焦 波

(廣州宇正工程管理有限公司，廣東 廣州 510405)

1 工程概況

根據(jù)對場地調(diào)查得知，蕉門河主要面向地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉、防洪排澇，最大引水能力超過100萬m3/d，地表水徑流活動較頻繁，水土流失量達(dá)1000 t/km2·a，由于建設(shè)活動導(dǎo)致的自然土體侵蝕面較廣，約為2.8萬m2，局部水土流失主要受場地基坑降水影響，引起兩側(cè)開挖土體遷移運(yùn)動。根據(jù)對該工程水土狀態(tài)監(jiān)測表明，場地需水土保持防護(hù)面積超過1.076 hm2，土壤流失比已超過1.5，特別是主體工程區(qū)水土流失面積隨施工進(jìn)度增長較快，且開挖土體受侵蝕影響超過0.5 t，場地植被覆蓋率降低也超過35%，此對該工程場地水土保持穩(wěn)定性帶來較大挑戰(zhàn)。為此，工程管理部門考慮水土流失重點(diǎn)對象，從基坑水土流失問題入手，設(shè)置2～3座沉沙池，降低泥沙等懸浮質(zhì)對開挖土體的侵蝕及遷移搬運(yùn)作用，沉沙池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。根據(jù)對該沉沙池結(jié)構(gòu)分析，池內(nèi)設(shè)置有斜板擋沙、控沙裝置，傾斜角度為95°，各斜板之間采用阻尼式連接帶相連，確保斜板整體處于工作，弱化單個(gè)斜板的獨(dú)立性，有效減少泥沙沉降后受擾動引起的懸浮，該翼片斜板式沉沙池幾何設(shè)計(jì)如圖2所示。同時(shí)，組合式斜板上設(shè)置有翼片結(jié)構(gòu)，其長度為40 cm，布設(shè)間距為6 cm，可覆蓋斜板高度約為5 cm。由于擬建工程場地沉沙池設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)基本一致，池內(nèi)斜板翼片布設(shè)高度、長度及層間距均已確定，但翼片與水流向夾角還處于設(shè)計(jì)探討階段，夾角決定了斜板迎水面的動水壓強(qiáng)及靜水壓力，特別是影響著水流沉沙效率，故針對性解決斜板翼片傾角問題，對提升場地沉沙池工作效率具有重要價(jià)值。

圖1 沉沙池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 斜板式沉沙池幾何設(shè)計(jì)

2 設(shè)計(jì)模擬

為探討斜板式沉沙池結(jié)構(gòu)翼片設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)化問題，建模前對泥沙顆粒運(yùn)動軌跡進(jìn)行概化，如圖3所示。概化圖中與實(shí)際工況中泥沙懸浮由水流遷移作用而滯留在靠近斜板后方，且能較好模擬出斜板翼片與水流流態(tài)關(guān)系。

圖3 泥沙沉降概化圖

在滿足泥沙懸浮概化的前提下，采用UG建模平臺對沉沙池結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化幾何分析[1]，圖4分別為沉沙池幾何模型及斜板幾何設(shè)計(jì)，該三維圖中包括有流體運(yùn)動維態(tài)、斜板式翼片分布狀態(tài)等。采用CFD流場計(jì)算平臺完成單元網(wǎng)格劃分[2]，該計(jì)算模型中共有網(wǎng)格98 628個(gè)，各單元節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)87 924個(gè)，且斜板翼片區(qū)域分布網(wǎng)格單元密度最大，最大網(wǎng)格體積不超過8.2×10-8m3。本文針對翼片傾角參數(shù)設(shè)定其低于90°，故對比方案設(shè)定30°、40°、50°、60°、70°、80°，其他參數(shù)均以實(shí)際工程運(yùn)營設(shè)計(jì)取值。為分析方便，本文設(shè)定模型中X～Z三維坐標(biāo)正方向分別為水流向出水段向、沉沙池內(nèi)斜板傾斜向及水體自重應(yīng)力向。在CFD流場模擬平臺中完成數(shù)值計(jì)算后，采用FLOW 3D軟件進(jìn)行后處理，對沉沙池運(yùn)營參數(shù)及流場參數(shù)展開分析。

