胡松可，李文昊，楊廣，劉寧寧

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子832003)

新疆是中國(guó)70%以上棉花的生產(chǎn)基地，但區(qū)域內(nèi)年均降水量?jī)H為147 mm，蒸降比達(dá)到10∶1，是典型的干旱、半干旱綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，80%以上的農(nóng)田依靠灌溉來(lái)完成耕作.新疆的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.532，仍低于發(fā)達(dá)國(guó)家的0.837[1].為了提高灌溉水利用率，新疆農(nóng)田多采用微灌工程，但由于山溪性河流含泥沙量大，入管易堵塞微灌系統(tǒng).沉沙池作為清除灌溉水源泥沙的水工建筑物，對(duì)于水質(zhì)凈化起到了關(guān)鍵性作用.沉沙池發(fā)展至今，按幾何類型可分為直線型、曲線型、漏斗型、混合型和其他類型；按運(yùn)行方式可分為沖洗式、機(jī)械清淤式和淤積式等，不同類型的沉沙池有不同的沉沙和排沙特點(diǎn)[2].

直線型沉沙池已成為中國(guó)灌溉水源泥沙處理的主流，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、管理方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在水頭損失大、沖沙需斷流、沉沙效果不穩(wěn)定、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)[3].直線型沉沙池的沉沙效果除了受流量的影響外，還與池中顆粒級(jí)配、結(jié)構(gòu)形式等因素有關(guān)[4].文中基于水力特性、泥沙分布和沉淀特性對(duì)傳統(tǒng)的直線型沉沙池進(jìn)行改進(jìn)，提出一種可同時(shí)去除推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙的新型雙重沉沙池，即在沉沙池的引流段增設(shè)開(kāi)孔調(diào)流齒，在一重沉沙池尾部的溢流堰上增設(shè)鋸齒狀溢流槽，在后設(shè)置人字形渦流管，實(shí)現(xiàn)二重沉沙.文中主要分析不同來(lái)水流量對(duì)改進(jìn)直線型沉沙池沉淀效果的影響，其大大降低后續(xù)微灌設(shè)備的工作負(fù)擔(dān)，減少微灌系統(tǒng)的堵塞現(xiàn)象，提高灌溉水源水質(zhì)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益持續(xù)發(fā)展的目的.

1 材料和方法

1.1 理論基礎(chǔ)

文中來(lái)水流量采用直角三角堰流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，流量計(jì)算公式[5]為

Q=1.343H2.47，

(1)

式中：Q為模擬的渠道來(lái)水流量，m3/s；H為直角三角形溢流堰上的水頭高度，m.

泥沙去除率是衡量沉沙池工作性能的主要指標(biāo).計(jì)算泥沙去除率的公式[6]為

(2)

式中：R為泥沙去除率；C1為沉沙池來(lái)水水源的含沙量，g/L；C2為沉沙池出口處的含沙量，g/L.

1.2 模型設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鶕?jù)新疆某生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)沉沙池原型按1∶3比例修建.模型全長(zhǎng)15.0 m,其中引流段長(zhǎng)5.0 m，寬1.0 m，深0.6 m.漸變段長(zhǎng)1.0 m，工作段長(zhǎng)8.0 m，寬2.0 m，尾部高0.7 m.沉沙池引流段和漸變段坡度為5‰，工作段坡度為1%，如圖1所示.

圖1 改進(jìn)直線型示意圖(單位：cm)Fig.1 Improved linear diagram

1.3 改進(jìn)措施

1.3.1 增設(shè)開(kāi)孔調(diào)流齒

傳統(tǒng)直線型沉沙池水流直接經(jīng)漸變段進(jìn)入工作段，造成水流劇烈紊動(dòng)，流場(chǎng)分布不均勻.為改善水流條件，對(duì)傳統(tǒng)沉沙池增設(shè)引流段，并在引流段加設(shè)開(kāi)孔調(diào)流齒，如圖2所示.

