浑水水力分离清水装置排沙结构优化的试验研究

鲁 霞,侯 杰,赵慧芳,高 蕾

(新疆农业大学 水利与土木工程学院,新疆乌鲁木齐830052)

0 前 言

浑水水力分离清水装置(简称装置)是一种新型的净水装置。该装置依靠动态浑水自身水力分离作用分离出清水,分离出的泥沙都由自身水力作用排除,无须施加任何其他动力和化学药剂,改变了传统的自来水加药处理泥沙的方式,改善了水质,可应用于喷、滴灌等先进的节水灌溉技术[1]。但是由于原装置径坡为1∶1使得装置高度较大,在实际应用时会受到限制。为了解决装置高度问题,通过改变装置底部径坡,减小了装置的高度。由于改变装置底部径坡后会造成底部泥沙淤积,在装置底部布设有压渗水管路,对淤积在底部的泥沙进行冲刷,使底部的泥沙能够从排沙底孔均匀排出;因此,对不同的径坡和有压渗水管路布置进行了结构优化试验。

1 模型结构及试验装置

1.1 模型结构

图1为装置的模型结构图,装置主要由进水涵洞、溢流侧槽、上悬板、中悬板、下悬板、排沙底孔组成。

图1 装置的结构示意图

1.2 试验装置

装置采用透明有机玻璃制成(图2)。整个装置为自循环系统,即:回水箱中的浑水经搅拌泵搅拌均匀后,由抽水泵泵入装置中进行水沙分离,分离出的清水从溢流管进入回水箱,浑水由底孔排入回水箱,有压渗水管路中清水通过另一侧水箱流入装置,重新混合后再次形成一个循环。

图2 试验装置示意图

2 试验方法及内容

2.1 试验方法

本试验在柱体高度为1.3 m,直径为1 m,底孔孔径为6 mm的装置内,通过改变装置径坡、布设压力渗水管路的方式进行试验研究,每组试验必须间隔数次加入含沙浓度较高的浑水,保证每测一组数据时进流含沙浓度始终在一个固定范围内。

2.2 模型沙的选取

本试验选用新疆乌鲁木齐市北部天然黄土作为模型沙。颗粒粒径大于0.075 mm的占6.5%,中值粒径D50为0.026 mm。天然黄土的颗粒级配见图3。

图3 天然黄土的颗粒级配

2.3 试验内容

装置底部选取1∶10的径坡,以人工加压的方式加入清水并用阀门控制清水流量,在一定压力作用下,清水由环形管路中进水孔进入后从渗水孔渗出,渗水孔仅出现渗水现象且不得使泥沙进入,一端封堵,另一端与加压软管连接以达到底部冲淤目的,加压系统采用侧面标有刻度的水箱,可上下移动调节水头满足试验需要。环形管路结构如图4所示。在清水流量Q=51.89 cm3/s,底孔 d=3 mm,进流含沙浓度为S0=5 kg/m3～35 kg/m3条件下,分别取不同的进流流量进行试验研究,以进流量,溢流量与溢流浊度的关系来确定改变装置底部径坡及布设有压式环形管路结构是否与原装置水沙分离的规律一致。

图4 环形管路布置

3 试验结果与分析

3.1 进流流量、溢流流量对溢流浊度的影响

在进流含沙浓度,其他条件不变的情况下,随着进流流量的增大,溢流流量逐渐增大(图5);进流流量、溢流流量增大的同时,溢流浊度也逐渐增大(图6)。

图5 进流流量与溢流流量的关系

图6 进流流量、溢流流量与溢流浊度的关系

该装置进流流量的大小决定了装置内流场的强度,并直接影响装置处理浑水的能力。当进流流量较小时,装置进口平均流速较小,水流紊动强度较弱,为泥沙悬浮提供的能量较少,泥沙在重力作用下做沉降运动,溢流浊度较小,当进流流量较大时,水流的紊动作用随着流量的增加而增加,泥沙受到的水流紊动扩散作用远大于重力作用,泥沙向下的沉速小于水流向上的脉动流速时,大部分泥沙以悬浮运动为主,部分泥沙随水流溢出,使溢流含沙浓度增大[2],从而溢流浊度增大。

3.2 进流流量对底部淤积的影响

进流含沙浓度S0=5 kg/m3～10 kg/m3时,不同进流流量下取装置底部两个垂直断面A—A、B—B的淤积形态如图7所示。图中表明,在进流含沙浓度保持不变的情况下,进流流量越大,泥沙在底部淤积越少,溢流浊度越大,当进流流量逐渐变小时,底部泥沙淤积越厚,对溢流浊度影响较小。

图7 装置底部垂直断面淤积形态

3.3 装置耗水率的影响

底孔孔径不变时,装置高度对耗水率有影响[2]。若将装置的底孔出流视为一般的自由出流,则:

式中:A为底孔面积;g为重力加速度;H为该装置中的水深;μc为孔口流量系数。

由式(1)可见,底孔出流量与水深的1/2次方成正比;底部径坡改为1∶10,较原装置径坡1∶1时整个装置高度降低0.45m,装置耗水率也相应减小了6.8%。

3.4 进流含沙浓度对环形管路的影响

在底孔孔径不变的情况下,进流浓度为S0=10 kg/m3～15 kg/m3时,整个装置中泥沙在重力和离心力沉降的共同作用下都淤积在底部,进流含沙浓度增大到S0=10 kg/m3～15 kg/m3时,底部的淤积越来越厚,淤积厚度超过10 cm,环形管路压力渗水孔被高浓度泥沙淤埋起不到均匀排沙的效果。

