趙東寧，侍克斌，韓克武，石 祥

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

圓中環(huán)沉沙排沙池(以下簡稱“圓中環(huán)”)作為一種新型的二級泥沙處理設(shè)施，具有截沙率高、排沙耗水率低、處理泥沙粒徑范圍大的特點[1]，目前已在新疆多地得到應(yīng)用。已建的圓中環(huán)自運(yùn)行以來，沉沙排沙效果良好，而且在運(yùn)行過程中管理也比較方便，還取得了比較好的經(jīng)濟(jì)效益，受到當(dāng)?shù)氐暮迷u。

目前，在圓中環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，只能采取手動計算的方式，而且在計算過程當(dāng)中需要進(jìn)行多次試算，運(yùn)用到的計算公式多而復(fù)雜，稍有不慎就會造成計算上的失誤，降低計算結(jié)果準(zhǔn)確性，影響結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)度。為了提高工作效率和計算精度，本文以Fortran作為開發(fā)平臺，將圓中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程當(dāng)中運(yùn)用到的計算過程融入到編寫的程序當(dāng)中，旨在為今后的圓中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供便利，同時也有助于圓中環(huán)的推廣。

1 “圓中環(huán)”簡介

1.1 基本結(jié)構(gòu)

以呼圖壁河阿葦灘渠首圓中環(huán)為例，圓中環(huán)主要是由進(jìn)水前池、進(jìn)水廊道、中心出水環(huán)、環(huán)流閘、沖沙槽、沖沙廊道、沖沙閘、溢流堰、匯流槽和出水渠組成。其中，進(jìn)水廊道首部連接進(jìn)水前池，尾部連接環(huán)流閘，中心出水環(huán)堰位于其中間位置；倒錐底坡將中心出水環(huán)堰與沖沙槽相連接，環(huán)流閘和沖沙廊道分別位于沖沙槽首部和尾部[2]，見圖1。

1-進(jìn)水前池；2-進(jìn)水廊道；3-中心出水環(huán)堰；4-倒錐底坡；5-溢流堰；6-匯流槽；7-環(huán)流閘；8-沖沙槽；9-沖沙廊道；10-沖沙閘；11-出水渠

1.2 工作原理

圓中環(huán)沉沙排沙池的運(yùn)行過程主要是利用重力沉沙的原理，采取連續(xù)引水、間歇沖沙的作業(yè)方式，它的運(yùn)行周期主要分為沉沙和排沙兩個階段。在沉沙階段中，關(guān)閉環(huán)流閘及沖沙閘，攜帶泥沙的水流經(jīng)進(jìn)水前池進(jìn)入有壓的進(jìn)水廊道，在壓力的作用下攜沙水流從中心出水環(huán)呈輻射狀涌出進(jìn)入圓中環(huán)；之后隨著半徑的增加，過水?dāng)嗝娴拿娣e不斷加大，相應(yīng)的挾沙水流流速變小，水流攜沙力也隨之降低，因此水流中攜帶的推移質(zhì)泥沙和部分懸移質(zhì)泥沙開始在倒錐底坡面上堆積，相對清水則經(jīng)過溢流堰流出并通過匯流槽流入出水渠中，見圖2。在排沙階段中，首先打開沖沙閘，這時圓中環(huán)中的水位迅速下降，倒錐底坡上的大量淤積泥沙會隨水流進(jìn)入環(huán)形沖沙槽，同時沖沙槽中的部分泥沙通過沖沙廊道進(jìn)入下游的河道中，見圖3(a)。當(dāng)?shù)瑰F底坡上的泥沙基本排凈時再打開環(huán)流閘，此時環(huán)形水流將沖沙槽中的淤積泥沙完全通過沖沙廊道排出圓中環(huán)外的下游河道中，見圖3(b)。至此圓中環(huán)一個沉沙排沙周期的運(yùn)行結(jié)束，關(guān)閉沖沙閘和環(huán)流閘進(jìn)入下一周期的運(yùn)行[3]。

