金沟河渠首漏斗及涡管排沙应用成果分析

俞 健

金沟河渠首漏斗及涡管排沙应用成果分析

俞 健

（新疆石河子水文水资源勘测局 新疆石河子 832000）

螺旋漏斗及涡管排沙技术是经过多年系列模型试验及原型观测获得成功的，1990年通过新疆维吾尔自治区科委组织的国内专家鉴定，成果属国内领先水平。对粒径大于1mm的粗颗粒泥沙排除率可达100%，排沙耗水量平均低于引水量的5%。本文应用实测的水文资料，对金沟河渠首漏斗及涡管排沙排沙率和耗水率等技术指标进行分析，以此来科学合理的论证涡管和漏斗对本枢纽工程和输水工程的排沙效果，为枢纽工程的合理设计和运行管理提供技术依据。

漏斗式 涡管排沙 原型观测 成果分析

1 基本情况

金沟河是新疆天山北坡泥沙含量最大的河流之一，由于金沟河引水枢纽以上没有控制性水利工程，泥沙淤积给引水枢纽、输水渠道等水利工程操作运行带来了诸多的不便，该水系的河流来沙对水利工程的危害是新疆罕见的，金沟河管理处在渠系工程上先后建设了涡管排沙和漏斗排沙工程，这二项排沙工程的建设，给金沟河渠系工程运行带来了较为显著的效果，使得20世纪60年代初期开始运行的渠系工程，至今依然发挥着效益。涡管和漏斗排沙工程在金沟河渠首已运行了多年，但没有进行原型水文测验，排沙率、耗水率等重要技术指标没有水文原型测验的数据支撑，使得这样的运用技术成果无法对外推广，所以在金沟河渠系进行涡管排沙、漏斗排沙原型水文测验是十分必要的。在金沟河渠系上进行原型水文测验与分析，具有典型的区域代表性，对研究本河流乃至邻近河流的泥沙运动变化规律具有一定的指导和示范作用，同时也为天山北坡河流出山口引水枢纽的运行管理积累一定经验。

1.1流域概况

金沟河发源于依连哈比尔尕山北侧科尔达拉河源头的31号冰川，河流水网发育呈树状水系，源头支流有博尔阔拉、阿尔塔斯特、阿尔夏特、达奴沟、霍加合买提达拉，铁热克特萨伊等，中段支流有温泉、大小白杨沟、柳树沟等山泉、溪流，至杰勒达坂山口与大南沟尾水汇合，然后从玛依托别(红山头)山口流出，在开阔的河床内漫流至南五宫分五股散流，即头道河子、二道河子、三道河子、四道河子、五道河子，最后消失在冲积扇缘以下地区或汇入玛纳斯河干流。干流全长120km，河床比降5‰～33‰，多年平均径流量3.49×108m3(红山头站)。

1.2金沟河流域悬移质输沙量特性分析

金沟河是新疆天山北坡泥沙含量最大的河流之一，其泥沙含量仅次于邻近的巴音沟河，与奎屯河泥沙含量相当，也是目前新疆河流引水比较高的河流之一。由于金沟河渠首以上没有控制性水利工程，泥沙淤积给引水枢纽、输水渠道等水利工程操作运行带来了诸多的不便，该水系的河流来沙对水利工程的危害是新疆罕见的。

通过对金沟河八家户水文站悬移质输沙量分析计算，八家户水文站实测多年平均含沙量为2.02kg/m3，历年实测最大含沙量为28.2kg/ m3，发生于1999年8月2日。最大年输沙量是1999年的224×104t，最小年输沙量是1993年的17.7×104t，最大年与最小年比值为12.7；历年最大日输沙量为35.4×104t，发生在1999年8月2日，占全年输沙量的15.7%；八家户水文站多年平均输沙模数为500t/km2。金沟河八家户水文站悬移质输沙量多年平均年内分配见表1。

表1 金沟河八家户水文站悬移质输沙量多年平均年内分配

2 漏斗及涡管螺旋流排沙

2.1涡管螺旋流排沙原理

在干渠的适当地点埋设一上部开口的涡管，涡管的方向可以垂直于渠道水流方向，也可与水流方向成某一角度，渠中水流沿切向进入涡管而产生冲击动量，此动量对涡管中心的动量矩使涡管产生旋转运动。结合涡管内的纵向流动，形成涡管螺旋流，推移质泥沙在重力作用下进入涡管中，涡管中的水流状态犹如底栏栅廊道中或侧槽溢洪中的水流现象，不仅旋转强，且脉动强烈，可卷带大量泥沙，泥沙沿排沙渠道中排出，从而达到排沙效果。

2.2涡管截沙率

单位时间内落入涡管的泥沙数量与G1与上游渠道输沙率G之比，称为涡管的截沙率，以百分数表示，即E=(G1/G) ×100%。推移质泥沙颗粒进入涡管的条件是涡管开口宽度b必须大于泥沙粒径d，即b/d＞1。推移质泥沙常常是以跳跃状态运动的，即使泥沙颗粒小于涡管的开口宽度，泥沙被涡管截获的概率也将大为减少，当然涡管开口宽度不一定要大于跃移质的步长，只要求泥沙颗粒有较多机会落入涡管。

涡管不仅可以排除推移质中的泥沙，而且可以排除悬移质中颗粒较粗的部分，悬移质中颗粒较细的部分将被水流带往下游。

高血压是心血管疾病的一种,其主要的特征为动脉血压水平升高,已经是对人们健康造成威胁的主要疾病之一。大量研究显示,对高血压患者的血压水平进行控制,可以减少患者出现肾脏衰竭、心肌梗死、心力衰竭、脑中风等的几率[3]。

