水利工程論文-水利工程定期沖洗式沉沙池泄空沖洗計算.doc

水利工程論文-水利工程定期沖洗式沉沙池泄空沖洗計算摘要：水利工程定期沖洗沉沙池，一般為雙室或多室交替運(yùn)行，當(dāng)其中某池室的沉沙容積淤滿，出池含沙量達(dá)不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)停止該室沉沙運(yùn)行，及時沖洗。泄空沖洗是定期沖洗式沉沙池的一種特殊沖洗方式。一般情況下，沉沙池停止淤積運(yùn)行之初，池內(nèi)尚存有一定數(shù)量的水體，如及時開啟沖沙閘泄空，可利用這部分水體挾帶池內(nèi)尚未充分濃縮固結(jié)的泥沙出池。大禹渡等沉沙池泄空沖洗原型觀測和模型試驗排沙效果表明，沉沙池泄空沖洗不僅沖洗效果好，而且可節(jié)省沖洗水量。驗證結(jié)果表明，由水沙平衡條件給出的式(5)和式(6)分別用于計算與本文類似條件的沉沙池泄空沖洗排沙量及沖洗歷時是合理的。泄空沖洗計算關(guān)鍵是合理選擇平均排沙含量Scp及可泄空排出的淤積泥沙干密度s。關(guān)鍵詞：沉沙池定期沖洗泄空沖洗原型觀測模型試驗1問題的提出水利工程定期沖洗式沉沙池，一般為雙室或多室交替運(yùn)行，當(dāng)其中某池室的沉沙容積淤滿，出池含沙量達(dá)不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)停止該池室的沉沙運(yùn)行，及時沖洗，并同時啟用已沖洗完的另一池室運(yùn)行。沉沙池工作段的沖洗具有沖洗歷時長，耗水量大的特點(diǎn)。處理高含沙量水流的雙室或多室沉沙池，其單室沖洗歷時必須小于沉沙運(yùn)行歷時，才能滿足正常供水要求。所以，沖洗效率直接關(guān)系到沉沙池的布置，以及引渠設(shè)計流量。當(dāng)沉沙池為泵站供水時，由于沖洗效率受沖洗流量制約，沖洗流量又影響到泵站裝機(jī)容量、機(jī)組選型和布置，以及耗水費(fèi)用等。在處理高含沙量水流的沉沙池設(shè)計中，上述問題十分突出，故研究沖洗效率是工程設(shè)計中的一個現(xiàn)實(shí)問題。泄空沖洗是水利工程定期沖洗式沉沙池的一種特殊沖洗方式。一般情況下，沉沙池停止淤積運(yùn)行之初，池內(nèi)尚存有一定數(shù)量的水體，如及時開啟沖沙閘泄空，可利用這部分水體挾帶池內(nèi)尚未充分濃縮固結(jié)的泥沙出池，此過程稱之為沉沙池泄空沖洗。大禹渡、陽武河、禹門口等沉沙池泄空沖洗原型觀測和模型試驗排沙效果證明，沉沙池泄空沖洗不僅沖洗效果好，而且可節(jié)省一定的沖洗水量。當(dāng)前已有一些關(guān)于水庫泄空排沙的研究成果，但對水利工程定期沖洗式沉沙池的泄空沖洗尚缺研究。為解決工程設(shè)計中的應(yīng)用問題，作者以沉沙池原型觀測資料為依據(jù)，并結(jié)合模型試驗成果對定期沖洗式沉沙池泄空沖洗計算進(jìn)行了分析研究。2沉沙池淤積形態(tài)和沖洗過程沉沙運(yùn)行時，渾水進(jìn)入沉沙池后，隨著過流斷面沿程擴(kuò)大，流速沿程遞減，粗粒泥沙逐漸沉落，首端淤積三角洲形態(tài)逐漸形成，頂坡較緩，前坡較陡，洲面逐漸向下游推進(jìn)。前坡慢慢調(diào)平，直到沉沙容積淤滿。據(jù)陽武河和大禹渡沉沙池原型觀測，汛期淤積洲面平均坡降分別為0.0029和0.0015，陽武河非汛期洲面坡降為0.0016。據(jù)多室(廂)交替運(yùn)行實(shí)踐，當(dāng)池室的沉沙容積淤滿時，應(yīng)及時關(guān)閉其進(jìn)口閘門，停止供水，開啟沖沙閘門進(jìn)行沖洗。沉沙池原型觀測，模型試驗以及運(yùn)行實(shí)踐表明，沉沙池沖洗過程一般可分為泄空沖洗、溯源沖洗和沿程沖洗三個階段。沖沙閘開啟后，池內(nèi)部分尚未充分濃縮固結(jié)的泥沙被泄空水流挾帶出池的過程為泄空沖洗階段。泄空沖洗結(jié)束后，及時開啟進(jìn)口閘門，逐廂引水沖洗。