奎屯市东郊水库入库沉砂池优化设计模型试验研究

李爽洁

(深圳市水务规划设计院股份有限公司新疆分公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

沉砂池是沉淀挟沙水流中颗粒大于设计沉降粒径的泥沙，降低水流中含沙量的建筑物，因此沉砂池设计[1]的合理性是其能否有效沉沙的关键，近年来，许多学者对此进行了研究，李涛[2]对沉砂池在工程中的适用性及相关问题进行讨论并提出建议；戚印鑫等[3- 4]由物理模型试验得到重力沉砂池水深、流速等结构参数，优化并提高了水沙分离效率；苏龙[5]对新疆玛纳斯河东岸沉砂池运行规律、工程建后管护等分析后得出最终水利要素和运行规律；胡胜等[6]、周士雄[7]运用FLUENT软件对沉砂池流场进行模拟和分析；孟俊达等[8]运用CCHE软件对重力沉砂池结构布置参数进行比选研究。本文根据沉砂池原设计尺寸，通过水工模型试验，优化入库沉砂池进口段斜坡段消能方式，使其在实际工程中能更为合理的运用，为类似入库沉砂池优化设计的工程提供一些参考。

1 工程概况

奎屯市东郊水库位于新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州奎屯市中心以东约7km的市郊，为平原注入式水库，承担调蓄奎屯河干流新增分配地表水资源量，并向奎屯—独山子经济技术开发区企业供水的任务，工程规模属Ⅳ等小(1)型，沉砂池为4级建筑物。

新建入库沉砂池位于新南干渠渠首下游150m处，设计流量3.42m3/s，主要任务是为流入下游东郊水库的水流进行沉砂处理，采用直线型机械沉砂池。沉砂池两箱室交替运行，单箱室宽度为15m，沉砂池总长128m，进口闸室段长8m，扩散段长20m，纵坡采用1∶6.897，每个箱室扩散段布置一道导流墩；池身段总长80m，考虑日后机械清淤，底坡i=0，池身采用梯形断面，池深3.5m，设计淤砂高度1m，末端采用溢流堰连接渐变段至下游渠道，末端渐变段及溢流堰总长20m，原设计平面布置如图1所示。

图1 原设计平面布置图

2 模型试验设计

2.1 模型设计

根据水工设计参数，确定本次模型试验几何比尺为1∶5，为使流入和流出沉砂池的水流流态尽可能与原型相似，以沉砂池0+000桩号为准，向上游模拟长度30m(其中：新南干渠弯道段长度10m、渐变段长度20m)；沉砂池段模拟长度128m，下游渠道7.5m；放空管模型布置鉴于试验场地限制，布置方向与原设计不同，但管径和纵坡不变。模型试验总长165.5m；池宽42.3m。

沉砂池糙率比尺为n模=0.013，采用抹光混凝土进行模拟；放空管采用塑料管模拟；泥沙采用天然砂模拟。模型布置如图2所示。

图2 模型整体布置

2.2 测试断面

沉砂池实际运用时采用两箱室交替运行，由于两箱室结构对称，水流流态一致，本次采用左侧箱室进行模型试验，共划分17个断面进行测试。测试断面布置见表1和图3。

图3 测试断面布置图

表1 测试断面及测试内容

3 原设计试验结果及分析

通过模型试验验证原设计中沉砂池的斜坡扩散段、导流墩等设计的合理性，试验成果见图4—6。

图4 水流流态

根据GB 50288—2018《灌溉与排水工程设计标准》附录D中表D.0.1-2止动幺速可知：10mm粒径的止动幺速为1.48m/s，0.2mm粒径的止动幺速为0.36m/s，0.1mm粒径的止动幺速0.28m/s。

图5 溢流堰过流流态

对沉砂池进行运行工况下(左侧闸门全开，右侧闸门全关)的放水试验，通过试验观察和分析得出以下结论：由于扩散角度较大，造成扩散段横向水流分布极不均匀，主流集中于右岸；虽设导流墩，但导流效果很差，左右岸流速相差较大，左岸流速很小，右岸流速很大，导流墩分隔成的2个通道均有不同程度回流，入池水流翻滚、旋流，水流扰动很大，严重影响泥沙沉降；沉砂池为单箱运行，理论上分析有32%以下的泥沙得不到沉淀，沉砂效果较差；溢流堰流速较均匀，水深相差不大，体型设计基本合理。

