一种新型冲洗式沉沙池的设计探讨

态 。调流板孔径沿垂向可布设成几排 ,并且每排的 孔径大小应不同 ,一般流速大的位置孔径应当小 ,流 速小的位置孔径应当大 ;沿横向同一排孔的孔径也 应当不同 ,中间流速大相应孔径应当小一些 ,两侧流 速小相应孔径应当大一些 ,并且两侧要对称分布 。 此外 ,设计调流板孔洞时还要考虑过水能力的问题 , 即要满足来水流量的要求 ,不能使调流板上下游的 水位差过大 ,也就是要考虑强度问题 ,这就要求调流 板孔洞的种类和数量不宜过多[3 ] 。
2. 2 在溢流堰上沿水流方向增设溢流槽 含沙水经过沉沙池沉淀处理后 ,一般由溢流堰
流出进入下一级处理系统 ,由溢流堰流出的水虽然
含沙量明显减少 ,但还是含有一定数量的泥沙 。
图 1 所示为渠道断面典型流速 、悬移质含沙量
沿垂线的分布示意图 。假设 z 高度以下的水沙进
入冲沙廊道被冲走 ,那么可以定义如图 1 所示的溢
1. 2 曲线形沉沙池 曲线形沉沙池是利用弯道环流理论将水沙进行
分离 ,所以也叫弯道沉沙池 。由于弯道内水流流速 与其它类型沉沙池相比 ,其数值较大 ,因而最适宜用 于山区或河谷河段 。在新疆多为山溪性河流 ,河身 短小 ,流量不大 ,每当春汛夏洪 ,河流两岸泥沙 、砾石 甚至卵石随水而下 ,形成推移质泥沙 ,带进渠道 。用 曲线形沉沙池不仅结构简单 ,施工方便 ,而且造价低 廉 ,排沙效果良好[1 ] 。 1. 3 沉沙条渠形沉沙池
-
βy
H
a
d
y
z
z
=
Sa
vH
β
[
e
-
βz
H
a
-
e - β(1 - Ha) ]
。
(5)
由于实际中 a ν H ,因此式 (5) 可以近似写成
gs1
=
Sa
vH
β
[
e
-
βz H
-
e - β]
。
(6)
由式
(6)
可以看出
:
z H
越趋近于
1
,即溢流分界
线越靠近水表面 ,分界线以上的单宽输沙率就越小 ,
也就是说从溢流堰溢出水的含沙量就越小 ;同样从
图 1 流速 、悬移质含沙量沿垂线的分布示意图 Fig. 1 Schematic diagrams of distributions of velocity and
suspended sediment along vertical direction
令 β=
6ω
ku 3
,则有
S
=
S
ae
-
βy
H
a
图 2 新型冲洗式沉沙池冲沙廊道 、 辅助冲沙设施示意图
Fig. 2 Sketch of t he flush gallery and auxiliary flushing device of t he new continuously scouring type setting basin
在平板的一侧间隔设一些冲沙孔 ,这样沉降的 泥沙就会由冲沙廊道一侧的冲沙孔进入 ,冲沙孔的 最大间距可根据泥沙的水下休止角和泥沙淤积的形 状通过试验确定 ;在冲沙廊道中间设一竖向挡板 ,挡 板在底部留一开口 。由图可以看出 ,当间歇冲沙时 泥沙就会沉降在沉沙池的底部 ,并把冲沙孔覆盖 ,一 部分泥沙也会由冲沙孔进入冲沙廊道 ,但是由于挡 板的开口在下部 ,挡板一侧上方有一部分气体的压 强作用 ,沉降的泥沙就不会把冲沙廊道的整个截面 填满 ,于是整个冲沙廊道也就不会被堵塞 。
第2期
宗全利 等 一Байду номын сангаас新型冲洗式沉沙池的设计探讨
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解决这一问题 ,通过增设溢流槽可以有效地增加溢 流长度 ,进而可以充分降低溢流堰的堰上水头 ,这样 就可以只让表层含沙量很低的水溢出 ,从而大大提 高沉沙池的沉沙效率 。
由于沉沙池的首部水流紊动较大 ,若在首部也 布设溢流槽 ,就会在溢流槽内形成回流 ,使首部含沙 量较大的水进入溢流槽 ,这对取得表层清水反而不 利 ;同时再考虑到施工和强度等方面的原因 ,可只在 沉沙池末端一定距离内布设溢流槽 ,这样既有利于 取得表层清水 ,也容易满足施工和强度等方面的要 求。 2. 3 改进的冲沙廊道以及辅助冲沙设施 连续冲洗式沉沙池为了不间断供水要在沉沙池 底部设冲沙廊道 ,由一层带冲沙孔的平板把上下 2 层隔开 ,上部为明流 ,流速很低 ;下部为压力流 ,水由 上部水池通过冲沙孔口注入下部廊道 ,廊道内流速 很高 ,能够冲走进入廊道内的泥沙 。当这种沉沙池 不进行冲洗时 ,泥沙就会沉降在冲沙孔的周围 ,并由 冲沙孔流入冲沙廊道 ,这样随着泥沙的不断沉降 ,冲 沙廊道就会逐渐被泥沙填满 ,造成堵塞 ,从而整个冲 沙廊道不能正常工作 。为此对冲沙廊道进行了重新 设计 ,避免了上述情况的发生 ,重新设计后冲沙廊道 如图 2 所示 。
