水土保持项目沉沙池结构设计分析研究

焦 波

(广州宇正工程管理有限公司，广东 广州 510405)

1 工程概况

根据对场地调查得知，蕉门河主要面向地区农业灌溉、防洪排涝，最大引水能力超过100万m3/d，地表水径流活动较频繁，水土流失量达1000 t/km2·a，由于建设活动导致的自然土体侵蚀面较广，约为2.8万m2，局部水土流失主要受场地基坑降水影响，引起两侧开挖土体迁移运动。根据对该工程水土状态监测表明，场地需水土保持防护面积超过1.076 hm2，土壤流失比已超过1.5，特别是主体工程区水土流失面积随施工进度增长较快，且开挖土体受侵蚀影响超过0.5 t，场地植被覆盖率降低也超过35%，此对该工程场地水土保持稳定性带来较大挑战。为此，工程管理部门考虑水土流失重点对象，从基坑水土流失问题入手，设置2～3座沉沙池，降低泥沙等悬浮质对开挖土体的侵蚀及迁移搬运作用，沉沙池结构设计如图1所示。根据对该沉沙池结构分析，池内设置有斜板挡沙、控沙装置，倾斜角度为95°，各斜板之间采用阻尼式连接带相连，确保斜板整体处于工作，弱化单个斜板的独立性，有效减少泥沙沉降后受扰动引起的悬浮，该翼片斜板式沉沙池几何设计如图2所示。同时，组合式斜板上设置有翼片结构，其长度为40 cm，布设间距为6 cm，可覆盖斜板高度约为5 cm。由于拟建工程场地沉沙池设计结构基本一致，池内斜板翼片布设高度、长度及层间距均已确定，但翼片与水流向夹角还处于设计探讨阶段，夹角决定了斜板迎水面的动水压强及静水压力，特别是影响着水流沉沙效率，故针对性解决斜板翼片倾角问题，对提升场地沉沙池工作效率具有重要价值。

图1 沉沙池结构设计

图2 斜板式沉沙池几何设计

2 设计模拟

为探讨斜板式沉沙池结构翼片设计参数最优化问题，建模前对泥沙颗粒运动轨迹进行概化，如图3所示。概化图中与实际工况中泥沙悬浮由水流迁移作用而滞留在靠近斜板后方，且能较好模拟出斜板翼片与水流流态关系。

图3 泥沙沉降概化图

在满足泥沙悬浮概化的前提下，采用UG建模平台对沉沙池结构进行结构化几何分析[1]，图4分别为沉沙池几何模型及斜板几何设计，该三维图中包括有流体运动维态、斜板式翼片分布状态等。采用CFD流场计算平台完成单元网格划分[2]，该计算模型中共有网格98 628个，各单元节点数达87 924个，且斜板翼片区域分布网格单元密度最大，最大网格体积不超过8.2×10-8m3。本文针对翼片倾角参数设定其低于90°，故对比方案设定30°、40°、50°、60°、70°、80°，其他参数均以实际工程运营设计取值。为分析方便，本文设定模型中X～Z三维坐标正方向分别为水流向出水段向、沉沙池内斜板倾斜向及水体自重应力向。在CFD流场模拟平台中完成数值计算后，采用FLOW 3D软件进行后处理，对沉沙池运营参数及流场参数展开分析。

图4 沉沙池几何模型及斜板几何设计

3 沉沙池渗流场特征参数影响特性

3.1 流速特征

根据对沉沙池内渗流场特征参数开展计算分析，获得池内不同断面上流速变化特征，给出了流速等值线分布，如图5所示。

图5 不同方案池内流速特征(等值线图中从下至上分别为倾角30°、40°、60°、70°、80°)

从图5(a)可看出，流速等值线分布与水流方向均保持一致，从池底至池顶流速递增，此现象在各翼片倾角方案中均保持一致，无显著差异，表明池底至池顶高程上的流速分布受翼片倾角参数影响较弱。同时，具体从流速等值线分布可看出，在高倾角方案中下游聚集有局部的涡旋流，且流速等值线在该区域与水流方向发生“对碰”，极易引发水流势能的集中爆发，导致非稳定渗流活动[3-4]，因而从沉沙池斜板翼片设计角度考虑，应尽量避免高倾角。

分析池内断面流速变化特征可知，整体上翼片倾角愈大，则流速水平愈高，在翼片倾角30°方案中，断面12.5 m处流速为0.0198 m/s，而翼片倾角增大至50°、70°、80°后，该断面处流速较之分别增大了2.28倍、3.15倍、5.99倍；在倾角30°方案中池内全断面平均流速为0.028 m/s，倾角每增大10°，则池内断面平均流速可增长35.7%。分析认为，沉沙池斜板翼片倾角愈大，则迎水面积愈大，其可最大限度降低泥沙悬浮，促进流速增长。另一方面，虽斜板翼片倾角愈大，有利于流速水平，但不可忽视在高倾角方案中，池内各断面流速具有较大波幅变化；在倾角70°、80°方案中，池内各断面最大波幅分别超过31.4%、21.5%，分别位于17.5～20.0 m、12.5～15.0 m断面处。由此可知，增大翼片倾角一方面可促进触水面积，但对水体控流效果较差，而翼片倾角过低时，不仅流速水平较低，同时其断面上会在一定局部断面出现波幅，如在倾角30°、40°方案内均在断面17.5～20.0 m处具有较大波幅，分别达1.6倍、47.7%。因而，从有利于流速特征角度考虑，笔者认为斜板翼片倾角不应过大或过低，控制在适中区间即可。