通过模型试验可知：需对扩散段优化设计，使水流均匀分布，尽量降低水流扰动，并依靠水流将斜坡段泥沙尽可能带入池内。

4 优化设计试验结果及分析

针对斜坡扩散段流速不均匀及导流墩导流效果很差的情况，考虑在扩散段底部斜向增加消力坎，将部分右侧水流挑到左侧，使水流尽量平顺、流速均匀，并形成稳定水跃，现提出4种优化设计。

4.1 优化设计1

保留原设计导流墩，在斜坡段增加2道消力坎；根据试验中斜坡段水深，初步确定坎高0.25m，坎宽0.15m，沿斜坡段通长布置；1#消力坎右侧距闸后0.585m；2#消力坎右侧距闸后1.6m。优化设计1如图7所示，试验成果及分析如下。

图6 原设计中测点平均流速布置

图7 优化设计1

4.1.1试验成果

优化设计1增加2道消力坎后，斜坡段的扩散水流有较大改善，流速横向分布比原设计均匀。闸前1—4断面流速与原设计一致；跃前断面位于5—6断面之间，左右岸流速相差1.5m/s；6—6断面底流速横向分布均匀；7—7断面导流墩两侧水流散乱，水浪翻滚；8—8断面最大流速Vmax=0.59m/s，流速沿程减小；进入沉砂池后的水流相对均匀，主流位于右侧。

4.1.2存在问题及建议

优化设计1水流比原设计平顺，受导流墩的顶托影响，主流被分为两股。通过试验观察，虽然流速较原设计有所改善，但斜坡段受导流墩阻水影响，水跃不稳定，且导流墩两侧水流散乱、水浪翻滚，对斜坡段冲砂及沉沙有很大影响。8—8断面Vmax=0.59m/s，9—9断面Vmax=0.31m/s，流速大于0.1mm粒径的止动幺速0.28m/s，为此建议将原设计导流墩拆除。

4.2 优化设计2

在优化设计1的基础上拆除扩散段导流墩，1#、2#消力坎的位置、尺寸和布置不变。优化设计2如图8所示，试验成果及分析如下。

图8 优化设计2

4.2.1试验成果

1～5断面流速同优化设计1，拆除导流墩、增加2道消力坎后，在坎左侧仍有小范围雍水现象；扩散段流速横向分布不均匀，跃前位于5—6断面之间，不受导流墩顶托，跃头位置比优化设计1后移0.3m，左右岸流速增大且流速相差2.37m/s；斜坡扩散段主流位于右侧，6—6断面流速分布较均匀；由于扩散角度较大，7—7断面主流偏向右侧，流速分布不均匀，右侧流速比左侧大；8—8断面Vmax=0.82m/s，9—9断面Vmax=0.61m/s，10—10断面Vmax=0.49m/s；进入沉砂池内的水流相对均匀，主流位于右侧。

4.2.2存在问题及建议

根据试验观察，拆除导流墩后，扩散段水流明显改善，并能形成连续水跃，无明显水流翻滚现象，但6—6断面最左侧有1/4范围流速较小，表明消力坎挑向左岸的挑流能力不够。导流墩拆除后，虽然水流流态平稳，水流不再翻滚，但也削弱了消能作用，8—10号断面流速均比优化设计1有所增大，流速远大于0.1mm粒径的止动幺速0.28m/s，建议继续增加斜向消力坎，将水流挑向左岸的同时加大消能力度。

优化设计1和优化设计2的测点平均流速分布如图9—10所示。

图9 优化设计1测点平均流速分布

4.3 优化设计3

为加强右岸消能力度，将更多水流挑向左岸，在优化设计2基础上，在距闸后2.8m处的右岸增加3#消力坎，坎高0.125m，坎宽0.15m，长2.43m；1#消力坎左侧坎高0.20m，右侧坎高、位置和长度不变；2#消力坎右侧坎高0.275m，左侧坎高、位置和长度不变。优化设计3如图11所示，试验成果及分析如下。

