距布置測點。將各徑向斷面Z1水平測試面上同一測距對應徑向流速分別匯總后得出環(huán)向分布情況。測試斷面及測點布置如圖2所示。

圖2 徑向流速測試斷面及測點布置示意圖

3 試驗結果及分析

圖3為不同斷面清水徑向流速徑向、垂向分布,圖4為Z1水平徑向測試面徑向流速環(huán)向分布,圖中數(shù)據(jù)均為模型試驗數(shù)據(jù)。以下分析結果數(shù)據(jù)均還原至原型數(shù)據(jù)。

圖3 不同斷面徑向流速徑向、垂向分布

圖4 Z1測試面徑向流速環(huán)向分布

圖3表明,8個徑向斷面上徑向流速垂向分布規(guī)律基本相同。在水面以下0.7 m深度范圍內(nèi),測距2.4 m與15 m(溢流堰內(nèi)側)徑向流速沿徑向最大相差7.3倍,平均相差6倍,徑向流速沿垂向最大相差10倍,平均相差3.5倍,說明隨著“圓中環(huán)”半徑的增加,過水斷面面積迅速增加,徑向流速沿程迅速減小;隨著水深的增加,徑向流速垂向快速減小;徑向流速梯度較大,且沿徑向迅速減小。在水面以下0.7～4.2 m深度范圍內(nèi),測距2.4 m與15 m(溢流堰內(nèi)側)徑向流速沿徑向變化較小,相差1～1.5倍,表明隨著“圓中環(huán)”半徑的增加,徑向流速沿程減小,但減小幅度不大;隨著水深的增加,徑向流速垂向變幅較小,徑向流速梯度很小,徑向流速分布相對均勻。在水面以下0.7 m深度范圍與0.7～4.2 m范圍內(nèi)徑向流速方向相反,說明“圓中環(huán)”沿徑向出現(xiàn)回流區(qū)。

從圖3還可以得出,“圓中環(huán)”在徑向0～7.5 m范圍內(nèi)的徑向流速沿垂向呈明顯上大下小,分布不均勻,徑向流速較大,徑向流速梯度大,說明“圓中環(huán)”在該范圍水流紊動較強。在徑向7.5～15 m范圍徑向流速沿垂向基本呈均勻分布,徑向流速梯度很小,說明“圓中環(huán)”在該范圍水流紊動弱。

從圖4可以看出,“圓中環(huán)”內(nèi)徑向流速呈現(xiàn)不均勻分布,135°～225°范圍內(nèi)徑向流速較大,徑向流速梯度較大,水流紊動較強，尤其是180°斷面徑向流速最大,徑向流速沿垂向也呈明顯上大下小,分布不均勻,徑向流速梯度及水流紊動最大;315°～15°范圍內(nèi)徑向流速、徑向流速梯度及水流紊動分布次之,15°～135°及225°～315°范圍內(nèi)徑向流速、徑向流速梯度及水流紊動較小。

水流通過進水廊道及中心出水環(huán)進入“圓中環(huán)”內(nèi),隨著半徑增加,水深迅速增加,過水斷面面積也快速增大,徑向流速、徑向流速梯度及水流紊動減小,尤其是在水面以下0.7 m深度范圍內(nèi)徑向流速沿徑向最大相差7.3倍,沿垂向最大相差10倍,徑向流速、徑向流速梯度及水流紊動迅速減小。同時,由于溢流堰長是中心出水環(huán)周長的15倍,相同流量,溢流堰過水單寬流量迅速下降,相應徑向流速迅速下降,說明“圓中環(huán)”內(nèi)過水斷面面積增加及溢流堰長度大是徑向流速、徑向流速梯度及水流紊動快速減小的關鍵因素,因此,“圓中環(huán)”內(nèi)過水斷面面積增加及溢流堰長度大是“圓中環(huán)”有利于沉沙的重要原因。

4 結 論

“圓中環(huán)”的徑向流速及徑向流速梯度在環(huán)向呈不均勻分布,尤以180°徑向斷面徑向流速及徑向流速梯度最大;但徑向流速及徑向流速梯度大小在徑向與半徑成反比,水面以下0.7 m深度范圍內(nèi)徑向流速大小在垂向與水深成反比;在距離圓心1/2半徑以內(nèi)徑向流速、徑向流速梯度及水流紊動較強,其余半徑范圍徑向流速、徑向流速梯度及水流紊動較弱;沿徑向斷面存在回流區(qū)。“圓中環(huán)”內(nèi)過水斷面面積增加,水面以下0.7 m深度范圍內(nèi)徑向流速、徑向流速梯度及水流紊動迅速減小;同時,“圓中環(huán)”溢流堰長是中心出水環(huán)周長的15倍,溢流堰過水單寬流量快速減小,相應徑向流速迅速下降,表明“圓中環(huán)”具有較好的沉沙條件,且“圓中環(huán)”內(nèi)過水斷面面積增加及溢流堰長度大是“圓中環(huán)”有利于沉沙的重要原因。

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Experimental study on velocity distribution in the circular rings desilting and sediment ejection basin//

ZHANG Jun1, SHI Kebin2, GAO Yaping1, WANG Jin1

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

A modal experimental study has been carried out on a new water and sediment separation device-circular rings desilting and sediment ejection basin. In this study it has been tested the velocity distribution of eight redial test sections respectively in radial, vertical and circular direction. The results indicate that the distribution of velocity and velocity gradient in the ring direction of circular rings is uneven and the largest numerical value emerges in 180° radial test section. Additionally, velocity and velocity gradient are inversely proportional to the radius in the radial direction, and surface water velocity is inversely proportional to water depth in the vertical direction. Besides, flow turbulence in the distance less than 1/2 radius is strong, while in other distance is weak. Furthermore, velocity in the central outflow ring reaches the maximum value of 7.3 times that of overflow weir inside, and the overflow weir length is 15 times that of central outflow ring. Overall, the experiment shows that the circular rings have better desilting conditions for the long overflow weir length.

sediment disposal; circular rings desilting and sediment ejection basin; velocity; velocity gradient

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學基金 (2014211B001)

張軍(1981—),男,四川資中人,工程師,博士研究生,主要從事水利水電工程設計、施工工作。E-mail:zhang244183367@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.03.007

TV673

A

1006-7647(2015)03-0034-03

2014-02-20 編輯：駱超)