二級分離排沙渠道排沙效果影響因素試驗研究

王圓圓

(河北省子牙河河務中心，河北 衡水 053000)

1 二級分離排沙渠道結構設計

根據傳統渠道排沙結構設計方面存在的問題和不足，此次研究提出了主要由進水渠、彎道、輸沙廊道、旋流池和出水渠等部分構成的一種二級分離排沙渠道[1]。其中，彎道上游的引水渠和灌區引水渠相接，是一個橫斷面為矩形的半圓明渠，為了增強彎道內水流的橫向環流，提高輸沙能力，在外側部位設置豎直的弧形導流板，其上游端緊貼外側墻，下游與外側墻的距離約為彎道寬度的四分之一，其中心角約為120°。在彎道上部設置水平穿孔板降低上層流速，促進上層水體內的泥沙沉降，在彎道的內側下方開設中心角為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墻設置弧形輸沙走廊[2]。

為了將窄縫中流出的水沙進行二次分離，在輸沙廊道下游設置一個旋流池，其主要目的是利用現有的排沙漏斗技術進行排沙，但是，旋流池和普通的排沙漏斗在結構設計上存在一些差異，主要是底部采用水平結構，上部采用圓環板和月牙板相結合的懸板方式[2]。旋流池的主要工作原理是含沙水流在進入旋流池后，由于水流旋轉作用，可以在中心部位形成漩渦漏斗，最終實現水沙分離[3]。下部的泥沙從排沙孔排出系統，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 模型試驗設計

2.1 模型的設計和制作

水流運動過程十分復雜，難以對其進行準確的模擬和計算，因此水工模型試驗一直是解決水工領域實際問題的重要手段。當然，由于各種力的性質和特征不同，在模型試驗中很難做到所有的力都相似，因此在試驗中需要使主要相似準數相等兼顧或忽略次要相似準數[5]。按照上述思路，在模型試驗過程中按照重力相似準則進行正態模型設計。其模型的主要比尺設計如下：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。

整個模型采用有機玻璃板制作，其進水渠、出水渠和彎道部位的寬度相同[6]，均為30 cm。其中，彎道的外側墻和內側墻的直徑分別為1.6 m和1.0 m，導流板的高度為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。試驗裝置包含一套流量自循環系統，主要由蓄水池、潛水泵、水箱和試驗水槽等部分構成。在工作過程中，水泵將下游蓄水池中的水輸送至水箱，經水箱穩壓之后向試驗系統穩定供水，試驗水槽出口泄流，水流進入下游蓄水池，實現水流循環。

2.2 試驗設備和儀器

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

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

2.3 試驗方案

模型試驗的主要內容是輸沙率試驗。結合相關研究成果，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行試驗。在試驗過程中，固定兩個因素保持不變，通過試驗探討不同因素對模型輸沙效果的影響。

3 試驗結果與分析

3.1 流量的影響

試驗中保持9.0 cm的水位高度和8.0 cm的懸板高度不變，對三種不同流量方案下的排沙效果進行試驗，根據試驗數據繪制出如圖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。從具體的數值來看，耗水率受流量的影響更大，當流量從4.0 L/s增加到6.0 L/s的情況時，其耗水率由29.2%減小到21.2%，降幅達到了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，可以實現在損耗較少水資源的情況時，獲取更好的清淤效果。排沙率隨流量的增加變化并不明顯，當流量從4.0 L/s增加到6.0 L/s的情況時，其排沙率由67.2%增加到69.0%，增加約2.7%。由此可見，雖然增大流量對排沙率影響不明顯，但是仍有助于增強排沙效果?？傊?，增加流量有助于提高二級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

試驗中保持5.0 L/s的流量和8.0 cm的懸板高度不變，對三種不同水位高度方案下的排沙效果進行試驗，根據試驗數據繪制出如圖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。從具體的數值來看，當水位從8.0 cm增加到10.0 cm的情況時，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，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，當水位從8.0 cm增加到10.0 cm的情況時，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

試驗中保持5.0 L/s的流量和9.0 cm的水位高度不變，對三種不同懸板高度方案下的排沙效果進行試驗，根據試驗數據繪制出如圖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。從具體的變化趨勢來看，耗水率隨著懸板高度的增加基本呈線性增大的趨勢，而排沙率則隨著懸板高度的增加呈現迅速增加后趨于平穩的變化特征。從具體的試驗數據來看，當懸板高度從8.0 cm增加到8.5 cm時，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分離排沙渠道排沙效果的提升。對本次試驗來說，最佳懸板高度應該為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 論

(1)增加流量有助于提高二級分離排沙渠道排沙效果，在工程應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分離排沙渠道排沙效果，但是作用極為有限。在工程應用中可以根據實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分離排沙渠道排沙效果的提升，對本次試驗而言，最佳懸板高度應該為8.0 cm。