金溝河渠首漏斗及渦管排沙應(yīng)用成果分析

俞 健

金溝河渠首漏斗及渦管排沙應(yīng)用成果分析

俞 健

（新疆石河子水文水資源勘測(cè)局 新疆石河子 832000）

螺旋漏斗及渦管排沙技術(shù)是經(jīng)過多年系列模型試驗(yàn)及原型觀測(cè)獲得成功的，1990年通過新疆維吾爾自治區(qū)科委組織的國(guó)內(nèi)專家鑒定，成果屬國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。對(duì)粒徑大于1mm的粗顆粒泥沙排除率可達(dá)100%，排沙耗水量平均低于引水量的5%。本文應(yīng)用實(shí)測(cè)的水文資料，對(duì)金溝河渠首漏斗及渦管排沙排沙率和耗水率等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析，以此來科學(xué)合理的論證渦管和漏斗對(duì)本樞紐工程和輸水工程的排沙效果，為樞紐工程的合理設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供技術(shù)依據(jù)。

漏斗式 渦管排沙 原型觀測(cè) 成果分析

1 基本情況

金溝河是新疆天山北坡泥沙含量最大的河流之一，由于金溝河引水樞紐以上沒有控制性水利工程，泥沙淤積給引水樞紐、輸水渠道等水利工程操作運(yùn)行帶來了諸多的不便，該水系的河流來沙對(duì)水利工程的危害是新疆罕見的，金溝河管理處在渠系工程上先后建設(shè)了渦管排沙和漏斗排沙工程，這二項(xiàng)排沙工程的建設(shè)，給金溝河渠系工程運(yùn)行帶來了較為顯著的效果，使得20世紀(jì)60年代初期開始運(yùn)行的渠系工程，至今依然發(fā)揮著效益。渦管和漏斗排沙工程在金溝河渠首已運(yùn)行了多年，但沒有進(jìn)行原型水文測(cè)驗(yàn)，排沙率、耗水率等重要技術(shù)指標(biāo)沒有水文原型測(cè)驗(yàn)的數(shù)據(jù)支撐，使得這樣的運(yùn)用技術(shù)成果無法對(duì)外推廣，所以在金溝河渠系進(jìn)行渦管排沙、漏斗排沙原型水文測(cè)驗(yàn)是十分必要的。在金溝河渠系上進(jìn)行原型水文測(cè)驗(yàn)與分析，具有典型的區(qū)域代表性，對(duì)研究本河流乃至鄰近河流的泥沙運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律具有一定的指導(dǎo)和示范作用，同時(shí)也為天山北坡河流出山口引水樞紐的運(yùn)行管理積累一定經(jīng)驗(yàn)。

1.1流域概況

金溝河發(fā)源于依連哈比爾尕山北側(cè)科爾達(dá)拉河源頭的31號(hào)冰川，河流水網(wǎng)發(fā)育呈樹狀水系，源頭支流有博爾闊拉、阿爾塔斯特、阿爾夏特、達(dá)奴溝、霍加合買提達(dá)拉，鐵熱克特薩伊等，中段支流有溫泉、大小白楊溝、柳樹溝等山泉、溪流，至杰勒達(dá)坂山口與大南溝尾水匯合，然后從瑪依托別(紅山頭)山口流出，在開闊的河床內(nèi)漫流至南五宮分五股散流，即頭道河子、二道河子、三道河子、四道河子、五道河子，最后消失在沖積扇緣以下地區(qū)或匯入瑪納斯河干流。干流全長(zhǎng)120km，河床比降5‰～33‰，多年平均徑流量3.49×108m3(紅山頭站)。

1.2金溝河流域懸移質(zhì)輸沙量特性分析

金溝河是新疆天山北坡泥沙含量最大的河流之一，其泥沙含量?jī)H次于鄰近的巴音溝河，與奎屯河泥沙含量相當(dāng)，也是目前新疆河流引水比較高的河流之一。由于金溝河渠首以上沒有控制性水利工程，泥沙淤積給引水樞紐、輸水渠道等水利工程操作運(yùn)行帶來了諸多的不便，該水系的河流來沙對(duì)水利工程的危害是新疆罕見的。

通過對(duì)金溝河八家戶水文站懸移質(zhì)輸沙量分析計(jì)算，八家戶水文站實(shí)測(cè)多年平均含沙量為2.02kg/m3，歷年實(shí)測(cè)最大含沙量為28.2kg/ m3，發(fā)生于1999年8月2日。最大年輸沙量是1999年的224×104t，最小年輸沙量是1993年的17.7×104t，最大年與最小年比值為12.7；歷年最大日輸沙量為35.4×104t，發(fā)生在1999年8月2日，占全年輸沙量的15.7%；八家戶水文站多年平均輸沙模數(shù)為500t/km2。金溝河八家戶水文站懸移質(zhì)輸沙量多年平均年內(nèi)分配見表1。