2.3漏斗排沙的工作原理

排沙漏斗的水沙分离主要是充分利用了三维立轴型螺旋流的特性。含沙水流经漏斗人流管道沿漏斗园周壁切向进入漏斗室后，受其边界的约束就必然产生一强度较高的环流，此水流又同时受到置于漏斗室内的水平悬板和调流墩等调流装置作用而引发多种形式的副流；在漏斗中心由于输沙底孔的存在而产生一自由涡，上述环流、多种副流和中心自由涡的耦合，便形成一稳定的、具有中心空气漏斗的三维立轴型螺旋流，在中心空气漏斗周围存在高速垂向流速，对于推移质泥沙．便由于这种三维螺旋水流和重力的共同作用被迅速带向漏斗中心底孔，继而被空气漏斗周围存在的高速垂向流速带入底孔经输沙廊道送走；若需要分离的泥沙为悬移质泥沙，就要调整漏斗室内的流场强度，使悬移状泥沙转化为推移质，其泥沙是要在室内随螺旋水流运动数圈后逐渐进入输沙底孔。简言之，含沙水流切向进入漏斗后，受室的边壁约束和调流装置的影响产生的强迫涡与室中心的自由涡相耦合，形成一稳定的三维螺旋流将水沙分离。

3 排沙漏斗及涡管排沙原型水文测验

2007年5月至8月，新疆水利厅金沟河流域管理处委托石河子水文水资源勘测局对金沟河引水枢纽引水渠排沙漏斗及涡管排沙进行原型水测验，并要求对排沙工程进行水文评价。金沟河渠首漏斗及涡管排沙工程示意图见图1。

图1 金沟河渠首漏斗及涡管排沙工程示意图

3.1原型观测水文测验内容

（1）测定排沙漏斗与涡管工程在不同流量下的耗水流量及耗水率。

（2）分别测定排沙漏斗和排沙涡管工程在不同时段不同来水情况下的截沙率及排出和排出后进入引水渠的泥沙级配组成。确定各有害粒径组的排除率，尤其是0.1～0.25mm和1.0mm粒径组的排除率。

3.2原型观测水文测验结果

关于排沙涡管及漏斗开启天数及耗水率分别见表2和表3

表2 沟河引水枢纽引水渠排沙涡管及漏斗开启天数统计

表3 金沟河引水枢纽引水渠排沙涡管及漏斗排沙耗水率

1#、3#、4#涡管和排沙漏斗的平均耗水率为4.53%，低于规定耗水率5%的标准。

表4 金沟河引水渠泥沙颗粒组成

表5 金沟河引水枢纽干渠、漏斗及涡管时段悬移质泥沙测验成果表

测验成果显示，2007年5～8月，引水枢纽引水渠经涡管和排沙漏斗处理，通过排沙涡管排除悬移质泥沙2.851×104t，通过排沙漏斗排除悬移质泥沙6.801×104t，涡管和漏斗排除悬移质泥沙总量为9.652×104t，其中涡管悬移质泥沙排沙率为29.5%，漏斗推移质泥沙排沙率为70.5%。

表6 金沟河引水枢纽干渠、漏斗及涡管时段推移质泥沙测验成果表

测验成果显示，2007年5～8月，引水枢纽引水渠经涡管和排沙漏斗处理，通过排沙涡管排除推移质泥沙0.285×104t，通过排沙漏斗排除推移质泥沙0.356×104t，涡管和漏斗排除推移质泥沙总量为0.641×104t，其中涡管推移质泥沙排沙率为44.5%，漏斗推移质泥沙排沙率为55.5%。

4 排沙漏斗及涡管原型排沙能力评价

（1）排沙平均耗水量占引水渠引进水量的4.51%，符合原设计技术指标中排沙耗水率为总引进水量的5%。

（2）大于1.0mm以上推移质泥沙其截沙率100%。

（3）排沙漏斗及涡管时段平均截沙率为36.1%。其中悬移质泥沙漏斗排出率为70.5%，涡管排出20.5%；推移质泥沙漏斗排出55.5%，涡管排出44.5%。

（4）排沙漏斗对粒径为0.1～0.25mm悬移质泥沙的排除率为55.9%，对粒径为0.25～0.5mm悬移质泥沙的排除率为70.5%，对粒径为0.5～1.0mm悬移质泥沙的排除率为75.8%，对粒径大于1.0mm悬移质泥沙的排除率为100%。

5 推广与应用前景

新疆北部山溪性河流大多为多沙河流，河流所在地已成为新疆北坡经济带，是新疆经济发展最快的区域，随着经济的快速发展，水资源短缺的矛盾将更加突出，天山北坡经济带有中型以上河流几十条，东起昌吉，西至博州。这些河流的引水枢纽工程大都建在出山口处，地质构造、产沙区、水资源在时空分布上基本相同，普遍存在泥沙淤积问题，有些还比较突出。基于金沟河涡管和排沙漏斗排沙系统应用的成果，只要河流具备一定的地形条件，即可采用该系统有效排沙，发挥引水工程的最大效益，提高引用水量、水资源的利用效率，解决水资源短缺的矛盾，给灌区和管理单位带来巨大的经济效益和社会效益，因此该技术在多沙河流处理泥沙方面应用前景十分广阔。

1 周著，侯杰，邱秀云等.漏斗式全沙排沙技术研究与应用.中国三峡建设，2004(5)：55-56.

2 张开泉，刘焕芳.渠道上的涡管排沙工程.四川水利，1998，(2)：19-22.

3 刘双喜，段新虹.金沟河引水渠三级排沙系统泥沙处理效果分析.人民长江，2009年第40卷第3期：27-28，35.

4 曹民雄，龙杰.涡管螺悬流排沙技术及应用.水利水运科学研究，1997年第4期：386-394.

TV149

B

1672-2469(2014)06-0079-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.06.026

俞健（1969年—），男，工程师。