張 軍

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引 言

中國新疆地區(qū)干旱少雨，水資源緊缺，大量的農(nóng)田水利工程采用微灌和滴灌等灌溉技術(shù)進行節(jié)水，然而灌溉系統(tǒng)對水質(zhì)要求較高。若采用傳統(tǒng)泥沙處理設施，如條形沉砂池，處理多泥沙水流，細顆粒泥沙處理效率較低，則水流中的部分細顆粒泥沙進入噴滴灌系統(tǒng)，將導致整個節(jié)水灌溉系統(tǒng)被堵塞和報廢，造成工程投入較大，因此許多學者不斷改造排沙窩管[1]、條形沉沙池[2]、排沙漏斗[3]、自排沙廊道沉沙池[4]及其他沉淀池[5- 6]的形式和結(jié)構(gòu)，以確保灌溉系統(tǒng)的正常運行。圓中環(huán)沉沙排沙池是一種新型的水沙分離裝置系統(tǒng)，依靠水力作用，自動排出沉積泥沙，耗水量少，為間歇性排沙[7- 8]。相較于其他排沙裝置，“圓中環(huán)”對地形要求相對低，流量應用范圍廣等特點。在新疆阿葦灘渠首、塔尕克水電站、烏魯木齊青年渠渠首處理粗顆粒泥沙獲得較好的效果[7-11]。

近些年來，常采用多元統(tǒng)計分析的方法對兩個或者兩個以上的變量進行相關(guān)分析，獲得不同變量之間的相關(guān)特性，相關(guān)分析在水文地質(zhì)、氣象、水資源利用、采礦工程、凍土等領(lǐng)域廣泛應用[12-15]。SPSS軟件是進行回歸分析最常用的軟件之一，利用該軟件對兩個及兩個以上變量進行回歸分析，建立良好的回歸模型?！皥A中環(huán)”設計影響參數(shù)較復雜，參數(shù)之間關(guān)聯(lián)性較強，為了便于優(yōu)化設計參數(shù)，以其大量試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用SPSS軟件對其流量、沉降時間、內(nèi)環(huán)半徑及沉沙粒徑進行統(tǒng)計分析，找出相關(guān)性，建立回歸模型，為“圓中環(huán)”設計應用提供分析參考。

1 物理模型

“圓中環(huán)”主要由進流、內(nèi)環(huán)、外環(huán)、沖沙、匯流、出流等建筑物構(gòu)成[7-11]，見圖1。設計流量為2.0 m3/s，加大流量為3.0 m3/s，內(nèi)環(huán)直徑30.0 m，外環(huán)直徑32.0 m，中心出水環(huán)直徑2.0 m。物理模型根據(jù)幾何比尺λ=14的正態(tài)模型進行設計。依據(jù)前期對不同中心出水環(huán)增高高度的“圓中環(huán)”流速和沉沙特性進行研究和分析，結(jié)果表明，當中心出水環(huán)增加高度為1.26 m時，流速分布相對均勻，泥沙沉降量大[8，10]。因此，本文針對多種流量條件下，研究了中心出水環(huán)不增高和增高1.26 m工況的泥沙沉降特性，并分析計算沉降時間與流量，以及半徑與沉降粒徑的關(guān)系。

圖1 “圓中環(huán)”結(jié)構(gòu)布置

為了更好地分析沉降時間與流量的相關(guān)關(guān)系，建立回歸模型，懸移質(zhì)泥沙沉降相似試驗采用粉沙[10]，容重為15.2 kN/m3，水下容重比尺λγs-γ=1，沉降相似比尺λd=3.74，沉沙時間比尺λt=3.74。分別在進水流量Q為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 m3/s，含沙量均為2 kg/m3條件下，觀測中心出水環(huán)高度不增加及增加1.26 m的泥沙沉降分布，并記錄泥沙沉降過程及時間。為了保證試驗結(jié)果的準確性，在不同流量條件下，內(nèi)環(huán)溢出泥沙含量相同。為便于數(shù)據(jù)統(tǒng)一，試驗成果中將模型試驗數(shù)據(jù)均換算為原型數(shù)據(jù)。