沖洗過程中，前坡產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷，并逐漸向上游發(fā)展，直到前后坡統(tǒng)一形成一個坡降，此過程稱為溯源沖刷階段。當(dāng)前后坡的坡度統(tǒng)一后出現(xiàn)由上至下的沖刷，此過程稱沿程沖洗階段，沿程沖洗歷時較長，沖冼效率低于前兩個階段。一般當(dāng)淤積物沖洗去95%左右，沖洗過程可終止，并按運(yùn)行要求調(diào)度各閘門啟閉。3泄空沖洗3.1泄空沖洗特點(diǎn)和效果當(dāng)沉沙池工作段的沉沙容積淤滿，剛剛停止沉沙運(yùn)行、池內(nèi)部分泥沙尚未充分濃縮固結(jié)時，及時打開沖沙閘門，利用池內(nèi)水位快速下降而使部分淤積泥沙被沖刷下泄，就沉沙池而言，此過程稱泄空沖洗。泄空沖洗的特點(diǎn)是發(fā)展速度快、強(qiáng)度大，可在較短時間內(nèi)將池內(nèi)部分淤積干密度較小的泥沙排出池外。泄空過程中，排沙含沙量一般是由小變大，即開始泄空時，出池含沙量較小，隨著沖刷的發(fā)展，出池含沙量逐漸增大，當(dāng)水位接近淤沙面時(此過程中，泥沙淤積面也不斷發(fā)生變化，并形成新的洲面)，沖刷發(fā)展更加劇烈。圖1和圖2分別為1992年由大禹渡沉沙池原型觀測所得到的沉沙池泄空沖洗淤積面變化和含沙量及泄空流量變化過程線。陽武河沉沙池和禹門口沉沙池的觀測也表明類似的過程。圖1大禹渡沉沙池實(shí)測泄空沖洗淤積面變化(1992.9.9)MeasuredsedimentationprofilevariationwithemptyingflushinDayudusettlingbasin圖2大禹渡沉沙池泄空沖洗排沙含沙量、流量過程線(原型觀測時間1992.9.9)HydrographsofflowandsedimentconcentrationduringtheperiodofemptyingflushinDayudusettlingbasin沉沙池泄空沖洗的效果與淤積泥沙的物理特性有關(guān)。原型觀測及模型試驗資料表明，在淤沙尚未充分固結(jié)、干密度較小(這部分泥沙大多集中在池末端)，及時利用池內(nèi)蓄水量泄空排沙，排沙效果非常顯著。據(jù)大禹渡、禹門口、陽武河等沉沙池原型觀測和模型試驗資料統(tǒng)計，沉沙池泄空沖洗過程中，平均排沙含量達(dá)200500kg/m3，最高排沙含沙量可達(dá)7001000kg/m3以上，可排出的沙量約占總淤積量的25%50%，可見排沙效果顯著。表1為大禹渡、陽武河、禹門口等沉沙池泄空沖洗原型觀測和模型試驗排沙效果的統(tǒng)計結(jié)果。表中陽武河沉沙池的排沙效果不明顯，可能是由于淤積后放置一段時間才沖洗的原因。表1各沉沙池泄空沖洗排沙效果統(tǒng)計Sedimentdischargeeffectofemptyingflushinthesettlingbasins沉沙池名稱觀測條件池內(nèi)總淤積量VZ(m3)泄空排沙量VC(m3)排沙量效果VC/VZ(%)觀測時間大禹渡原型觀測(1)11050687862.21992.9.9大禹渡原型觀測(2)10046665966.31992.9.26陽武河原型觀測200010051982.6.4禹門口模型試驗(1)252073929.31983.10禹門口模型試驗(2)244776031.11985.69禹門口模型試驗(3)217568031.31986.69禹門口模型試驗(4)239575531.51988.79注：禹門口沉沙池模型試驗均為單廂試驗3.2泄空沖洗計算3.2.1水力學(xué)計算沉沙池泄空沖洗過程中，其泄空流量主要通過調(diào)節(jié)沖沙閘門開度來控制，閘門開度的選擇應(yīng)滿足最大下泄流量不大于閘后排沙廊道設(shè)計過流能力的要求。當(dāng)閘門開度一定時，泄空流量的大小與閘前水頭大小有關(guān)，泄空開始時的流量較大，隨著池內(nèi)水位不斷下降，泄空流量逐漸減小，并由閘孔出流過渡到堰流，此時，即可認(rèn)為泄空沖洗基本結(jié)束。