王圓圓

(河北省子牙河河務(wù)中心，河北 衡水 053000)

1 二級(jí)分離排沙渠道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)傳統(tǒng)渠道排沙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在的問題和不足，此次研究提出了主要由進(jìn)水渠、彎道、輸沙廊道、旋流池和出水渠等部分構(gòu)成的一種二級(jí)分離排沙渠道[1]。其中，彎道上游的引水渠和灌區(qū)引水渠相接，是一個(gè)橫斷面為矩形的半圓明渠，為了增強(qiáng)彎道內(nèi)水流的橫向環(huán)流，提高輸沙能力，在外側(cè)部位設(shè)置豎直的弧形導(dǎo)流板，其上游端緊貼外側(cè)墻，下游與外側(cè)墻的距離約為彎道寬度的四分之一，其中心角約為120°。在彎道上部設(shè)置水平穿孔板降低上層流速，促進(jìn)上層水體內(nèi)的泥沙沉降，在彎道的內(nèi)側(cè)下方開設(shè)中心角為155°的窄縫，以便將沉積的泥沙排出彎道，在其下方沿著彎道內(nèi)墻設(shè)置弧形輸沙走廊[2]。

為了將窄縫中流出的水沙進(jìn)行二次分離，在輸沙廊道下游設(shè)置一個(gè)旋流池，其主要目的是利用現(xiàn)有的排沙漏斗技術(shù)進(jìn)行排沙，但是，旋流池和普通的排沙漏斗在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在一些差異，主要是底部采用水平結(jié)構(gòu)，上部采用圓環(huán)板和月牙板相結(jié)合的懸板方式[2]。旋流池的主要工作原理是含沙水流在進(jìn)入旋流池后，由于水流旋轉(zhuǎn)作用，可以在中心部位形成漩渦漏斗，最終實(shí)現(xiàn)水沙分離[3]。下部的泥沙從排沙孔排出系統(tǒng)，上部的低含沙水流則從溢流口流出并被引回渠道[4]。由于旋流池進(jìn)行了二次水沙分離，可以大幅降低排沙渠道的耗水率。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型的設(shè)計(jì)和制作

水流運(yùn)動(dòng)過程十分復(fù)雜，難以對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬和計(jì)算，因此水工模型試驗(yàn)一直是解決水工領(lǐng)域?qū)嶋H問題的重要手段。當(dāng)然，由于各種力的性質(zhì)和特征不同，在模型試驗(yàn)中很難做到所有的力都相似，因此在試驗(yàn)中需要使主要相似準(zhǔn)數(shù)相等兼顧或忽略次要相似準(zhǔn)數(shù)[5]。按照上述思路，在模型試驗(yàn)過程中按照重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行正態(tài)模型設(shè)計(jì)。其模型的主要比尺設(shè)計(jì)如下：模型的幾何比尺為10，流量比尺為316.228，流速比尺為3.162，時(shí)間比尺為3.162，糙率比尺為1.468，輸沙比尺為316.228，懸沙粒徑比尺為1.16。

整個(gè)模型采用有機(jī)玻璃板制作，其進(jìn)水渠、出水渠和彎道部位的寬度相同[6]，均為30 cm。其中，彎道的外側(cè)墻和內(nèi)側(cè)墻的直徑分別為1.6 m和1.0 m，導(dǎo)流板的高度為7.0 cm，窄縫的高度為3 mm，旋流池的直徑為0.6 m，排沙孔的直徑為4 cm。試驗(yàn)裝置包含一套流量自循環(huán)系統(tǒng)，主要由蓄水池、潛水泵、水箱和試驗(yàn)水槽等部分構(gòu)成。在工作過程中，水泵將下游蓄水池中的水輸送至水箱，經(jīng)水箱穩(wěn)壓之后向試驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定供水，試驗(yàn)水槽出口泄流，水流進(jìn)入下游蓄水池，實(shí)現(xiàn)水流循環(huán)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備和儀器

為了保證模型試驗(yàn)的相似性，選擇粒徑變化范圍為0.063～0.150 mm的粉煤灰作為試驗(yàn)用砂，其對(duì)應(yīng)的原型砂的粒徑為0.091～0.220 mm。按照上述要求，試驗(yàn)中選擇衡水泰和生粉煤灰制品有限公司的粉煤灰經(jīng)過振篩機(jī)篩分獲得。

試驗(yàn)中采用直角三角堰進(jìn)行流量的測量，堰上水頭采用水位測針在堰口上游進(jìn)行測量獲得；試驗(yàn)過程中的泥沙粒徑級(jí)配分析利用RISE-2006型號(hào)激光粒度分析儀；流速的測量采用PIV流速儀。

