漏斗式全沙排沙工程試驗(yàn)研究及其應(yīng)用摘要：漏斗式全沙排沙設(shè)施是一種排沙耗水量小，截沙率高的泥沙處理技術(shù)，并已在工程實(shí)際應(yīng)用中獲得了良好的效果。本文通過其清、渾水流場(chǎng)特性分析說明，漏斗室內(nèi)部水流特性有利于水沙別離和泥沙的排除。關(guān)鍵詞：漏斗式螺旋流模型試驗(yàn)原型觀測(cè)1漏斗式全沙排沙技術(shù)漏斗式全沙排沙設(shè)施作為一種高效、節(jié)水、經(jīng)濟(jì)的泥沙處理技術(shù)，已成功用于灌溉、發(fā)電、工業(yè)及人畜引水等諸多領(lǐng)域的泥沙處理，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，已建或待建局部工程見表1。表1局部已建和正建工程列表Listfsesandfunnelprjets序號(hào)工程名稱引水渠流量(3/s)漏斗室直徑()備注1新疆迪那河引水干渠排沙漏斗工程25201988年建成2新疆托克遜縣青年渠排沙漏斗工程6121992年建成3新疆八一鋼鐵公司引水暗渠排沙漏斗工程1.791996年建成4新疆昌吉縣蔬菜基地引水渠排沙漏斗工程0.551996年建成5新疆和靜縣解放二渠排沙漏斗工程13.5141996年建成6新疆霍城縣成功渠排沙漏斗工程0.032.41996年建成7新疆瑪納斯縣塔西河二級(jí)電站排沙漏斗工程40.91996年建成8新疆阿克陶縣吾依他克電站排沙漏斗工程14.6261997年建成9新疆奇臺(tái)縣達(dá)板河引水干渠排沙漏斗工程12121997年建成11新疆頭屯河干渠改造排沙漏斗工程10121988年建成12新疆瑪納斯縣紅山嘴電廠引水渠排沙漏斗工程60301998年建成13湖南洞庭湖挖泥船排出口泥漿脫水排沙漏斗工程0.283.691998年建成14新疆巴音溝河引水干渠排沙漏斗工程4514正在修建15新疆金溝河引水干渠排沙漏斗工程3014正在修建16新疆瑪納斯河團(tuán)結(jié)電站排沙漏斗工程49正在修建17四川省伊烏湖電站排沙漏斗工程715正在修建注：除表列工程工程外，已簽約擬建工程工程8項(xiàng)含沙水流沿切線方向進(jìn)入漏斗室，由于漏斗室邊壁的約束以及懸板等調(diào)流裝置的影響，為三維立軸型螺旋流，在實(shí)際運(yùn)行中水、沙、氣摻混流動(dòng)，其流場(chǎng)非常復(fù)雜，目前通過模型試驗(yàn)、原型觀測(cè)以及數(shù)值計(jì)算相結(jié)合等方法根本探明了其水流特性[１～２]。2試驗(yàn)研究2.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)造尺寸為：漏斗室直徑150；排沙底孔直徑5.5；漏斗底坡1/10；進(jìn)水涵洞斷面為矩形；懸板長(zhǎng)度包含中心角180°，頂部溢流，下部設(shè)置調(diào)流墩。試驗(yàn)布置了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ等八個(gè)測(cè)試斷面。模型構(gòu)造及測(cè)試斷面布置如圖1所示。2.2漏斗室水流特性清水流場(chǎng)測(cè)試結(jié)果說明，漏斗室水流為三維螺旋流，由切向、徑向和軸向三個(gè)方向的流速耦合而成，三方向流速在漏斗水流運(yùn)動(dòng)中分別起著不同作用：切向流速維持漏斗螺旋流的環(huán)流強(qiáng)度；方向向下的軸向流速有利于泥沙的沉降，促使水沙別離；徑向流速促使泥沙向排沙底孔輸移。2.3泥沙對(duì)漏斗室流場(chǎng)的影響分析清、渾水流場(chǎng)資料得知，無論是清水流場(chǎng)還是渾水流場(chǎng)，切向流速沿徑向的分布規(guī)律和徑向流速沿軸向的分布規(guī)律根本上是一致的[３]。泥沙對(duì)漏斗室流場(chǎng)的影響主要表達(dá)在切向流速沿軸向分布規(guī)律和徑向流速沿徑向的分布規(guī)律上。圖1漏斗式全沙排沙設(shè)施示意圖Skethfthesandfunnelstruture1.進(jìn)水涵洞2.漏斗室3.引水渠4.懸板5.漏斗底孔6.調(diào)流墩7.排沙道圖2～5繪出了清、渾水情況下，切向流速沿軸向和徑向流速沿徑向的分布規(guī)律。