由图2可知，感官评分随着十三香浓度的增大呈先增大后减小的趋势，在3 g时感官评分达到最大值，随后迅速下降。究其原因可能是十三香添加量过低，“贡椒鱼”火锅的风味没有层次感；十三香的浓度较高时，丁香、八角、砂仁、白芷等香料的苦味溶出，从而对“贡椒鱼”火锅的风味产生不利的影响。所以，十三香添加量控制在 2～4 g 之间，此时“贡椒鱼”火锅的风味最好。

4 结构改进及试验成果分析

4.1 结构改进

根据试验,装置底部径坡改为1∶10后,装置高度有所降低,但是由于径坡较缓,当进流含沙浓度较高时,容易使高浓度浑水淤积在底部;环形管路布置形式对径向排沙有阻碍作用,压入的清水没有起到冲沙效果。针对以上试验结果,进行了如下改进:

(1)将装置底部径坡变陡,由1∶10改为1∶6,这样保证装置高度减少的同时底部淤积也减少到最小。

(2)装置内管路布置由环形管路改为辐射状管路,清水由渗流变为射流形式进入装置底部。辐射状管路如图8。

4.2 成果分析

4.2.1 进流流量、溢流流量对溢流浊度的影响

图8 辐射状管路布置

在其他条件不变的情况下,随着进流流量的增大,溢流流量也逐渐增大(图9)。在装置结构尺寸不变的情况下,仅改变进流流量,装置底孔出流流量基本保持不变[3]。因此,随着进流流量、溢流流量的增大,溢流浊度也逐渐增大(图10)。

图9 进流流量与溢流流量的关系

图10 进流流量、溢流流量与溢流浊度的关系

4.2.2 进流含沙浓度对溢流浊度的影响

在底孔出流流量保持不变的情况下,随着进流含沙浓度、进流流量的增大,溢流浊度也逐渐增大(图11)。随着进流含沙浓度、溢流流量增大,溢流浊度也随之增大(图12)。

图11 进流流量与溢流浊度的关系

4.2.3 底部径坡为1∶6对装置耗水率的影响

图12 溢流流量与溢流浊度的关系

4.2.4 辐射状管路对底部淤积的影响

在底孔孔径不变,进流流量Q0=280 cm3/s时,当进流含沙浓度 S0=5 kg/m3～10 kg/m3、S0=30 kg/m3～35 kg/m3时A—A、B—B两个垂直断面的淤积形态如图13所示。

图13 装置底部垂直断面淤积形态

在进流含沙浓度较小时,底部辐射状管路渗水孔渗水情况较好,向底孔沉降的泥沙能被射流出的清水冲起,悬浮后从底孔均匀排出,泥沙在底部的淤积较少。随着进流含沙浓度的逐渐增大,泥沙淤积形态呈现波浪状垅脊,压力渗水孔上方泥沙淤积处开始冲刷时进展迅速,出现圆锥形冲刷坑[4],冲刷坑之间基本保持各自单独的形态,相邻两根辐射状渗水管之间可留下高低起伏的垅脊,当辐射状压力渗水孔管压力足够大时,渗水孔之间的间距达到液化体开口宽度[5]时,圆锥形冲刷坑之间紧密相连,其间的垅脊高度减小;随着渗水孔之间间距的进一步减小(或射流流速的进一步增大),冲刷最大宽度处的垅脊则几近冲平,渗水孔孔距愈小则愈平坦[6],随着时间的推移冲刷速率减慢,至最后形成一个稳定的冲刷坑,断面不再扩大,泥沙不再输移。

5 结 论

装置径坡改为1∶6及底部布设辐射状管路的结构改进达到了满意的成果。与前期试验规律基本一致:在同一直径、底孔的装置中,溢流流量随着进流流量的增大而增大,溢流浊度也随着进流流量、溢流流量的增大而增大;装置底部径坡为1∶6时,在进流浓度较小时,泥沙在底部淤积较少,当进流浓度逐渐增大时,泥沙的淤积厚度减少了1～1.5倍,在渗水孔通畅的情况下,淤积底部的泥沙将被顺利排出底孔,不会造成淤积堵塞;装置耗水率随着高度的减小而减小。试验表明:通过改变装置径坡,有效的降低了装置的整体高度,减小了耗水率;装置底部的辐射状管路布置方式,使底部径坡改变引起的淤积得到了合理的解决。试验成果为装置的推广应用提供了更为有利的条件和经验。

[1]邱秀云,肖 俊,周 著,等.浑水水力分离清水装置清水流场特性试验研究[J].新疆农业大学学报,2006,29(4):56-61.

[2]刘芬.“浑水水力分离清水装置”的结构优化试验研究[D].乌鲁木齐:新疆农业大学,2007.

[3]余新艳,邱秀云,刘芬,等.浑水水力分离清水装置溢流性能的影响因素试验研究[J].新疆农业大学学报,2008,31(2):81-84.

[4]李文学,张隆荣,姜乃迁,等.射流冲刷试验研究[J].泥沙研究,2000,10(5):22-27.

[5]何建新,侯 杰,刘 亮,等.人工线源液化起动泥沙试验研究[J].新疆农业大学学报,2007,30(4):110-112.

[6]李文学,张隆荣,张原锋,等.射流冲刷试验研究[J].泥沙研究,1999,(4):5-10.