表1 金溝河八家戶水文站懸移質(zhì)輸沙量多年平均年內(nèi)分配

2 漏斗及渦管螺旋流排沙

2.1渦管螺旋流排沙原理

在干渠的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)埋設(shè)一上部開口的渦管，渦管的方向可以垂直于渠道水流方向，也可與水流方向成某一角度，渠中水流沿切向進(jìn)入渦管而產(chǎn)生沖擊動(dòng)量，此動(dòng)量對(duì)渦管中心的動(dòng)量矩使渦管產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。結(jié)合渦管內(nèi)的縱向流動(dòng)，形成渦管螺旋流，推移質(zhì)泥沙在重力作用下進(jìn)入渦管中，渦管中的水流狀態(tài)猶如底欄柵廊道中或側(cè)槽溢洪中的水流現(xiàn)象，不僅旋轉(zhuǎn)強(qiáng)，且脈動(dòng)強(qiáng)烈，可卷帶大量泥沙，泥沙沿排沙渠道中排出，從而達(dá)到排沙效果。

2.2渦管截沙率

單位時(shí)間內(nèi)落入渦管的泥沙數(shù)量與G1與上游渠道輸沙率G之比，稱為渦管的截沙率，以百分?jǐn)?shù)表示，即E=(G1/G) ×100%。推移質(zhì)泥沙顆粒進(jìn)入渦管的條件是渦管開口寬度b必須大于泥沙粒徑d，即b/d＞1。推移質(zhì)泥沙常常是以跳躍狀態(tài)運(yùn)動(dòng)的，即使泥沙顆粒小于渦管的開口寬度，泥沙被渦管截獲的概率也將大為減少，當(dāng)然渦管開口寬度不一定要大于躍移質(zhì)的步長(zhǎng)，只要求泥沙顆粒有較多機(jī)會(huì)落入渦管。

渦管不僅可以排除推移質(zhì)中的泥沙，而且可以排除懸移質(zhì)中顆粒較粗的部分，懸移質(zhì)中顆粒較細(xì)的部分將被水流帶往下游。

高血壓是心血管疾病的一種,其主要的特征為動(dòng)脈血壓水平升高,已經(jīng)是對(duì)人們健康造成威脅的主要疾病之一。大量研究顯示,對(duì)高血壓患者的血壓水平進(jìn)行控制,可以減少患者出現(xiàn)腎臟衰竭、心肌梗死、心力衰竭、腦中風(fēng)等的幾率[3]。

2.3漏斗排沙的工作原理

排沙漏斗的水沙分離主要是充分利用了三維立軸型螺旋流的特性。含沙水流經(jīng)漏斗人流管道沿漏斗園周壁切向進(jìn)入漏斗室后，受其邊界的約束就必然產(chǎn)生一強(qiáng)度較高的環(huán)流，此水流又同時(shí)受到置于漏斗室內(nèi)的水平懸板和調(diào)流墩等調(diào)流裝置作用而引發(fā)多種形式的副流；在漏斗中心由于輸沙底孔的存在而產(chǎn)生一自由渦，上述環(huán)流、多種副流和中心自由渦的耦合，便形成一穩(wěn)定的、具有中心空氣漏斗的三維立軸型螺旋流，在中心空氣漏斗周圍存在高速垂向流速，對(duì)于推移質(zhì)泥沙．便由于這種三維螺旋水流和重力的共同作用被迅速帶向漏斗中心底孔，繼而被空氣漏斗周圍存在的高速垂向流速帶入底孔經(jīng)輸沙廊道送走；若需要分離的泥沙為懸移質(zhì)泥沙，就要調(diào)整漏斗室內(nèi)的流場(chǎng)強(qiáng)度，使懸移狀泥沙轉(zhuǎn)化為推移質(zhì)，其泥沙是要在室內(nèi)隨螺旋水流運(yùn)動(dòng)數(shù)圈后逐漸進(jìn)入輸沙底孔。簡(jiǎn)言之，含沙水流切向進(jìn)入漏斗后，受室的邊壁約束和調(diào)流裝置的影響產(chǎn)生的強(qiáng)迫渦與室中心的自由渦相耦合，形成一穩(wěn)定的三維螺旋流將水沙分離。

3 排沙漏斗及渦管排沙原型水文測(cè)驗(yàn)

2007年5月至8月，新疆水利廳金溝河流域管理處委托石河子水文水資源勘測(cè)局對(duì)金溝河引水樞紐引水渠排沙漏斗及渦管排沙進(jìn)行原型水測(cè)驗(yàn)，并要求對(duì)排沙工程進(jìn)行水文評(píng)價(jià)。金溝河渠首漏斗及渦管排沙工程示意圖見圖1。