流分界线 。用卡林斯基分布公式表示悬移质含沙量
沿垂线的分布 ,其表达形式为[4 ]
S
=
S ae - ω( y -
a) /ε
y
,
(2)
式中: Sa 为 悬 移 质 在 距 床 面 a 处 的 含 沙 量; εy = k u 3 H/ 6 , k 为卡门常数 , 可取 0. 4 , H 为上游
渠道的水深 , u 3 为摩阻流速 。
Lk
=
ζHp
v
ω
,
(1)
式中 : L k 为沉沙池长度 ; Hp 为沉沙池内工作水深 ; v 为沉沙池内水流的平均流速 ;ω 为泥沙的沉降速 度 ;ζ为系数 。
由式 (1) 分析可知 :沉沙池内水流的平均流速越 大 ,则沉沙池的长度就越长 ;所要沉降的泥沙颗粒粒 径越小 ,即泥沙的沉降速度越小 ,沉沙池的长度就越 长 。悬移质泥沙由于泥沙颗粒粒径比较小 ,相应泥 沙颗粒的沉降速度就比较小 ,因而需要的沉降长度 就比较长 ,传统沉沙池的长度一般都比这个长度要 小 ,这也是传统沉沙池对悬移质泥沙的沉降效率比 较低的一个重要原因 。为此对传统的沉沙池进行了
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长江科学院院报
2005 年
进行计算 ,使得该粒径泥沙颗粒恰好在沉沙池的末 端沉降下来 ,从而确定其长度尺寸 。其计算公式为
从水力学角度看 ,调流板的主要作用就是消能 , 把从渠道流入的具有较大动能和紊动强度的水调节
成具有较小动能和紊动强度 ,同时使水流流速减小 , 并且要均匀分布 。因此调流板的设计原则就是使沉
沙池内的水流流速分布尽可能均匀 ,水流流速尽可 能小 。在沉沙池首部设置调流板后 ,主流将直接顶 冲在调流板上 ,然后对称地向两侧扩散 。通过试验 和水力学分析认为 ,在调流板上布设不同孔径的孔 洞作为出水口 ,来调节水量沿横向和垂向的分配 ,使 水流经过调流板后在整个沉沙池内形成均匀的流
第22卷第2期 2005年4月
长 江 科 学 院 院 报 Journal of Yangtze River Scientif ic Research Institute
文章编号 :1001Ο5485 (2005) 02Ο0013Ο04
Vol. 22 No. 2 Apr. 2 0 0 5
2 新型冲洗式沉沙池的设计
用准静水沉降法对沉沙池进行计算时 ,一般要 根据所要沉降泥沙颗粒的最小粒径 ,按照重力理论
收稿日期 :2004Ο04Ο28 基金项目 :教育部优秀青年教师资助计划项目 (1862)
作者简介 :宗全利 (1979Ο) ,男 ,山东临朐人 ,硕士研究生 ,主要从事工程水力学研究 , (电话) 0993Ο2378303 (电子信箱)quanli1871 @126. com 。
沉沙池是农田灌溉中对泥沙进行处理的必不可 少的构筑物之一 ,一般都设在渠首对推移质泥沙进 行处理 ,而对悬移质泥沙的处理效果并不是很明显 。 在实际应用中 ,有些悬移质泥沙颗粒也是十分有害 的 ,必须予以排除 ,特别是对于微灌系统 ,由于其孔 径比较小容易被堵塞 ,所以对水质的要求很高 ,若直 接用传统沉沙池处理过的水作为水源 ,那么一些未 被排除的超过微灌系统灌水器指标的泥沙颗粒就会 把灌水器堵塞 ,使其无法正常工作 。所以有必要对 传统的沉沙池进行改进 ,设计一种新型的沉沙池 ,对 有害的悬移质泥沙颗粒也能很好的排除 ,从而保证 微灌系统的正常运转 。
沉沙条渠形沉沙池在黄河中下游地区应用较 广 ,这种沉沙池是利用天然洼地沉沙 ,可以改良土 壤 ,扩大耕地 。其平面形状一般做成梭形 ,它沉沙均 匀 ,沉沙效果良好 。 1. 4 混合形沉沙池
混合形沉沙池是平流式与竖流式相结合的一种 形式 ,是对传统平流式沉沙池的重大改革 。其特点 是不仅有一供粗沙沉降的平流区 ,而且还有一产生 竖向水流并能有效地处理细沙的斜板区 。在禹门口 引黄工程中运用的混合形沉沙池 ,经模型试验 ,与平 流式沉沙池相比 ,其长度可缩短 50 % ,降低工程造 价约 45 %[2 ] 。
1 各种类型的沉沙池及使用条件
沉沙池按形式可分为直线形沉沙池 、曲线形沉 沙池 、沉沙条渠形和混合形沉沙池等 。 1. 1 直线形沉沙池
直线形沉沙池可分为单室 、双室 、多室以及带有 侧渠的沉沙池 4 种 。
单室和多室沉沙池是最简单的形式 。单室一般 适用于供水流量小于 15～20 m3/ s ;当供水流量大于 15～20 m3/ s 时 ,可采用双室和多室沉沙池 ,以便轮 流冲洗 ,连续供水 。有时 ,为了使灌区用水不被中 断 ,常在沉沙池旁修建侧渠 ,当沉沙池冲洗时 ,可由 侧渠供水 ,但这样会加大水流含沙量 ,给后续处理带 来难度 。
。
(3)
分界流线以上的单宽输沙率
∫H
gs1 = uS d y 。