3.2 水沙特征

水沙特征乃是直接反映沉沙池内工作运营期内流场状态，本文模拟计算出运营100 d、500 d各翼片倾角方案中池内断面含沙量变化特征，如图6所示。

图6 沉沙池断面含沙量变化特征

从图6可看出，含沙量水平与翼片倾角具有负相关关系，当翼片倾角愈大，则含沙量水平愈低，在运营期100 d，倾角30°方案内断面10.0 m处含沙量为2.00 kg/m3，而倾角每增大10°后，断面处含沙量较之平均减少了17.8%；从池内各断面平均含沙量亦可看出，在倾角30°方案下平均含沙量为2.15 kg/m3，而随倾角每增长10°，平均含沙量可降低15.6%。分析含沙量增幅也可看出，在翼片倾角增大至较高水平时，特别是倾角接近直角后，斜板翼片构件对池内含沙量限制作用减弱，如在运营期100 d翼片倾角为30°～60°时，各方案间平均含沙量最大增幅可达23.2%，平均增幅为19.8%，而倾角超过60°后，其平均含沙量的最大增幅仅为10.5%，平均增幅仅为6.4%。分析认为，翼片倾角达到一定水平后，特别是斜板与水流方向接近垂直，此时控沙、排沙效应达到饱和状态，特别是倾角过大，池内各断面上含沙量的增幅均匀性欠佳，在运营期100 d内，池内断面12.5 m前后其含沙量的增幅具有变化节点。

当运营期增长至500 d后，翼片倾角参数对含沙量影响基本与前一运营期一致，但运营时间增大，整体含沙量水平提高，在翼片倾角50°方案中两个运营期内断面含沙量增幅分布为58.0%～82.8%。在运营期500 d内，高倾角方案内断面含沙量的增幅也具有变化节点，在倾角80°方案节点为断面10.0～12.5 m，较运营期100 d有所提前。综合分析认为，考虑渗流场稳定性不应设定过大的翼片倾角，从适配性来看，翼片倾角60°较优。

4 沉沙池运营期表面负荷参数

表面负荷参数反映了沉沙池运营期对上游来水的处理能力，图7为沉沙池各断面上表面负荷在各翼片倾角方案内变化特征。

图7 不同方案沉沙池表面负荷特征

观察图中表面负荷可知，在翼片倾角30°断面上平均表面负荷为6.24 m3/(h·m2)，而倾角每增大10°，其平均负荷可增长26.9%，表面翼片触水面积增大后，沉沙池处理水流能力大大提升。但其表面负荷稳定性过于波动，在翼片倾角70°、80°方案表面负荷的最大波幅分别可达22.2%、19.5%，即水流在不同断面上表面负荷的稳定性受到较大挑战，此会集中部分水力势能在局部某一断面上，导致排沙过程中遇阻。当翼片倾角过低时，如在倾角30°、40°方案，其表面负荷受斜板隔流影响，整体表面负荷水平亦较低，同时会存在局部的稳定期与波幅震荡期[5-6]。从最利于渗流场的翼片倾角60°方案考虑，该方案断面表面负荷基本较为稳定，池内平均负荷为15.16 m3/(h·m2)，最大波幅不超过2%，不论是处理能力亦或是断面负荷稳定性，均处于技术优势综合最高，故选择该方案较为合理。

5 结 论

(1)流速等值线分布特征受翼片倾角参数影响较小，高倾角方案池内聚集有涡旋流等逆流线分布；翼片倾角愈大，流速水平愈高，但断面流速稳定性变差，倾角每增大10°，则断面平均流速可增长35.7%，倾角70°、80°方案断面最大波幅分别超过31.4%、21.5%。

(2)含沙量与翼片倾角具有负相关关系，但增幅减小，随倾角每增长10°，运营100 d平均含沙量可降低15.6%，而在倾角超过60°时，平均增幅仅为6.4%；运营期100 d与500 d高倾角方案内含沙量在断面上增幅均有变幅节点。

(3)倾角每增大10°，平均负荷可增长26.9%，但在翼片倾角70°、80°方案表面负荷的最大波幅分别可达22.2%、19.5%；倾角过低时，表面负荷水平降低，且也存在局部震荡。

(4)综合沉沙池渗流场特征与运营期负荷特征，认为斜板翼片倾角60°方案综合技术优势最大。