圖2 圓中環(huán)沉沙排沙池沉沙階段

圖3 圓中環(huán)沉沙排沙池排沙階段

1.3 手動計算的復(fù)雜性

在圓中環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程當(dāng)中，若采取手動計算的方式，則在計算過程當(dāng)中應(yīng)用到的計算公式較多，稍有不慎就會造成計算上的失誤，最終影響到圓中環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計?？偟膩碚f，圓中環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的復(fù)雜性主要體現(xiàn)在最大粒徑泥沙啟動流速、最小粒徑泥沙不淤流速和內(nèi)環(huán)直徑大小的計算過程當(dāng)中。

1.3.1 最大粒徑泥沙啟動流速

為了確保最大粒徑泥沙隨水流經(jīng)中心出水環(huán)堰涌出后能夠在沉沙池內(nèi)運(yùn)動，同時也是為了確定倒錐底坡的最小坡度，以使在倒錐底坡上淤積的泥沙快速被溢出的水流沖到?jīng)_沙槽中，需要將中心出水環(huán)堰處的實際流速與最大粒徑泥沙的啟動流速進(jìn)行比較。

在計算中心出水環(huán)堰處實際流速的時候，有一個對中心出水環(huán)堰上的堰上水深h1進(jìn)行試算的過程。每當(dāng)確定一個h1值時，都要計算中心出水環(huán)堰溢出水流的實際流速V與最大粒徑泥沙啟動流速Uc[4]，并將兩個計算結(jié)果進(jìn)行比較，只有當(dāng)這兩個流速值相近時才能停止試算。在這一過程當(dāng)中，主要用到的計算公式如下：

1) 中心出水環(huán)堰溢出水流的實際流速：

(1)

式中：Q為進(jìn)水流量；A為水流斷面，m2。

2) 最大粒徑泥沙啟動流速Uc：

(2)

式中：ρs為泥沙干密度，kg/m3；ρ為水密度，kg/m3；h為中心出水環(huán)堰堰上水深，m；d為沙石粒徑，mm。

1.3.2 最小粒徑泥沙不淤流速

計算最小粒徑泥沙不淤流速，不僅僅是為了確定圓中環(huán)的內(nèi)環(huán)直徑大小，也是為了確定倒錐底坡的最大坡度值，使淤積泥沙被水流快速沖到?jīng)_沙槽中。在計算過程當(dāng)中，應(yīng)用到的計算公式多而復(fù)雜，具體如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：ω為沉速，cm/s；d為泥沙粒徑，mm；v為運(yùn)動黏滯系數(shù)，cm2/s；t為水的溫度，℃；R為水力半徑，m；n為糙率；J為進(jìn)水渠比降。

1.3.3 內(nèi)環(huán)直徑的確定

在圓中環(huán)擬建地經(jīng)實地勘測確定進(jìn)水流量Q之后，運(yùn)用薄壁堰的堰流計算式(8)可計算出溢流堰的堰上水深h；假定內(nèi)環(huán)直徑大小為D，依據(jù)流量的基本公式(1)可算出溢流堰附近的行近流速V。按照此計算原理，最終可得出當(dāng)圓中環(huán)進(jìn)水流量一定時，內(nèi)環(huán)直徑D與溢流堰附近的行近流速V關(guān)系表(表1)；最后再從圓中環(huán)安全運(yùn)行的角度考慮，根據(jù)計算的最小粒徑泥沙不淤流速值在表中查得相應(yīng)的內(nèi)環(huán)直徑大小值。

(8)

表1 當(dāng)流量為Q時，不同直徑條件下的流速數(shù)值表

從以上3個方面可以看出，以手動計算的形式對圓中環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，計算量較大，容易出現(xiàn)失誤。因此，將結(jié)構(gòu)設(shè)計過程當(dāng)中運(yùn)用到的計算公式以及各數(shù)值之間的關(guān)系進(jìn)行整理后融入到編程當(dāng)中，根據(jù)程序運(yùn)行過程中的提示內(nèi)容適當(dāng)調(diào)整輸入值，可減少大量的計算過程，同時還可以提高計算精度。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計計算程序開發(fā)過程

2.1 程序流程圖

在對相關(guān)學(xué)者的研究成果[3,5-6]進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮影響圓中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計的各項因素，得出圓中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的流程圖，見圖4。