圖4 沉沙池幾何模型及斜板幾何設(shè)計(jì)

3 沉沙池滲流場特征參數(shù)影響特性

3.1 流速特征

根據(jù)對沉沙池內(nèi)滲流場特征參數(shù)開展計(jì)算分析，獲得池內(nèi)不同斷面上流速變化特征，給出了流速等值線分布，如圖5所示。

圖5 不同方案池內(nèi)流速特征(等值線圖中從下至上分別為傾角30°、40°、60°、70°、80°)

從圖5(a)可看出，流速等值線分布與水流方向均保持一致，從池底至池頂流速遞增，此現(xiàn)象在各翼片傾角方案中均保持一致，無顯著差異，表明池底至池頂高程上的流速分布受翼片傾角參數(shù)影響較弱。同時(shí)，具體從流速等值線分布可看出，在高傾角方案中下游聚集有局部的渦旋流，且流速等值線在該區(qū)域與水流方向發(fā)生“對碰”，極易引發(fā)水流勢能的集中爆發(fā)，導(dǎo)致非穩(wěn)定滲流活動[3-4]，因而從沉沙池斜板翼片設(shè)計(jì)角度考慮，應(yīng)盡量避免高傾角。

分析池內(nèi)斷面流速變化特征可知，整體上翼片傾角愈大，則流速水平愈高，在翼片傾角30°方案中，斷面12.5 m處流速為0.0198 m/s，而翼片傾角增大至50°、70°、80°后，該斷面處流速較之分別增大了2.28倍、3.15倍、5.99倍；在傾角30°方案中池內(nèi)全斷面平均流速為0.028 m/s，傾角每增大10°，則池內(nèi)斷面平均流速可增長35.7%。分析認(rèn)為，沉沙池斜板翼片傾角愈大，則迎水面積愈大，其可最大限度降低泥沙懸浮，促進(jìn)流速增長。另一方面，雖斜板翼片傾角愈大，有利于流速水平，但不可忽視在高傾角方案中，池內(nèi)各斷面流速具有較大波幅變化；在傾角70°、80°方案中，池內(nèi)各斷面最大波幅分別超過31.4%、21.5%，分別位于17.5～20.0 m、12.5～15.0 m斷面處。由此可知，增大翼片傾角一方面可促進(jìn)觸水面積，但對水體控流效果較差，而翼片傾角過低時(shí)，不僅流速水平較低，同時(shí)其斷面上會在一定局部斷面出現(xiàn)波幅，如在傾角30°、40°方案內(nèi)均在斷面17.5～20.0 m處具有較大波幅，分別達(dá)1.6倍、47.7%。因而，從有利于流速特征角度考慮，筆者認(rèn)為斜板翼片傾角不應(yīng)過大或過低，控制在適中區(qū)間即可。

3.2 水沙特征

水沙特征乃是直接反映沉沙池內(nèi)工作運(yùn)營期內(nèi)流場狀態(tài)，本文模擬計(jì)算出運(yùn)營100 d、500 d各翼片傾角方案中池內(nèi)斷面含沙量變化特征，如圖6所示。