如圖2和圖3所示，泥沙對(duì)于切向流速在軸向的分布影響是明顯的，特別在內(nèi)區(qū)，渾水情況下切向流速在軸向分布更為均勻。隨半徑的增大，在漏斗室外區(qū)，清、渾水的流速分布規(guī)律那么趨于一致。圖2Ⅱ斷面切向流速沿軸向分布TangentialvelitydistributininvertialinsetinⅡ圖3Ⅳ斷面切向流速沿軸向分布TangentialvelitydistributininvertialinsetinⅣ圖4Ⅱ斷面(水深2)徑向流速沿徑向分布RadialvelitydistributinalngradialdiretininsetinⅡ(aterdepth=2)圖5Ⅱ斷面(水深14)徑向流速沿徑向分布RadialvelitydistributinalngradialdiretininsetinⅡ(aterdepth=14)如圖4及圖5所示，泥沙對(duì)于徑向流速沿徑向分布的影響較大，并且主要表如今漏斗室的底部，即泥沙對(duì)于徑向流速在徑向的影響只限于漏斗室底部某一水深范圍內(nèi)，該范圍的大小與斷面位置以及泥沙粒徑有關(guān)，有待進(jìn)一步深化研究。由上述清、渾水流場(chǎng)比照分析可見，泥沙對(duì)漏斗室流場(chǎng)的影響集中表達(dá)在漏斗室內(nèi)區(qū)和漏斗室底部，也就是說，漏斗室內(nèi)區(qū)水流和底部水流受泥沙影響顯著，或者說漏斗室內(nèi)區(qū)和底部水流泥沙含量大，說明漏斗螺旋流確實(shí)具有使泥沙沉積并且向漏斗底孔輸移的水流特性，因此排沙漏斗在處理水流泥沙上獲得了很好的效果，也進(jìn)一步證實(shí)前面關(guān)于清水流場(chǎng)特性的分析是正確的。2.4截沙率作者對(duì)于不同粒徑的泥沙在單級(jí)流量下進(jìn)展了截沙率的模型試驗(yàn)，結(jié)果說明，泥沙粒徑越大其截沙率越高，即粗顆粒泥沙便于處理，對(duì)于粒徑d＞1的泥沙，漏斗式全沙排沙設(shè)施能100%的排除。而對(duì)于較細(xì)的泥沙，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，對(duì)不同粒徑的泥沙采用一定的加沙量在漏斗式全沙排沙設(shè)施上游渠道進(jìn)展人工投沙，將漏斗底孔的水流導(dǎo)入一廂形沉沙池進(jìn)展人工收沙，將其與上游投沙的總重量相比即得漏斗式全沙排沙設(shè)施的截沙率。試驗(yàn)結(jié)果如表2，表中資料說明，對(duì)于粒徑大于0.125的泥沙的截沙率大于80%，完全可以滿足實(shí)際工程應(yīng)用。表2不同粒徑泥沙情況下的截沙率Testdatafsandintereptinratefrdifferentgrainsize泥沙直徑()0.300～0.2000.200～0.1500.150～0.1250.125～0.1050.105～0.0930.093～0.0740.074截沙率(%)87.4788.9780.7573.1560.0448.5926.682.5排沙耗水率模型試驗(yàn)測(cè)試得出的漏斗排沙耗水率平均為3%。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.3工程應(yīng)用3.1工程概況紅山嘴水力發(fā)電廠位于新疆瑪納斯河中游出山口紅山嘴區(qū)域河段的東岸，是典型的無調(diào)節(jié)、徑流式梯級(jí)引水式電站，目前由四座電站組成，二級(jí)電站總裝機(jī)容量4×3200k，設(shè)計(jì)年發(fā)電量4800萬kh，引水渠長(zhǎng)11.3k，設(shè)計(jì)引水流量563/s。由于瑪納斯河是一條多泥沙河流，紅山嘴電廠又座落于沙量最大，泥沙運(yùn)動(dòng)最活潑的出山口中游多少河段上，泥沙危害是幾十年來長(zhǎng)期困擾水電廠引水與發(fā)電消費(fèi)的最大頑癥，由于渠道泥沙淤積，渠道輸水才能降低，達(dá)不到設(shè)計(jì)引水才能，同時(shí)，大量泥沙進(jìn)入壓力前池，給機(jī)組造成磨損，致使機(jī)組發(fā)電效率降低，且每年投入大量的經(jīng)費(fèi)進(jìn)展機(jī)組維修。為理解決泥沙淤積、磨損問題，在二級(jí)引水渠0+900處修建了漏斗式全沙排沙工程。