2.3 試驗(yàn)方案

模型試驗(yàn)的主要內(nèi)容是輸沙率試驗(yàn)。結(jié)合相關(guān)研究成果，模型的排水效果主要受流量、水位以及懸板高度等因素的影響[7]。因此，研究中選擇4.0 L/s、5.0 L/s、6.0 L/s三種不同的流量，10.0 cm、9.0 cm和8.0 cm三種不同的水位高度，8.5 cm、8.0 cm和7.5 cm三種不同的懸板高度進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，固定兩個(gè)因素保持不變，通過試驗(yàn)探討不同因素對(duì)模型輸沙效果的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 流量的影響

試驗(yàn)中保持9.0 cm的水位高度和8.0 cm的懸板高度不變，對(duì)三種不同流量方案下的排沙效果進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出如圖1和圖2所示的耗水率和排沙率變化曲線。由圖可以看出，在水位和懸板高度不變的情況下，耗水率隨著流量的增大而減小，排沙率隨著流量的增大而增大。從具體的數(shù)值來看，耗水率受流量的影響更大，當(dāng)流量從4.0 L/s增加到6.0 L/s的情況時(shí)，其耗水率由29.2%減小到21.2%，降幅達(dá)到了27.4%。由此可見，增加渠道的流量可以有效降低耗水率，減少水資源的浪費(fèi)，可以實(shí)現(xiàn)在損耗較少水資源的情況時(shí)，獲取更好的清淤效果。排沙率隨流量的增加變化并不明顯，當(dāng)流量從4.0 L/s增加到6.0 L/s的情況時(shí)，其排沙率由67.2%增加到69.0%，增加約2.7%。由此可見，雖然增大流量對(duì)排沙率影響不明顯，但是仍有助于增強(qiáng)排沙效果。總之，增加流量有助于提高二級(jí)分離排沙渠道的排沙效果。

圖1 耗水率隨流量變化曲線

圖2 排沙率隨流量變化曲線

3.2 水位高度的影響

試驗(yàn)中保持5.0 L/s的流量和8.0 cm的懸板高度不變，對(duì)三種不同水位高度方案下的排沙效果進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出如圖3和圖4所示的耗水率和排沙率變化曲線。由圖可知，在流量和懸板高度不變的情況下，耗水率隨著水位高度的增加而減小，排沙率隨著水位高度的增加而增大。從具體的數(shù)值來看，當(dāng)水位從8.0 cm增加到10.0 cm的情況時(shí)，其耗水率由25.8%減小到25.1%，降幅為2.7%。由此可見，增加水位高度可以降低耗水率，減少水資源的浪費(fèi)，但是減少的幅度較為有限。排沙率隨水位的增加變化也不明顯，當(dāng)水位從8.0 cm增加到10.0 cm的情況時(shí)，其排沙率由68.2%增加到68.9%，增加約1.0%。由此可見，增加水位高度可以提高排沙率，但是影響幅度極為有限?？傊?，增加水位高度有助于提高二級(jí)分離排沙渠道的排沙效果，但是作用極為有限，也就是水位并不是排沙效果的主要影響因素。

圖3 耗水率隨水位變化曲線

圖4 排沙率隨水位變化曲線

3.3 懸板高度的影響

試驗(yàn)中保持5.0 L/s的流量和9.0 cm的水位高度不變，對(duì)三種不同懸板高度方案下的排沙效果進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出如圖5和圖6所示的耗水率和排沙率變化曲線。由圖可知，在流量和水位高度不變的情況下，耗水率隨著懸板高度的增加而增大，排沙率也隨著懸板高度的增加而增大。從具體的變化趨勢(shì)來看，耗水率隨著懸板高度的增加基本呈線性增大的趨勢(shì)，而排沙率則隨著懸板高度的增加呈現(xiàn)迅速增加后趨于平穩(wěn)的變化特征。從具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，當(dāng)懸板高度從8.0 cm增加到8.5 cm時(shí)，耗水率由25.4%增加到28.1%，增加了約10.6%；排沙率由68.5%增加到69.2%，僅增加約1.0%。由此可見，過分增加或減小懸板高度都不利于二級(jí)分離排沙渠道排沙效果的提升。對(duì)本次試驗(yàn)來說，最佳懸板高度應(yīng)該為8.0 cm。

圖5 耗水率隨懸板高度變化曲線

圖6 排沙率隨懸板高度變化曲線

4 結(jié) 論

(1)增加流量有助于提高二級(jí)分離排沙渠道排沙效果，在工程應(yīng)用中可以在條件允許的情況下采用大流量工況。

(2)水位并不是排沙效果的主要影響因素，增加水位高度雖然有助于提高二級(jí)分離排沙渠道排沙效果，但是作用極為有限。在工程應(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)際需求確定水位高度。

(3)過分增加或減小懸板高度都不利于二級(jí)分離排沙渠道排沙效果的提升，對(duì)本次試驗(yàn)而言，最佳懸板高度應(yīng)該為8.0 cm。