4.3.1试验成果

1—5断面流速同优化设计2，在2道消力坎左侧仍有小范围的雍水现象；斜坡扩散段流速横向分布较均匀，跃前位于5—6断面之间，跃头位置比优化设计2后移0.27m，右岸流速减小，左岸流速增大，左右岸流速相差0.1m/s；斜坡扩散段主流位于左右两侧，中间流速偏小；7—7断面两侧平均流速0.6m/s左右，中间平均流速仅0.20m/s左右，泥沙淤积在扩散段中部；进入池内的流速分布与7—7断面相似，两侧大中间小，沿程流速有所减小，8—8断面Vmax=0.48m/s，9—9断面Vmax=0.46m/s，10—10断面Vmax=0.34m/s，优化设计3的测点平均流速分布如图12所示。

图10 优化设计2测点平均流速分布

图11 优化设计方案3

图12 优化设计3测点平均流速分布

4.3.2存在问题及建议

通过试验可知，1#消力坎左侧坎高降低0.05m，2#消力坎右侧坎高增加0.025m，右侧增加3#消力坎后，池内水流挑向左侧的功能增强，并起到一定消能效果；3#消力坎离水跃很近，对水跃有一定干扰，造成水流在横向分布不均匀，流态不太稳定，斜坡扩散段中间有泥沙淤积现象，池内流速仍大于0.1mm粒径的止动幺速0.28m/s。为此建议调整消力坎高度及长度，使流速横向分布均匀。

4.4 优化设计4

经过反复修改和试验，最终确定在距闸后0.585m处斜向布置1#消力坎，坎高0.25m，坎宽0.15m，长2.85m；在距闸后1.60m处斜向布置2#消力坎，坎高0.25m，坎宽0.15m，长1.50m。优化设计4如图13所示，试验成果及分析如下。

图13 优化设计4

上游断面1—4流速与原设计一致，扩散段增加2道消力坎后，5—5断面流速比原设计有所减小，左岸最大流速2.88m/s，右岸最大流速2.45m/s；取消了左侧消力坎后，消力坎前左侧壅水现象消失；扩散段水流均匀，跃前位于5—6断面之间，跃头距闸后4.25m；6—6断面流速横向分布均匀，左岸流速1.45m/s，中间流速1.16m/s，右岸流速1.95m/s，中间流速略小；7—7断面左右两侧流速大于中间流速，左侧最大流速0.37m/s，中间最大流速0.22m/s，右侧最大流速0.39m/s；进入沉砂池后的流速分布与7—7断面相似，沿程流速减小，8—8断面Vmax=0.34m/s，11—11断面Vmax=0.25m/s，优化设计4的水流流态及测点平均流速分布如图14—15所示。

通过以上分析可以看出，水流流态优于前3个优化设计。消力坎前水流平稳，左侧壅水现象消失；斜坡扩散段水面横向比降较小，流速比较均匀，并形成稳定的水跃，如图14所示。通过布置2道消力坎，既可将水流挑向左侧，弥补扩散角过大的缺陷，使水流横向分布均匀，又能达到消能效果；入池水流最大流速降低到0.34m/s，沉砂池内最大流速减小到0.26m/s以内，因此从理论上分析0.08mm以上的泥沙都会得到沉淀。

图14 优化设计4水流流态

图15 优化设计4测点平均流速分布

5 结论和建议

(1)沉砂池原设计中存在的主要问题是斜坡扩散段。由于扩散角度较大，造成水流横向分布极不均匀，主流集中于右岸，池内2道导流墩的导流效果很差，使进入池内的水流翻滚、旋流，严重影响泥沙沉降。

(2)针对原设计扩散段消能型式进行优化设计及试验分析，最终确定优化设计4为沉砂池扩散段的消能型式，该优化设计水流分布较均匀，消能效果较好，可使入池最大流速降低到0.34m/s，池内最大流速减小到0.26m/s以内，从理论上分析，沉砂池内0.08mm以上的泥沙都能得到沉淀。本次模型试验成果可为类似工程体型优化方案和相关设计提供参考。