圓中環(huán)沉沙排沙池模型試驗比尺設(shè)計

□張文劍 □張 軍

（1新疆塔里木河流域阿克蘇管理局；2新疆水利水電勘測設(shè)計研究院）

0 引言

新疆河流多為山區(qū)性河流，具有含沙量量大，如阿克蘇河、和田河、葉爾羌河及克孜河等，尤其是推移質(zhì)泥沙含量較大，多采用底欄柵式及分層式等多種一級泥沙處理設(shè)施，同時布設(shè)沖沙閘槽、曲線沉沙池和廂型沉沙池等二級泥沙設(shè)施處理泥沙，這些形式的防沙設(shè)施可起到積極的防沙作用[1]。隨著社會的快速發(fā)展，河道的引水比大幅度提高，甚至達到100%。由于上述沉沙設(shè)施截沙率有限、排沙耗水率較大，仍有部分泥沙進入灌溉渠道，造成渠道淤積，每年需投入大量人力、物力、財力清淤。因此，人們對二級泥沙處理設(shè)施不斷改進和創(chuàng)新，提高其截沙率及排沙耗水率。

圓中環(huán)沉沙排沙池（以下簡稱“圓中環(huán)”）是一種治理泥沙的新型技術(shù)設(shè)施，它首次應(yīng)用于新疆呼圖壁阿葦灘渠首，重點解決了引水渠泥沙淤積問題，為石梯子鄉(xiāng)阿葦灘灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水提供保障。2006年運行至今，沉沙排沙效果良好[1-3]。

1 “圓中環(huán)”結(jié)構(gòu)形式及概況

新疆呼圖壁阿葦灘“圓中環(huán)”設(shè)計引水流量2.00m3/s。它由進水渠、進水廊道、匯流槽、沖沙槽、倒錐底坡、中心出水環(huán)、溢流堰、沖沙廊道、環(huán)流閘、沖沙閘、出水渠等建筑物組成[1-3]。外徑為32m，內(nèi)徑為30m，進水廊道2.00m×0.75m，縱坡i=2%，匯流槽寬1.00m，縱坡i=1%，沖沙槽寬3.00m，縱坡i=2.35%，倒錐底坡坡度12.7%～21.8%，中心出水環(huán)直徑D=2.00m，環(huán)流閘孔尺寸3.00m×0.75m，沖沙閘孔尺寸1.50m×1.50m。結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 （a） 原型中心出水環(huán)不加高照片圖

圖1 （b） 0～180°剖面圖

圖1 （c） 270～90°剖面圖

2 “圓中環(huán)”模型設(shè)計

“圓中環(huán)”的水工模型采用正態(tài)模型，按重力相似準則設(shè)計[4]，即幾何相似、水流運動相似和泥沙運動相似。模型比尺[5-7]如下：

（1）幾何相似：

（2）水流重力相似條件：

（3）水流阻力相似條件：

（4）水流連續(xù)相似條件：

（5）水流挾沙相似條件：

（6）泥沙懸移相似條件：

（7）泥沙起動相似條件：

式中：λL-水平比尺；λH-垂直比尺；Lp-原型長度；Lm-模型長度；λV-流速比尺；λn-糙率比尺；λQ-流量比尺；λt-水流運動時間比尺；λS-含沙量比尺；λS*-水流挾沙力比尺；λγS-泥沙的重率比尺，λγS-γ-泥沙的相對重率比尺；λW-泥沙沉速比尺；λVc-泥沙起動流速比尺；λVf-泥沙揚動流速比尺。

根據(jù)試驗供水、場地等條件，為了保證“圓中環(huán)”清水流速分布測試結(jié)果的準確性，在清水模型設(shè)計中需保證幾何相似及水流運動相似。為了確保含沙量及顆粒粒徑測試結(jié)果的正確性，在泥沙模型設(shè)計中需滿足泥沙運動相似條件。模型沙選擇是泥沙模型設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題，直接關(guān)系到泥沙模型能否正確模擬“圓中環(huán)”內(nèi)水流泥沙運動。“圓中環(huán)”內(nèi)含沙量分布、沉沙粒徑分布、排沙過程及排沙耗水率測試采用懸移質(zhì)模型設(shè)計。由于“圓中環(huán)”中的各級泥沙顆粒主要考慮沉降問題，所以在選擇懸沙粒徑比尺時，沉降相似是首要條件[6]。“圓中環(huán)”最大沉沙粒徑測試采用推移質(zhì)模型設(shè)計。推移質(zhì)模型設(shè)計按起動相似條件選沙，如果條件允許，盡可能選擇天然沙作為推移質(zhì)，這樣可使水流運動和泥沙運動時間比尺達到統(tǒng)一，提高試驗精度[8]。因此，“圓中環(huán)”懸移質(zhì)模型設(shè)計泥沙選擇天然粉沙，推移質(zhì)模型設(shè)計泥沙選擇天然中礫沙。“圓中環(huán)”模型比尺、水力要素比尺、泥沙比尺如下：

