二级分离排沙渠道排沙效果影响因素试验研究

王圆圆

(河北省子牙河河务中心，河北 衡水 053000)

1 二级分离排沙渠道结构设计

根据传统渠道排沙结构设计方面存在的问题和不足，此次研究提出了主要由进水渠、弯道、输沙廊道、旋流池和出水渠等部分构成的一种二级分离排沙渠道[1]。其中，弯道上游的引水渠和灌区引水渠相接，是一个横断面为矩形的半圆明渠，为了增强弯道内水流的横向环流，提高输沙能力，在外侧部位设置竖直的弧形导流板，其上游端紧贴外侧墙，下游与外侧墙的距离约为弯道宽度的四分之一，其中心角约为120°。在弯道上部设置水平穿孔板降低上层流速，促进上层水体内的泥沙沉降，在弯道的内侧下方开设中心角为155°的窄缝，以便将沉积的泥沙排出弯道，在其下方沿着弯道内墙设置弧形输沙走廊[2]。

为了将窄缝中流出的水沙进行二次分离，在输沙廊道下游设置一个旋流池，其主要目的是利用现有的排沙漏斗技术进行排沙，但是，旋流池和普通的排沙漏斗在结构设计上存在一些差异，主要是底部采用水平结构，上部采用圆环板和月牙板相结合的悬板方式[2]。旋流池的主要工作原理是含沙水流在进入旋流池后，由于水流旋转作用，可以在中心部位形成漩涡漏斗，最终实现水沙分离[3]。下部的泥沙从排沙孔排出系统，上部的低含沙水流则从溢流口流出并被引回渠道[4]。由于旋流池进行了二次水沙分离，可以大幅降低排沙渠道的耗水率。

2 模型试验设计

2.1 模型的设计和制作

水流运动过程十分复杂，难以对其进行准确的模拟和计算，因此水工模型试验一直是解决水工领域实际问题的重要手段。当然，由于各种力的性质和特征不同，在模型试验中很难做到所有的力都相似，因此在试验中需要使主要相似准数相等兼顾或忽略次要相似准数[5]。按照上述思路，在模型试验过程中按照重力相似准则进行正态模型设计。其模型的主要比尺设计如下：模型的几何比尺为10，流量比尺为316.228，流速比尺为3.162，时间比尺为3.162，糙率比尺为1.468，输沙比尺为316.228，悬沙粒径比尺为1.16。

整个模型采用有机玻璃板制作，其进水渠、出水渠和弯道部位的宽度相同[6]，均为30 cm。其中，弯道的外侧墙和内侧墙的直径分别为1.6 m和1.0 m，导流板的高度为7.0 cm，窄缝的高度为3 mm，旋流池的直径为0.6 m，排沙孔的直径为4 cm。试验装置包含一套流量自循环系统，主要由蓄水池、潜水泵、水箱和试验水槽等部分构成。在工作过程中，水泵将下游蓄水池中的水输送至水箱，经水箱稳压之后向试验系统稳定供水，试验水槽出口泄流，水流进入下游蓄水池，实现水流循环。

2.2 试验设备和仪器

为了保证模型试验的相似性，选择粒径变化范围为0.063～0.150 mm的粉煤灰作为试验用砂，其对应的原型砂的粒径为0.091～0.220 mm。按照上述要求，试验中选择衡水泰和生粉煤灰制品有限公司的粉煤灰经过振筛机筛分获得。

试验中采用直角三角堰进行流量的测量，堰上水头采用水位测针在堰口上游进行测量获得；试验过程中的泥沙粒径级配分析利用RISE-2006型号激光粒度分析仪；流速的测量采用PIV流速仪。

2.3 试验方案

模型试验的主要内容是输沙率试验。结合相关研究成果，模型的排水效果主要受流量、水位以及悬板高度等因素的影响[7]。因此，研究中选择4.0 L/s、5.0 L/s、6.0 L/s三种不同的流量，10.0 cm、9.0 cm和8.0 cm三种不同的水位高度，8.5 cm、8.0 cm和7.5 cm三种不同的悬板高度进行试验。在试验过程中，固定两个因素保持不变，通过试验探讨不同因素对模型输沙效果的影响。