圖1 金溝河渠首漏斗及渦管排沙工程示意圖

3.1原型觀測(cè)水文測(cè)驗(yàn)內(nèi)容

（1）測(cè)定排沙漏斗與渦管工程在不同流量下的耗水流量及耗水率。

（2）分別測(cè)定排沙漏斗和排沙渦管工程在不同時(shí)段不同來水情況下的截沙率及排出和排出后進(jìn)入引水渠的泥沙級(jí)配組成。確定各有害粒徑組的排除率，尤其是0.1～0.25mm和1.0mm粒徑組的排除率。

3.2原型觀測(cè)水文測(cè)驗(yàn)結(jié)果

關(guān)于排沙渦管及漏斗開啟天數(shù)及耗水率分別見表2和表3

表2 溝河引水樞紐引水渠排沙渦管及漏斗開啟天數(shù)統(tǒng)計(jì)

表3 金溝河引水樞紐引水渠排沙渦管及漏斗排沙耗水率

1#、3#、4#渦管和排沙漏斗的平均耗水率為4.53%，低于規(guī)定耗水率5%的標(biāo)準(zhǔn)。

表4 金溝河引水渠泥沙顆粒組成

表5 金溝河引水樞紐干渠、漏斗及渦管時(shí)段懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)成果表

測(cè)驗(yàn)成果顯示，2007年5～8月，引水樞紐引水渠經(jīng)渦管和排沙漏斗處理，通過排沙渦管排除懸移質(zhì)泥沙2.851×104t，通過排沙漏斗排除懸移質(zhì)泥沙6.801×104t，渦管和漏斗排除懸移質(zhì)泥沙總量為9.652×104t，其中渦管懸移質(zhì)泥沙排沙率為29.5%，漏斗推移質(zhì)泥沙排沙率為70.5%。

表6 金溝河引水樞紐干渠、漏斗及渦管時(shí)段推移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)成果表

測(cè)驗(yàn)成果顯示，2007年5～8月，引水樞紐引水渠經(jīng)渦管和排沙漏斗處理，通過排沙渦管排除推移質(zhì)泥沙0.285×104t，通過排沙漏斗排除推移質(zhì)泥沙0.356×104t，渦管和漏斗排除推移質(zhì)泥沙總量為0.641×104t，其中渦管推移質(zhì)泥沙排沙率為44.5%，漏斗推移質(zhì)泥沙排沙率為55.5%。

4 排沙漏斗及渦管原型排沙能力評(píng)價(jià)

（1）排沙平均耗水量占引水渠引進(jìn)水量的4.51%，符合原設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)中排沙耗水率為總引進(jìn)水量的5%。

（2）大于1.0mm以上推移質(zhì)泥沙其截沙率100%。

（3）排沙漏斗及渦管時(shí)段平均截沙率為36.1%。其中懸移質(zhì)泥沙漏斗排出率為70.5%，渦管排出20.5%；推移質(zhì)泥沙漏斗排出55.5%，渦管排出44.5%。

（4）排沙漏斗對(duì)粒徑為0.1～0.25mm懸移質(zhì)泥沙的排除率為55.9%，對(duì)粒徑為0.25～0.5mm懸移質(zhì)泥沙的排除率為70.5%，對(duì)粒徑為0.5～1.0mm懸移質(zhì)泥沙的排除率為75.8%，對(duì)粒徑大于1.0mm懸移質(zhì)泥沙的排除率為100%。

5 推廣與應(yīng)用前景

新疆北部山溪性河流大多為多沙河流，河流所在地已成為新疆北坡經(jīng)濟(jì)帶，是新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的區(qū)域，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源短缺的矛盾將更加突出，天山北坡經(jīng)濟(jì)帶有中型以上河流幾十條，東起昌吉，西至博州。這些河流的引水樞紐工程大都建在出山口處，地質(zhì)構(gòu)造、產(chǎn)沙區(qū)、水資源在時(shí)空分布上基本相同，普遍存在泥沙淤積問題，有些還比較突出。基于金溝河渦管和排沙漏斗排沙系統(tǒng)應(yīng)用的成果，只要河流具備一定的地形條件，即可采用該系統(tǒng)有效排沙，發(fā)揮引水工程的最大效益，提高引用水量、水資源的利用效率，解決水資源短缺的矛盾，給灌區(qū)和管理單位帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，因此該技術(shù)在多沙河流處理泥沙方面應(yīng)用前景十分廣闊。

1 周著，侯杰，邱秀云等.漏斗式全沙排沙技術(shù)研究與應(yīng)用.中國(guó)三峽建設(shè)，2004(5)：55-56.

2 張開泉，劉煥芳.渠道上的渦管排沙工程.四川水利，1998，(2)：19-22.

3 劉雙喜，段新虹.金溝河引水渠三級(jí)排沙系統(tǒng)泥沙處理效果分析.人民長(zhǎng)江，2009年第40卷第3期：27-28，35.

4 曹民雄，龍杰.渦管螺懸流排沙技術(shù)及應(yīng)用.水利水運(yùn)科學(xué)研究，1997年第4期：386-394.

TV149

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1672-2469(2014)06-0079-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.06.026

俞健（1969年—），男，工程師。