其中變率η=1，水流運動粘滯性系數(shù)比尺λV=1，λγS-γ=1。

為了滿足水流阻力相似，“圓中環(huán)”原型結(jié)構(gòu)材料為鋼筋混凝土，一般糙率為（1.40～1.70）×10-2，糙率比尺λn=1.55，相應(yīng)模型材料糙率應(yīng)為（0.90～1.10）×10-2，聚氯乙烯板糙率為9.30×10-3，與鋼筋混凝土糙率基本一致，“圓中環(huán)”模型材料采用聚氯乙烯板。

在懸移質(zhì)模型設(shè)計中，根據(jù)原型沙容重為2.65g/cm3，中值粒徑d50=0.68mm，原型沙中<0.28mm顆粒含量為11%，懸沙粒徑比尺。模型沙為天然粉沙，密度為2.62g/cm3，中值粒徑d50=0.15mm，粉沙中<7.50×10-2顆粒含量為14.60%。模型沙與原型沙粒徑級配基本一致。

在推移質(zhì)模型設(shè)計中，根據(jù)“圓中環(huán)”原型進水渠中最大沉沙粒徑為130mm，推移質(zhì)粒徑比尺λd=14。模型沙為天然中礫沙，最大粒徑為10mm，密度2.66g/cm3，中值粒徑d50=1.30mm。

2 模型驗證及分析

“圓中環(huán)”水流阻力相似通過模型溢流堰上水深與原型堰上水深進行對比驗證，且均是在清水條件下測試堰上水深。模型試驗可以較好的保證清水條件，原型試驗只能選擇在相對清水條件下進行。為此，測試原型堰上水深時，依據(jù)呼圖壁河流泥沙季節(jié)性特點，避開引水含沙量較大的月份，選擇在當(dāng)年9-10月份之間測試，該月引水含沙量較小，水流相對較清，同時減小“圓中環(huán)”內(nèi)沉沙量對水流條件的影響，保證在“圓中環(huán)”排沙結(jié)束進入正常運行后進行測試，以滿足原型與模型測試水流條件基本相同。原型測試設(shè)計引水流量Q=2.00m3/s，模型流量Q=2.727L/s，水深測試選擇4個測試點，分別為“圓中環(huán)”0，90，180，270°方向所對應(yīng)的堰上水深。對比結(jié)果如表1所示，原型堰上水深與模型水深誤差均<5%，吻合較好，可見模型與原型水流阻力相似條件基本滿足要求。

表1 溢流堰上水深對比表

“圓中環(huán)”沉沙排沙相似的驗證通過原型和模型的沉沙形態(tài)、排沙過程、淤沙形態(tài)照片資料進行對比分析。“圓中環(huán)”排沙時首先打開沖沙閘，“圓中環(huán)”內(nèi)水位下降，135～225°范圍沉沙量較大，沉沙形態(tài)相似，如圖2(a、b)所示。隨著水位不斷下降，水流均首先在90°及270°方向范圍沖沙逐漸推進至180°方向，將沉沙沖入沖沙槽并進入下游河道中，沖沙過程相似，如圖2(c、d)照片。沖沙結(jié)束后，沉沙基本排入下游河道，“圓中環(huán)”內(nèi)僅有少量淤沙位于進水廊道前段頂部，這些淤沙基本不影響“圓中環(huán)”正常安全運行，淤沙形態(tài)相似，如圖2(e、f)照片。因此“圓中環(huán)”模型的沉沙形態(tài)、排沙過程、淤沙形態(tài)基本符合原型，說明模型在懸移質(zhì)運動及泥沙沉降等方面與原型是基本相似的。

圖2 “圓中環(huán)”排沙時沉沙排沙形態(tài)圖

3 結(jié)論

“圓中環(huán)”的水工模型采用正態(tài)模型，按重力相似準則設(shè)計，經(jīng)充分論證模型比尺和科學(xué)選沙，原型堰上水深與模型水深吻合較好，模型的沉沙形態(tài)、排沙過程、淤沙形態(tài)基本符合原型。試驗結(jié)果表明，模型與原型水流阻力相似條件基本滿足要求，模型在懸移質(zhì)運動及泥沙沉降等方面與原型是基本相似的。

[1]張軍，侍克斌，高亞平，王進．圓中環(huán)沉沙排沙池渾水沉沙特性研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(13)：86－93.

[2]張軍，侍克斌，高亞平，王進．圓中環(huán)沉沙排沙池流速分布規(guī)律研究[J].水利水電科技進展，2015，35(3)：34－36.

[3]張軍，侍克斌，高亞平，王進.中心出水環(huán)高對圓中環(huán)沉沙排沙池流速分布影響研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2014(10)：113－115.

[4]劉寶星.圓中環(huán)沉沙排沙過濾池水工模型試驗研究與數(shù)值分析[D].烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.