當(dāng)閘門開度一定時，泄空流量可按閘孔出流計算，即(1)式中e為閘門開啟高度(m)；b為單孔閘凈寬(m)；n為閘孔孔數(shù)，一般n=1；H0為包括行近流速水頭的閘前水頭(m)；為垂直收縮系數(shù)；為閘孔自由出流的流量系數(shù)；s淹沒系數(shù)。泄空過程中各時段平均流量可近似按下式計算，即Qcpj=Qi+Qi+1/2(2)式中Qcpj為j時段平均流量(m3/s)；Qi為由式(1)計算的泄空過程j時段初流量(m3/s)；Qi+1(1)計算的泄空過程j時段末流量(m3/s)。泄空平均流量可近似按下式計算(3)式中Qcp為沖洗過程平均流量(m3/s)；tj為j時段長(h)；n為由泄空總歷時劃分的時段數(shù)。3.2.2泄空沖洗排沙量及歷時估算(1)泄空排沙水流含沙量確定原型觀測和模型試驗資料表明，沉沙池泄空沖洗過程中的排沙含沙量是隨水位下降的沖刷強(qiáng)度變化而變化，目前尚缺理論計算方法，設(shè)計中一般是通過模型試驗或利用已建沉沙池運(yùn)行觀測資料統(tǒng)計分析來確定的。筆者根據(jù)原型觀測和模型試驗資料，采用泄空過程中沖洗流量與含沙量變化加權(quán)平均法，進(jìn)行沉沙池泄空沖洗過程平均含沙量統(tǒng)計計算，即(4)式中Scp為沖洗過程平均排沙含沙量(kg/m3)；Sj為j時段平均排沙含沙量(kg/m3)。由大禹渡、禹門口、陽武河等沉沙池3次原型觀測和4次模型試驗資料統(tǒng)計分析得到沉沙池泄空沖洗平均排沙含沙量為200500kg/m3，統(tǒng)計成果見表2。表2各沉沙池泄空沖洗平均排沙含沙量統(tǒng)計Meansedimentconcentrationdischargedbyemptyingflushinthesettlingbasins沉沙池名稱觀測條件平均排沙含沙量(kg/m3)最大排沙含沙量(kg/m3)觀測時間大禹渡原型觀測(1)5009001992.9.9大禹渡原型觀測(2)4608001992.9.26陽武河原型觀測2004001982.6.4禹門口模型試驗(1)2806701983.10禹門口模型試驗(2)2806001985.69禹門口模型試驗(3)2507001986.69禹門口模型試驗(4)2848731988.79(2)泄空排沙量和歷時計算泄空沖洗的排沙量為泄空前池內(nèi)靜水位以下水量在泄流過程中可帶出的淤沙體積。設(shè)池內(nèi)淤積洲面以上至靜水位間的水量為Vw，可帶出淤沙體積為Vc，根據(jù)平衡條件可得出泄空過程中的沙量平衡方程式(Vw+Vc)Scp=Vcs1000整理得Vc=VwScp/1000s-Scp(5)式中Vc為泄空沖洗排出的淤沙體積(m3)；s為可排出的淤積泥沙干密度(t/m3)；Scp為泄空沖洗平均排沙含沙量(kg/m3)。根據(jù)泄空過程中排出的水、沙總體積和平均泄空流量可得泄空沖洗歷時tc的計算公式tc=Vw+Vc/3600Qcp(6)式中平均流量Qcp可按式(3)計算。3.3泄空沖洗排沙量及歷時驗證計算3.3.1驗證資料用大禹渡、陽武河、禹門口等沉沙池泄空沖洗原型觀測和模型試驗資料進(jìn)行驗證。各沉沙池泄空沖洗的水沙條件見表3。表3各沉沙池泄空沖洗水沙條件Water-sandconditionforemptyingflushinthesettlingbasins沉沙池名稱及觀測條件淤積面以上水量Vw(m3)池內(nèi)總淤積量VZ(m3)排沙平均流量Qcp(m3/s)平均排沙含沙量Scp(kg/m3)觀測時間大禹渡原觀(1)5570110501.15001992.9.9大禹渡原觀(2)6560100461.84601992.9.26陽武河原觀35020001.332001982.6.4禹門口模型(1)1663252012801983.10禹門口模型(2)1653244712801985.69禹門口模型(3)1730217512501986.69禹門口模型(4)1725239522841988.793.3.2驗證計算(1)計算參數(shù)選取驗證計算的沉沙池泄空沖洗排沙含沙量Scp，對不同的沉沙池按表3所列平均排沙含沙量分別取值。原型觀測和模型試驗資料表明，沉沙池內(nèi)可在泄空沖洗過程中排出的淤積泥沙干密度一般在0.91.0t