2.2 結(jié)構(gòu)尺寸界線說明

利用Fortran語言對圓中環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算過程進(jìn)行編程時，各結(jié)構(gòu)的尺寸邊界線詳見圖5。

圖4 圓中環(huán)沉沙排沙池結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖

1-中心出水環(huán)堰；2-混凝土板；3-倒錐底坡；4-沖沙槽；5-溢流堰；6-匯流槽；7-匯流槽外墻；D1-中心出水環(huán)堰直徑；D2-內(nèi)環(huán)直徑；D3-外環(huán)直徑；L1-沖沙槽寬度；L2-溢流堰寬度；L3-匯流槽寬度；L4-匯流槽外墻寬度(a)90°斷面圖

ai-寬度(i為進(jìn)水廊道，環(huán)流閘，沖沙廊道)；bi-高度(i為進(jìn)水廊道，環(huán)流閘，沖沙廊道)(b)進(jìn)水廊道/環(huán)流閘/沖沙廊道斷面圖

2.3 計算過程

2.3.1 計算前準(zhǔn)備

在計算程序所在的文件夾下分別新建一個文本格式的輸入文件和輸出文件，如“INPUT .txt”“OUTPUT .txt”。輸入文件主要是記錄在圓中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算過程中運(yùn)用到的設(shè)計參數(shù)，主要是在圓中環(huán)擬建地經(jīng)實地勘測后所獲得的數(shù)據(jù)，包括進(jìn)入到圓中環(huán)的最大泥沙粒徑、最小泥沙粒徑、泥沙干密度、含沙量、水溫、水密度、糙率、進(jìn)水渠比降等。需要注意的是，由于在編寫圓中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算程序的過程中，已將計算過程中應(yīng)用到的沙石粒徑單位換算為“cm”，所以在錄入以上設(shè)計參數(shù)時，泥沙粒徑必須以“cm”為單位。輸出文件的作用在于記錄計算過程中的結(jié)果。

2.3.2 參數(shù)獲取方式

計算程序運(yùn)行之后，對于參數(shù)的獲取主要通過兩種方式。第一，計算過程中的固定參數(shù)通過READ語句直接從輸入文件當(dāng)中讀取。第二，圓中環(huán)的相關(guān)設(shè)計參數(shù)需在彈出的窗口中根據(jù)PRINT語句提示進(jìn)行輸入。每輸入一個參數(shù)后按Enter 鍵方可出現(xiàn)下一個參數(shù)輸入提示。

2.3.3 誤差檢驗

在計算過程當(dāng)中，為確保最大粒徑泥沙、最小粒徑泥沙均能在沉沙池內(nèi)沉積，需要對中心出水環(huán)出口處流速與最大粒徑泥沙啟動流速、最小內(nèi)環(huán)直徑時的溢流堰附近行近流速與最小粒徑泥沙不淤流速這兩組流速數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差檢驗；確定內(nèi)環(huán)直徑后，需要對設(shè)計流量和溢流堰流出的水流量進(jìn)行誤差檢驗，確保溢流堰堰上水深的合理性。進(jìn)行誤差檢驗時，采用塊IF和GO TO語句實現(xiàn)當(dāng)型循環(huán)[7]，將誤差的絕對值控制在0.1范圍以內(nèi)。若在計算的過程中所得到的流速誤差符合要求，將會繼續(xù)進(jìn)行下一步計算；否則將會根據(jù)提示調(diào)整相關(guān)參數(shù)，直至達(dá)到要求。計算過程中的部分編程如下：

104 PRINT*, ’Input the water depth estimate on overflow weir’

READ(*,*) h4

v3=Q/(PI*D2*h4)

e2=((v3**2)*(F**2))/((PI*D2*h2)/(PI*D2)**(4/3))

H2=h3+e2*(D2/2)

Bm=0.403+0.053*h4/H2+0.007/H2

Q1=Bm*PI*D2*(2*g)**(0.5)*(h4)**(3/2)

Q1Q= Q-Q1

IF (Q1Q.LT.-0.1) THEN

PRINT*,’The h4 needs to be decreased’