圖2 調(diào)流齒示意圖Fig.2 Schematic diagram of flow regulating tooth

主流直接頂沖在調(diào)流齒上，然后通過(guò)連續(xù)的彎曲消能向下游運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)總工程不變，最大限度地降低流速.調(diào)流齒阻撓較大動(dòng)能的水流和改變水流運(yùn)動(dòng)方向，減緩運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，迫使來(lái)水動(dòng)能和紊動(dòng)強(qiáng)度降低，降低水流流速，使沉沙池工作段更有利于泥沙的沉降.針對(duì)調(diào)流齒前泥沙淤積問(wèn)題，文中對(duì)底坡進(jìn)行了坡度和調(diào)流齒開(kāi)孔設(shè)計(jì)，使淤積的泥沙能夠隨水流通過(guò)孔洞向下移動(dòng).開(kāi)孔調(diào)流齒在一定程度上還增加水流和泥沙運(yùn)動(dòng)的跡線長(zhǎng)度，起到進(jìn)一步消能的作用，使水流經(jīng)過(guò)調(diào)流板齒后在整個(gè)沉沙池工作段內(nèi)形成均勻的流態(tài).

1.3.2 增設(shè)鋸齒狀溢流槽

由于池內(nèi)存在上稀下濃的現(xiàn)象，即越靠近水表面，水流含沙量越小，且相應(yīng)粒徑較小，因此，為了進(jìn)一步提高沉沙池的沉沙率，需要盡可能取得表層水.本模型在溢流堰上增設(shè)鋸齒狀溢流槽，降低了溢流水流高度，取得表層水，從而大大提高了沉沙池的沉沙率，如圖3所示.

圖3 鋸齒狀溢流槽示意圖Fig.3 Schematic diagram of serrated spillway trough

1.3.3 人字形渦流管

經(jīng)過(guò)第一重除沙后，水流仍含有大量的懸移質(zhì)泥沙，而傳統(tǒng)直線型沉沙池并不能將其除去.本模型利用渦流管原理，設(shè)置了人字形渦流管(見(jiàn)圖4)，大幅度減少渦管堵塞，提高了渦管的排沙效率.渦管利用離心力原理使泥沙與水分離，當(dāng)渦管兩端排沙閘門開(kāi)啟時(shí)，利用螺旋流原理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排沙，優(yōu)化了沖沙設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了二重沉沙.

圖4 人字形渦流管示意圖Fig.4 Schematic diagram of herringbone vortex tube

1.4 試驗(yàn)方法

文中設(shè)置了S1—S7共7個(gè)縱向斷面(如圖5所示)，每個(gè)縱向斷面設(shè)置3個(gè)垂向測(cè)點(diǎn)，根據(jù)CYS-Ⅲ型測(cè)沙顆分儀測(cè)試儀探頭大小，含沙量垂向等間距10 cm布置測(cè)點(diǎn)，頂端測(cè)點(diǎn)位于表面5 cm處.文中采用天然河沙，參考錢寧等著的《泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)》[7]，本次試驗(yàn)中定義推移質(zhì)泥沙為0.05 mm以上，懸移質(zhì)為0.05 mm以下.本次試驗(yàn)主體結(jié)構(gòu)采用混凝土制作，調(diào)流齒和溢流槽使用亞力克板預(yù)制，渦流管使用PVC管制作.在10,15 L/s兩組流量變量條件下，分別對(duì)有無(wú)調(diào)流齒、溢流槽和渦流管條件下沉沙池的沉沙率進(jìn)行對(duì)比分析.

圖5 試驗(yàn)點(diǎn)斷面布置平面圖(單位：cm)Fig.5 Plan view of test points

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 開(kāi)孔調(diào)流齒對(duì)池內(nèi)泥沙沉降的影響

通過(guò)監(jiān)測(cè)改進(jìn)直線型沉沙池沿程含沙量的變化，判斷沉沙效率.試驗(yàn)分別設(shè)置了有無(wú)調(diào)流齒對(duì)水流含沙量的影響，并取各個(gè)斷面的平均含沙量S0作為代表值.當(dāng)來(lái)水流量為15 L/s時(shí)，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示，其中Cl為來(lái)水初始含沙量,l為距離渠道位置.