排沙工程主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為：漏斗室直徑為30；進(jìn)水涵洞高1.8，寬5.6；漏斗室底坡為1/10；底孔直徑為1.5等不同五種；懸板長(zhǎng)度包含中心角為180°，下設(shè)調(diào)流墩；漏斗室最大進(jìn)流量約為引水渠總流量的60%。表3紅山嘴水力發(fā)電廠二級(jí)電站引水渠泥沙顆粒組成Sandgranuletripsitinfapprahhannel顆粒組成粒徑()占泥沙比例(%)累計(jì)占泥沙比例(%)極細(xì)泥沙0.002～0.01012.1012.10細(xì)沙0.010～0.25023.9036.00中沙0.100～0.25039.4075.40粗沙0.250～1.00024.601003.2原型觀測(cè)1998年6月至9月，新疆石河子紅山嘴水力發(fā)電廠委托石河子水文水資源勘測(cè)大隊(duì)對(duì)紅山嘴水力發(fā)電廠漏斗式全沙排沙工程進(jìn)展原型觀測(cè)，并要求對(duì)排沙工程進(jìn)展水文評(píng)價(jià)。3.2.1原型觀測(cè)水文評(píng)價(jià)內(nèi)容(1)測(cè)定漏斗式全沙排沙工程在不同流量下的耗水量及耗水率；(2)分別測(cè)定漏斗式全沙排沙工程在不同時(shí)段不同來沙來水情況下的截沙率，尤其是對(duì)0.10～0.25和0.25～1.00粒徑泥沙的截沙率。3.3.2原型觀測(cè)結(jié)果關(guān)于排沙耗水量以及截沙率的原型觀測(cè)數(shù)據(jù)分別見表4和表5。表4漏斗式全沙排沙工程排沙耗水率aternsuptinfthesandfunnelprjet觀測(cè)時(shí)間漏斗下游引水渠流量排沙明渠流量漏斗上游引水渠流量排沙耗水率漏斗底孔直徑(1998年)(3/s)(3/s)(3/s)(%)()7月6日55.91.6457.52.851.5010日52.81.6054.42.941.5017日61.01.6162.62.571.5020日54.71.5056.22.671.5024日58.61.6360.22.711.5027日60.11.5861.72.561.5031日57.51.5159.02.561.508月3日55.31.6156.92.831.507日63.71.7565.52.671.5010日62.71.6664.42.581.5014日64.51.8266.32.761.509月3日59.51.6561.22.701.503日62.01.6863.72.641.504日57.31.7459.02.951.505日56.31.8258.13.131.506日56.71.7158.42.931.5023日31.30.5531.91.720.60平均57.11.5958.72.71表5漏斗式全沙排沙工程不同粒徑泥沙截沙率Sandintereptinratefthesandfunnelprjet觀測(cè)時(shí)間(1998年)觀測(cè)位置斷面輸沙率(kg/s)不同粒徑泥少截沙率(%)0.10～0.250.25～0.500.50～1.00第一組引水渠上游斷面934.5069.3095.40100.008月7日引水渠下游斷面478.30第二組引水渠上游斷面693.3072.2095.80100.008月10日引水渠下游斷面321.40第三組引水渠上游斷面711.1078.1096.70100.008月14日引水渠下游斷面259.20第四組引水渠上游斷面113.6079.5096.90100.009月3日引水渠下游斷面38.70第五組引水渠上游斷面82.2872.0095.80100.009月3日引水渠下游斷面38.30第六組引水渠上游斷面113.7069.2095.30100.009月4日引水渠下游斷面58.34第一組引水渠上游斷面200.1073.9096.10100.008月7日引水渠下游斷面86.81第一組引水渠上游斷面249.7278.6096.80100.008月7日引水渠下游斷面89.19平均值74.1096.10100.00通過分析漏斗式全沙排沙工程實(shí)際運(yùn)行測(cè)試資料可以得出如下結(jié)論：①平均耗水量為電站引水流量的2.71%；②粒徑大于0.50的泥沙其截沙率為100%；③對(duì)粒徑為0.10～0.25泥沙的排除率為74.10%；④對(duì)水利工程和水輪機(jī)造成嚴(yán)重危害