GOTO 104

ELSE

IF(Q1Q.GT.0.1) THEN

PRINT*,’The h4 needs to be increased’

GOTO 104

ELSE

END IF

END IF

2.3.4 輸出形式

從圖4的設(shè)計流程圖中可以看出，圓中環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要分為6個部分，計算程序運(yùn)行過程中，輸出形式包含PRINT和WRITE兩種。每一部分在計算開始后，PRINT語句會將要輸入的內(nèi)容提示及輸入的數(shù)值顯示在電腦窗口上；計算結(jié)束之后，所得到的計算結(jié)果都會通過WRITE語句在輸出文件中呈現(xiàn)。

2.3.5 運(yùn)行結(jié)果

經(jīng)驗證，在相同條件下，將計算程序得到的結(jié)果與手動計算的結(jié)果相比較，基本一致。而且通過計算程序進(jìn)行圓中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，得到的計算精度更高，耗費的時間更短。

3 算 例

為了將引水渠道中的泥沙進(jìn)行處理后用于周邊村莊的灌溉作業(yè)，某地擬修建一個圓中環(huán)沉沙排沙池對引水渠道中的泥沙進(jìn)行處理。經(jīng)實地勘測，進(jìn)水渠的流量2 m3/s，比降0.0001，含沙量12 kg/m3，水溫20℃，可進(jìn)入到圓中環(huán)進(jìn)水前池的最大泥沙粒徑為84 mm，泥沙干密度為2 000 kg/m3，水密度1 000 kg/m3，修建時倒錐底坡采用漿砌塊石，糙率為0.021[8]。要求進(jìn)入到灌溉區(qū)的最大泥沙粒徑為0.15 mm，試對圓中環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。

解：新建“INOUT.txt”“OUTPUT.txt”文件，依次將進(jìn)入到圓中環(huán)進(jìn)水前池的最大泥沙粒徑、進(jìn)入到灌溉區(qū)的最大泥沙粒徑、泥沙干密度、水密度、含沙量、水溫、糙率、進(jìn)水渠比降輸入“INPUT.txt”文件中，見圖6。運(yùn)行計算程序，在彈出的窗口中依據(jù)提示輸入?yún)?shù)，見圖7。最終得到的計算結(jié)果匯總在“OUTPUT.txt”文件中，見圖8。

圖6 已知參數(shù)輸入界面

圖7 參數(shù)輸入窗口

從圓中環(huán)安全運(yùn)行的角度考慮，根據(jù)圖8的計算結(jié)果，該擬建圓中環(huán)的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸信息可確定如下：

設(shè)計流量：2 m3/s

中心出水環(huán)直徑：2 m

內(nèi)環(huán)直徑：65 m

外環(huán)直徑：67 m

沉沙池深度：3.8 m

沖沙槽寬度：3 m

進(jìn)水廊道尺寸：2 m×0.95 m

環(huán)流閘尺寸：3 m×0.95 m

沖沙廊道尺寸：0.38 m×1.38 m

倒錐底坡的坡度：7.0%

在圓中環(huán)運(yùn)行的過程中，為確保最大粒徑沙石能夠在沉沙池內(nèi)沉積，進(jìn)水前池與沉沙池之間的水頭差至少為46.5 cm。

將溢流堰寬度設(shè)計為0.1 m，匯流槽外墻寬度設(shè)計為0.2 m，根據(jù)圖5(a)可得出匯流槽寬度為0.8 m。

4 結(jié) 語

對圓中環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，將各結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計過程進(jìn)行程序化，具有以下優(yōu)點：

1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計計算程序編寫完成后，經(jīng)驗證與手動計算的結(jié)果相近，避免了手動計算出現(xiàn)的失誤，保證了準(zhǔn)確率，提高了計算精度。

2) 利用編程完成在設(shè)計過程中的復(fù)雜計算，可以減少設(shè)計人員手工計算工作量，實現(xiàn)快速計算，提高工作效率，讓設(shè)計人員更加專注于設(shè)計工作。

3) 為今后的圓中環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)一步提供了科學(xué)依據(jù)，有助于圓中環(huán)的推廣應(yīng)用。