從圖6可得，池內(nèi)含沙量總體呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，距離調(diào)流齒越遠(yuǎn)，含沙量越低，沉沙效果越好.從池內(nèi)各斷面含沙量的變化可得到，無(wú)調(diào)流齒的各斷面含沙量的沉降率小于有調(diào)流齒的沉降率，表明調(diào)流齒消能效果顯著，能夠降低水流流速，促進(jìn)池內(nèi)泥沙沉淀.在S3—S4斷面，有調(diào)流齒的含沙量下降了54.11%，無(wú)調(diào)流齒的僅為28.64%，調(diào)流齒降低了流速，有利于池內(nèi)泥沙提前沉淀.在沉沙池的后半部，有調(diào)流齒的沉沙率趨于穩(wěn)定，無(wú)調(diào)流齒的則以某一趨勢(shì)繼續(xù)沉淀，表明調(diào)流齒能夠穩(wěn)固流態(tài)，形成大顆粒泥沙在沉沙池前半部開(kāi)始沉淀，后半部沉淀小顆粒泥沙.在S7斷面有無(wú)調(diào)流齒的含沙量均值分別為3.07，4.39 g/L，調(diào)流齒降低了水流的含沙量.沿程對(duì)比發(fā)現(xiàn)，有調(diào)流齒的沉沙池沉沙量比無(wú)調(diào)流齒的高10.38%.

2.2 鋸齒狀溢流槽對(duì)泥沙沉降的影響

在改進(jìn)直線型沉沙池工作段后的溢流堰區(qū)域增設(shè)鋸齒狀溢流槽，增加了溢流堰的有效長(zhǎng)度，降低了溢流堰的水頭.為驗(yàn)證溢流槽對(duì)水流含沙量的影響，文中在來(lái)水流量為15 L/s的情況下，測(cè)得沿程水流含沙量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖7所示.

圖6 開(kāi)孔調(diào)流齒含沙量沿程變化Fig.6 Variation of sediment concentration along course at flow regulating teeth

圖7 鋸齒狀溢流槽含沙量沿程變化Fig.7 Sediment content changes along course at zigzag overflow channel

通過(guò)圖7對(duì)比發(fā)現(xiàn)，增設(shè)溢流槽后，泥沙分布規(guī)律顯著，沿程含沙量的變化趨于穩(wěn)態(tài).根據(jù)S3—S7斷面的沿程含泥沙量折線的曲率，增設(shè)溢流槽的沿程含沙量降低的速率比無(wú)溢流槽高，當(dāng)無(wú)溢流槽時(shí)池內(nèi)含泥沙量波動(dòng)較大，不利于泥沙沉降；當(dāng)有溢流槽時(shí)，池內(nèi)流場(chǎng)變化程度較小，泥沙可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步沉淀.根據(jù)末端的含沙量，有溢流槽的含沙量均值為0.78 g/L，無(wú)溢流槽均值為1.25 g/L，通過(guò)S7與S1斷面含沙量的對(duì)比，有溢流槽的泥沙沉沙率約94.03%，無(wú)溢流槽的泥沙沉沙率約81.33%.

2.3 渦流管對(duì)泥沙沉降的影響

根據(jù)水流和泥沙特性，設(shè)計(jì)了人字形渦流管，水流在渦管內(nèi)產(chǎn)生螺旋流和離心力作用，泥沙將在渦管內(nèi)以螺旋的形式排出管外，即達(dá)到渦管自動(dòng)排沙的目的.由于前部已經(jīng)經(jīng)過(guò)第一重沉淀，所以僅有通過(guò)表層水的小顆粒泥沙被帶入渦流管內(nèi)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，表中d為泥沙粒徑，R為泥沙去除率.