圖6 沉沙池?cái)嗝婧沉孔兓卣?/p>

從圖6可看出，含沙量水平與翼片傾角具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)翼片傾角愈大，則含沙量水平愈低，在運(yùn)營期100 d，傾角30°方案內(nèi)斷面10.0 m處含沙量為2.00 kg/m3，而傾角每增大10°后，斷面處含沙量較之平均減少了17.8%；從池內(nèi)各斷面平均含沙量亦可看出，在傾角30°方案下平均含沙量為2.15 kg/m3，而隨傾角每增長10°，平均含沙量可降低15.6%。分析含沙量增幅也可看出，在翼片傾角增大至較高水平時(shí)，特別是傾角接近直角后，斜板翼片構(gòu)件對池內(nèi)含沙量限制作用減弱，如在運(yùn)營期100 d翼片傾角為30°～60°時(shí)，各方案間平均含沙量最大增幅可達(dá)23.2%，平均增幅為19.8%，而傾角超過60°后，其平均含沙量的最大增幅僅為10.5%，平均增幅僅為6.4%。分析認(rèn)為，翼片傾角達(dá)到一定水平后，特別是斜板與水流方向接近垂直，此時(shí)控沙、排沙效應(yīng)達(dá)到飽和狀態(tài)，特別是傾角過大，池內(nèi)各斷面上含沙量的增幅均勻性欠佳，在運(yùn)營期100 d內(nèi)，池內(nèi)斷面12.5 m前后其含沙量的增幅具有變化節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)運(yùn)營期增長至500 d后，翼片傾角參數(shù)對含沙量影響基本與前一運(yùn)營期一致，但運(yùn)營時(shí)間增大，整體含沙量水平提高，在翼片傾角50°方案中兩個(gè)運(yùn)營期內(nèi)斷面含沙量增幅分布為58.0%～82.8%。在運(yùn)營期500 d內(nèi)，高傾角方案內(nèi)斷面含沙量的增幅也具有變化節(jié)點(diǎn)，在傾角80°方案節(jié)點(diǎn)為斷面10.0～12.5 m，較運(yùn)營期100 d有所提前。綜合分析認(rèn)為，考慮滲流場穩(wěn)定性不應(yīng)設(shè)定過大的翼片傾角，從適配性來看，翼片傾角60°較優(yōu)。

4 沉沙池運(yùn)營期表面負(fù)荷參數(shù)

表面負(fù)荷參數(shù)反映了沉沙池運(yùn)營期對上游來水的處理能力，圖7為沉沙池各斷面上表面負(fù)荷在各翼片傾角方案內(nèi)變化特征。

圖7 不同方案沉沙池表面負(fù)荷特征

觀察圖中表面負(fù)荷可知，在翼片傾角30°斷面上平均表面負(fù)荷為6.24 m3/(h·m2)，而傾角每增大10°，其平均負(fù)荷可增長26.9%，表面翼片觸水面積增大后，沉沙池處理水流能力大大提升。但其表面負(fù)荷穩(wěn)定性過于波動，在翼片傾角70°、80°方案表面負(fù)荷的最大波幅分別可達(dá)22.2%、19.5%，即水流在不同斷面上表面負(fù)荷的穩(wěn)定性受到較大挑戰(zhàn)，此會集中部分水力勢能在局部某一斷面上，導(dǎo)致排沙過程中遇阻。當(dāng)翼片傾角過低時(shí)，如在傾角30°、40°方案，其表面負(fù)荷受斜板隔流影響，整體表面負(fù)荷水平亦較低，同時(shí)會存在局部的穩(wěn)定期與波幅震蕩期[5-6]。從最利于滲流場的翼片傾角60°方案考慮，該方案斷面表面負(fù)荷基本較為穩(wěn)定，池內(nèi)平均負(fù)荷為15.16 m3/(h·m2)，最大波幅不超過2%，不論是處理能力亦或是斷面負(fù)荷穩(wěn)定性，均處于技術(shù)優(yōu)勢綜合最高，故選擇該方案較為合理。

5 結(jié) 論

(1)流速等值線分布特征受翼片傾角參數(shù)影響較小，高傾角方案池內(nèi)聚集有渦旋流等逆流線分布；翼片傾角愈大，流速水平愈高，但斷面流速穩(wěn)定性變差，傾角每增大10°，則斷面平均流速可增長35.7%，傾角70°、80°方案斷面最大波幅分別超過31.4%、21.5%。

(2)含沙量與翼片傾角具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，但增幅減小，隨傾角每增長10°，運(yùn)營100 d平均含沙量可降低15.6%，而在傾角超過60°時(shí)，平均增幅僅為6.4%；運(yùn)營期100 d與500 d高傾角方案內(nèi)含沙量在斷面上增幅均有變幅節(jié)點(diǎn)。

(3)傾角每增大10°，平均負(fù)荷可增長26.9%，但在翼片傾角70°、80°方案表面負(fù)荷的最大波幅分別可達(dá)22.2%、19.5%；傾角過低時(shí)，表面負(fù)荷水平降低，且也存在局部震蕩。

(4)綜合沉沙池滲流場特征與運(yùn)營期負(fù)荷特征，認(rèn)為斜板翼片傾角60°方案綜合技術(shù)優(yōu)勢最大。