3 试验结果与分析

3.1 流量的影响

试验中保持9.0 cm的水位高度和8.0 cm的悬板高度不变，对三种不同流量方案下的排沙效果进行试验，根据试验数据绘制出如图1和图2所示的耗水率和排沙率变化曲线。由图可以看出，在水位和悬板高度不变的情况下，耗水率随着流量的增大而减小，排沙率随着流量的增大而增大。从具体的数值来看，耗水率受流量的影响更大，当流量从4.0 L/s增加到6.0 L/s的情况时，其耗水率由29.2%减小到21.2%，降幅达到了27.4%。由此可见，增加渠道的流量可以有效降低耗水率，减少水资源的浪费，可以实现在损耗较少水资源的情况时，获取更好的清淤效果。排沙率随流量的增加变化并不明显，当流量从4.0 L/s增加到6.0 L/s的情况时，其排沙率由67.2%增加到69.0%，增加约2.7%。由此可见，虽然增大流量对排沙率影响不明显，但是仍有助于增强排沙效果。总之，增加流量有助于提高二级分离排沙渠道的排沙效果。

图1 耗水率随流量变化曲线

图2 排沙率随流量变化曲线

3.2 水位高度的影响

试验中保持5.0 L/s的流量和8.0 cm的悬板高度不变，对三种不同水位高度方案下的排沙效果进行试验，根据试验数据绘制出如图3和图4所示的耗水率和排沙率变化曲线。由图可知，在流量和悬板高度不变的情况下，耗水率随着水位高度的增加而减小，排沙率随着水位高度的增加而增大。从具体的数值来看，当水位从8.0 cm增加到10.0 cm的情况时，其耗水率由25.8%减小到25.1%，降幅为2.7%。由此可见，增加水位高度可以降低耗水率，减少水资源的浪费，但是减少的幅度较为有限。排沙率随水位的增加变化也不明显，当水位从8.0 cm增加到10.0 cm的情况时，其排沙率由68.2%增加到68.9%，增加约1.0%。由此可见，增加水位高度可以提高排沙率，但是影响幅度极为有限。总之，增加水位高度有助于提高二级分离排沙渠道的排沙效果，但是作用极为有限，也就是水位并不是排沙效果的主要影响因素。

图3 耗水率随水位变化曲线

图4 排沙率随水位变化曲线

3.3 悬板高度的影响

试验中保持5.0 L/s的流量和9.0 cm的水位高度不变，对三种不同悬板高度方案下的排沙效果进行试验，根据试验数据绘制出如图5和图6所示的耗水率和排沙率变化曲线。由图可知，在流量和水位高度不变的情况下，耗水率随着悬板高度的增加而增大，排沙率也随着悬板高度的增加而增大。从具体的变化趋势来看，耗水率随着悬板高度的增加基本呈线性增大的趋势，而排沙率则随着悬板高度的增加呈现迅速增加后趋于平稳的变化特征。从具体的试验数据来看，当悬板高度从8.0 cm增加到8.5 cm时，耗水率由25.4%增加到28.1%，增加了约10.6%；排沙率由68.5%增加到69.2%，仅增加约1.0%。由此可见，过分增加或减小悬板高度都不利于二级分离排沙渠道排沙效果的提升。对本次试验来说，最佳悬板高度应该为8.0 cm。

图5 耗水率随悬板高度变化曲线

图6 排沙率随悬板高度变化曲线

4 结 论

(1)增加流量有助于提高二级分离排沙渠道排沙效果，在工程应用中可以在条件允许的情况下采用大流量工况。

(2)水位并不是排沙效果的主要影响因素，增加水位高度虽然有助于提高二级分离排沙渠道排沙效果，但是作用极为有限。在工程应用中可以根据实际需求确定水位高度。

(3)过分增加或减小悬板高度都不利于二级分离排沙渠道排沙效果的提升，对本次试验而言，最佳悬板高度应该为8.0 cm。