表1 不同粒徑的泥沙沉降效果Tab.1 Sedimentation effects of different particle sizes

通過(guò)渦流管對(duì)不同粒徑的泥沙沉淀效果分析可得，隨著粒徑由大到小，除沙率呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì).增設(shè)渦流管后，對(duì)于0.05 mm以上泥沙顆粒的除沙率可達(dá)96.00%以上，池內(nèi)的水流流態(tài)較為均勻，沒(méi)有出現(xiàn)泥沙翻滾和偏流現(xiàn)象.對(duì)于小于0.05 mm的泥沙顆粒去除率提高了28.44%，極大地降低了泥沙的出池率，改善出池水質(zhì).針對(duì)小于0.50 mm的泥沙顆粒，有渦流管比無(wú)渦流管對(duì)泥沙去除率提高了18.80%.

2.4 泥沙顆粒級(jí)配和泥沙含量的沿程變化

當(dāng)水流經(jīng)過(guò)引流段時(shí)，水流動(dòng)能經(jīng)過(guò)調(diào)流齒消能，流速降低，部分大顆粒沉降的泥沙隨水流向下運(yùn)動(dòng)，小顆粒泥沙在沉沙池中部和尾部進(jìn)行沉降.由于泥沙顆粒大小的不同，池內(nèi)泥沙出現(xiàn)分層現(xiàn)象.池內(nèi)不同斷面顆粒級(jí)配和泥沙含量如圖8，9所示，圖中ω為小于某粒徑的泥沙質(zhì)量分?jǐn)?shù).

圖8 新型沉沙池各斷面顆粒級(jí)配曲線圖Fig.8 Grain grading curve of each section of new type grit chamber

從圖8可得，池內(nèi)泥沙顆粒粒徑主要在0.001～0.500 mm，且泥沙在池內(nèi)呈現(xiàn)一定的分布規(guī)律：0.010 mm以上的泥沙主要沉淀在S5斷面以前，泥沙沉淀比達(dá)到80.24%以上；0.010 mm以下的泥沙顆粒主要在渦管內(nèi)沉淀，說(shuō)明渦流管清除小顆粒泥沙效果顯著.通過(guò)對(duì)比池內(nèi)S1—S2斷面發(fā)現(xiàn)，引流段有部分泥沙沉淀，但在試驗(yàn)中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)引流段有明顯的淤積，說(shuō)明引流段結(jié)構(gòu)優(yōu)化有利于上層泥沙顆粒沉淀，在底部水流和結(jié)構(gòu)作用下向下移動(dòng).

圖9 2種沉沙池沿程含沙量變化Fig.9 Variation of sediment concentration along two desilting basins

沿流動(dòng)方向，S6之前各斷面處粒徑大于0.050 mm的推移質(zhì)泥沙占比逐漸減小，粒徑大于0.050 mm泥沙沉淀量占總量的85%以上，總沉沙率達(dá)到90%以上；而粒徑小于0.050 mm的懸移質(zhì)泥沙超過(guò)75%以上通過(guò)溢流堰向下流動(dòng).結(jié)合表1可得，加渦流管前，懸移質(zhì)沉降率僅為68.91%；加設(shè)渦流管后，懸移質(zhì)沉降率得到顯著提升，可達(dá)88.51%.

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2個(gè)流量級(jí)對(duì)同一泥沙含量的新舊沉沙池進(jìn)行組合試驗(yàn).由圖9可得，不同結(jié)構(gòu)類型和來(lái)水流量條件對(duì)沉沙池沉淀率都有一定的影響.在一定來(lái)水流量下，每一斷面新型沉沙池的含沙量均小于傳統(tǒng)型沉沙池，15 L/s來(lái)水流量下，在S7斷面檢測(cè)到新型沉沙池比傳統(tǒng)型沉沙池的沉沙量提高了38.21%，沉沙效果顯著.在同一類型不同來(lái)水流量下，隨來(lái)水流量的降低，新舊沉沙池沉沙率在15 L/s流量下提升了28.43%，在10 L/s流量下提升了44.07%，說(shuō)明來(lái)水流量影響沉沙率，來(lái)水流量越小，沉沙效率越高.