為了更好地分析半徑與沉降粒徑的相關(guān)關(guān)系，建立回歸模型，為保證推移質(zhì)沉降相似，模型沙采用天然粗沙[11]，推移質(zhì)泥沙沉降相似比尺λd=14，容重16 kN/m3，顆分曲線見圖2。在設計流量Q=2 m3/s和加大流量Q=3 m3/s條件下，含沙量均為2 kg/m3，測試中心出水環(huán)高度不增加及增加1.26 m工況，內(nèi)環(huán)半徑為2.0、5.0、8.0、12.0 m及15.0 m的最大沉降粒徑。為便于數(shù)據(jù)統(tǒng)一，試驗成果中將模型試驗數(shù)據(jù)均換算為原型數(shù)據(jù)。

圖2 模型沙顆分曲線

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 流量與沉降時間分析

在進水流量Q=0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 m3/s條件下，含沙量均為2 kg/m3，內(nèi)環(huán)溢出泥沙含量相同。在不同流量條件下，圖3僅列出中心出水環(huán)不增高和增高的典型沉沙形態(tài)，不同流量的沉沙時間見表1。

圖3 “圓中環(huán)”沉沙形態(tài)

表1 不同流量的沉降時間

從圖3可以看出：

(1)不同進水流量條件下，由于水流自中心出水環(huán)至內(nèi)環(huán)流速沿徑向逐漸減小，泥沙首先沉降在中心出水環(huán)周圍，進而沿徑向沉降。當中心出水環(huán)高度不增加時，流速分布不均勻，泥沙主要沉降在135°～225°范圍內(nèi)，并逐漸沿徑向推進至內(nèi)環(huán)邊，而其他范圍泥沙沉降量較少；當中心出水環(huán)增高1.26 m時，泥沙沉降分布均勻，沉降量較大。從表1及圖3可以看出，在中心出水環(huán)增加高度相同的條件下，隨著流量增加，內(nèi)環(huán)溢出泥沙含量相同，內(nèi)環(huán)泥沙沉降形態(tài)基本相同，沉沙時間不同，時間減小，平均減小50%。相同流量條件下，中心出水環(huán)增高1.26 m時，沉沙時間增加，平均增加28%。結(jié)果表明：中心出水環(huán)增高1.26 m可有效延長泥沙沉降時間。

(2)中心出水環(huán)高度不增加條件下，隨著流量增加，內(nèi)環(huán)溢出泥沙含量相同時，泥沙主要沉降在135°～225°范圍內(nèi)，沉沙體積約占內(nèi)環(huán)體積的25%，沉沙容積利用率較低，但沉沙體積與沉沙量基本相同。中心出水環(huán)增高1.26 m條件下，隨著流量增加，內(nèi)環(huán)溢出泥沙含量相同時，沉沙四周沉降，沉沙體積約占內(nèi)環(huán)體積的50%，內(nèi)環(huán)容積利用率大大提高，但沉沙體積和沉沙量基本相同；相比中心出水環(huán)不增加條件，沉沙體積內(nèi)環(huán)容積利用率迅速增加，增幅提高1倍。結(jié)果表明：相同條件下，內(nèi)環(huán)泥沙沉降量基本相同，泥沙沉降量不隨流量的變化而變化，這與中心出水環(huán)高度直接相關(guān)。中心出水環(huán)增高1.26 m可有效增加內(nèi)環(huán)沉沙容積利用率。

通過表1中的數(shù)據(jù)，采用SPSS分析不同進水流量和相應泥沙沉降時間的相關(guān)性，如圖4所示。由圖4可知，相關(guān)系數(shù)R2=1，說明泥沙沉降時間與進水流量相關(guān)性很強，該組試驗泥沙沉降時間與設計流量吻合良好；此外，隨著設計流量增加，“圓中環(huán)”的泥沙沉降時間迅速減小，設計流量與泥沙沉降時間成反比關(guān)系，但在進水流量Q>3.0m3/s后，沉降時間變化不大。

圖4 沉降時間與設計流量關(guān)系曲線

2.2 半徑與最大沉降泥沙粒徑分析

在設計流量Q=2 m3/s和加大Q=3 m3/s條件下，含沙量均為2 kg/m3，內(nèi)環(huán)溢出泥沙含量相同。研究了中心出水環(huán)不增高及增高1.26 m時，不同內(nèi)環(huán)半徑(分別為2、5、8、11、15 m)與最大沉降粒徑的關(guān)系如表2所示。

由表2可知，在相應半徑條件下，大于相應最大沉降粒徑的泥沙顆粒完全沉降在內(nèi)環(huán)；相同流量條件下，最大沉降粒徑隨著內(nèi)環(huán)半徑增加而減小，但不隨中心出水環(huán)增高而變化；隨著流量增大，內(nèi)環(huán)半徑在2～8 m范圍內(nèi)最大沉降粒徑增加，半徑在12～15 m范圍內(nèi)最大沉降粒徑不變。即相同流量條件下，隨著內(nèi)環(huán)半徑增加，水流流速和動能減小，最大沉降粒徑減小，最大沉降粒徑與中心出水環(huán)環(huán)高度無關(guān)，只與內(nèi)環(huán)半徑直接相關(guān)。試驗結(jié)果還表明：該工程內(nèi)環(huán)半徑為15 m滿足加大流量要求。內(nèi)環(huán)長度隨著半徑增加而增加，最大沉降粒徑減小。最大沉降粒徑沿徑向減小的核心是流速和動能降低，關(guān)鍵因素是增加內(nèi)環(huán)長度，即增加內(nèi)環(huán)半徑。

表2 內(nèi)環(huán)半徑與最大沉降粒徑關(guān)系

通過表2中的數(shù)據(jù)，采用SPSS分析不同內(nèi)環(huán)半徑和相應最大沉降粒徑的相關(guān)性，如圖4所示。由圖5可知，在設計流量Q=2 m3/s和加大Q=3 m3/s條件下，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.998和0.982，說明內(nèi)環(huán)半徑與最大沉降粒徑相關(guān)性很強，該組試驗內(nèi)環(huán)半徑與最大沉降粒徑吻合良好。由圖5還可以看出，隨著內(nèi)環(huán)半徑增加，最大沉降粒徑迅速減小，內(nèi)環(huán)半徑與最大沉降粒徑成二次函數(shù)關(guān)系，但在半徑≥12 m時，最大沉降粒徑變化不大。結(jié)果表明：現(xiàn)狀“圓中環(huán)”設計半徑是合適的；當處理較小泥沙粒徑，需增加半徑或者改變內(nèi)環(huán)的結(jié)構(gòu)體形以增加過水橫斷面。

圖5 半徑與最大沉沙粒徑關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

通過對“圓中環(huán)”的泥沙沉降影響參數(shù)進行SPSS分析研究，得出以下結(jié)論：

(1)在中心出水環(huán)高度不增加和增加1.26 m條件下，隨著進水流量變化，內(nèi)環(huán)泥沙沉積形態(tài)和沉降量基本相同。沉降時間隨進水流量的增加而驟減，兩者成反比關(guān)系，但進水流量大于3 m3/s，沉降時間基本不變。中心出水環(huán)增高1.26 m可有效延長泥沙沉降時間和增加內(nèi)環(huán)沉沙容積利用率。研究成果可為其沉降特性研究提供依據(jù)。

(2)內(nèi)環(huán)長度隨內(nèi)環(huán)半徑增大而增大，最大沉降粒徑迅速減小的核心是流速和動能降低，兩者成二次函數(shù)關(guān)系，但在半徑大于12 m時，最大沉降粒徑基本不變；最大沉降粒徑與中心出水環(huán)高度無關(guān)?！皥A中環(huán)”半徑滿足加大流量要求。研究成果可為“圓中環(huán)”設計提供依據(jù)。