3 討 論

傳統(tǒng)沉沙池主要沉淀推移質(zhì)泥沙,對(duì)懸移質(zhì)去除率較低.文中利用水力學(xué)、結(jié)構(gòu)和泥沙分布特性改進(jìn)沉沙池，從而極大地提高了懸移質(zhì)泥沙的去除率.

眾多學(xué)者[8-10]提出可在池內(nèi)入口處加設(shè)擋板，急速降低水流動(dòng)能，但存在板前泥沙淤積問(wèn)題.文中研究顯示，引流段調(diào)流齒的設(shè)計(jì)能有效消除來(lái)水水流的動(dòng)能，使泥沙沉淀率提高到87.28%，并有效解決了調(diào)流板前泥沙淤積問(wèn)題，前部沉淀的少量泥沙隨底部水流經(jīng)過(guò)開(kāi)孔向下滾動(dòng)進(jìn)入沉淀池內(nèi).

宗全利等[11]提出增加沉沙池中溢流堰的長(zhǎng)度，可降低出池水流含沙量.文中試驗(yàn)增設(shè)鋸齒狀溢流槽，降低了溢流堰的過(guò)水單寬量和取水深度，取得表層水，結(jié)合試驗(yàn)分析結(jié)果，溢流槽的設(shè)計(jì)增加了溢流堰的有效長(zhǎng)度，提高了15.62%的沉沙率，這與前人研究結(jié)論相同.

劉煥芳等[12]和GOTO等[13]都對(duì)渦管內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了水力特性分析，利用渦管分流的特性，使用較小的分流比除去較多的懸移質(zhì)泥沙.文中設(shè)計(jì)人字形渦流管，降低渦流運(yùn)動(dòng)路徑，更有利于管內(nèi)螺旋流的產(chǎn)生，可以更加充分地利用好螺旋流和離心力原理，有效降低了對(duì)來(lái)水流速的要求，針對(duì)懸移質(zhì)泥沙提升了28.44%的沉沙率.

綜上，沉沙池內(nèi)含沙量受流速和結(jié)構(gòu)的影響比較大，改進(jìn)直線型沉沙池隨著流速增加，出口的含沙量也會(huì)相應(yīng)地增加，但相對(duì)于傳統(tǒng)直線形沉沙池則增加量較小，說(shuō)明新型沉沙池結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對(duì)水流挾沙力和沿程含泥沙量的降低起到關(guān)鍵性作用，進(jìn)水流量與調(diào)流齒、溢流槽長(zhǎng)度和渦流管呈正相關(guān)性.

4 結(jié) 論

新型沉沙池能夠有效地處理微灌系統(tǒng)中的泥沙沉積問(wèn)題，為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有效措施.通過(guò)本次沉沙池模型試驗(yàn)研究和理論分析，得到池中含沙量的沿程變化規(guī)律和顆粒的沉淀區(qū)域.

1) 在引流段設(shè)置開(kāi)孔調(diào)流齒，對(duì)來(lái)水起到有效的消能作用，明顯降低流速，有調(diào)流齒的沉沙池比無(wú)調(diào)流齒的沉沙量提高10.38%，并在引流段無(wú)局部泥沙沉淀.

2) 增設(shè)鋸齒狀溢流槽，最大限度增加溢流堰的有效長(zhǎng)度，降低出池水位取水高度，盡量取得表層水，降低出池水流含泥沙量，使池內(nèi)泥沙的沉沙率基本維持在94.03%.

3) 沉沙池后部設(shè)置人字形渦流管，有效提高了懸移質(zhì)泥沙去除率，最大可達(dá)到28.44%，并實(shí)現(xiàn)了二重沉沙.

4) 新型沉沙池相對(duì)于傳統(tǒng)類型能夠有效地提高沉沙率達(dá)28.43%以上，具有明顯的沉沙作用，在10 L/s時(shí)，出口含泥沙量能達(dá)到0.34 g/L，最大沉沙率可達(dá)到96.88%，進(jìn)一步說(shuō)明新型沉沙池具有良好的運(yùn)行效果.