漏斗式全沙排沙技術(shù)研究與應(yīng)用

周　著等

摘要：漏斗式全沙排沙技術(shù)簡稱“排沙漏斗”，是經(jīng)過10余年系列模型試驗(yàn)及原型觀測獲得成功的。其成果于1998年通過新疆維吾爾自治區(qū)科委組織的國內(nèi)專家鑒定，成果屬國際先進(jìn)水平。對粒徑大于0.5mm的粗沙直至數(shù)十厘米的卵石可100%排除，對粒徑0.5～0.05mm的細(xì)沙其排除率達(dá)90%以上，排沙耗水量平均僅占引水量的3%-5%。該成果于1995年列為新疆維吾爾自治區(qū)科技新項(xiàng)目，獲國家發(fā)明專利(專利號96114757.1)，榮獲2001年國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和1998年度新疆維吾爾自治區(qū)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，現(xiàn)已簽約擬建54項(xiàng)(含四川、湖南、遼寧、陜西和浙江等省10項(xiàng))，其中32項(xiàng)已投產(chǎn)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：排沙漏斗；模型試驗(yàn)；清水流場；渾水流場

中圖分類號：S27文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1前言

泥沙問題是世界普遍關(guān)注的大問題，解決河渠泥沙災(zāi)害，是水利工作者們多年來的攻關(guān)難題。在新疆，水資源貧乏，河流又都屬于山溪性河流，河水含沙量大，引水就得防沙。我國西北與西南等許多地區(qū)的河流沙害問題亦類似。過去解決灌溉和引水發(fā)電等的沙害問題，主要采用由原蘇聯(lián)引人的曲線型沉沙池和廂型沉沙池等排沙設(shè)施，可這些設(shè)施只能排除引水中的小部分來沙，但排沙耗水量卻要占到引水量的30%左右，這樣大的排沙耗水量在新疆難以使用，致使沙害日趨嚴(yán)重。本技術(shù)與它們相比較，每處理l0m3/s的含沙水流，每年就可以節(jié)省2000多萬立方米的沖沙水量，相當(dāng)于一座中型水庫的蓄水量。特別是該技術(shù)于1995年開始大量成功地使河渠水用于噴、滴灌工程，解決了噴、滴灌水源過去主要靠抽取地下水而難以大量推廣的問題。河流中的泥沙有著危害和可以利用兩方面的作用。一般來說是害大于利，那我們首先就談它的危害，新疆河流多系山溪性河流，洪水期水流含沙量高達(dá)7-14kg/m3，一般為1-5kg/m3，推移質(zhì)約占懸移質(zhì)泥沙的8%-15%左右。引水就必須防沙，自50年代以來，先后引入印度式、原蘇聯(lián)的費(fèi)爾干式、底欄柵式及分層式等多種型式的引水防沙渠首。同時(shí)加設(shè)二級泥沙處理設(shè)施曲線型沉沙池和廂型沉沙池等。這些型式的防沙設(shè)施的截沙率約為40%左右；但要耗約30%的渠道引水量沖沙，致使這些設(shè)施90%以上都擱置不用或已報(bào)廢。然而這些設(shè)施在早期對新疆工農(nóng)業(yè)的發(fā)展都起了積極作用。隨著生產(chǎn)的迅速發(fā)展，河道的引水比不斷增高(一般在70%以上，甚至高達(dá)100%)，渠道進(jìn)沙量也急劇增加，而沖沙水量卻日趨于貧乏，入渠泥沙的危害更加嚴(yán)重。如新疆輪臺(tái)縣迪那河干渠干砌卵石渠道，建成后運(yùn)行僅2年，渠道卵石被磨掉15-20cm，設(shè)計(jì)引水量為40m3/s的渠道引水量還達(dá)不到20m3/s；喀什地區(qū)疏勒縣躍進(jìn)干渠，入渠泥沙為顆粒小于lmm的細(xì)沙，水流含沙量達(dá)6.7kg/m3，干渠至農(nóng)渠的年平均淤沙約30萬m3，年均投入渠道清淤勞力15萬個(gè)，成為灌區(qū)第一大災(zāi)害；泥沙對電站的危害在新疆600多座引水式電站中都不同程度地存在，有些電站還非常嚴(yán)重，如新疆克孜河上的喀什一級電站的10臺(tái)水輪機(jī)、石河子紅山嘴電廠的13臺(tái)水輪機(jī)，經(jīng)過一個(gè)汛期就得全部更換或者大修，壓力鋼管壁磨損僅剩2mm厚。在新疆境外其它地區(qū)，黃河的沙害是眾所周知，它上游支流涇河涇惠引水渠，現(xiàn)在每年汛期因泥沙危害有20～30天不能引水，造成的灌區(qū)損失非常嚴(yán)重；遼河主要支流柳河，1975年在其河上建成一抽水站，首次抽水就將灌區(qū)渠道全部淤死，后再一次都沒用而就報(bào)廢。因此，生產(chǎn)上急待解決的問題迫使我們盡快研究出一種分離泥沙效果好、同時(shí)耗水量又小的新型泥沙分離技術(shù)設(shè)施。另外，從河流泥沙的興利方面來說，若能按其用途將泥沙有效地分離出來，作為建筑、淤地和筑堤等材料，也希望我們盡快研究出這種泥沙分離新技術(shù)設(shè)施。

1983年我們開始潛心致力于這一世界性泥沙難題的研究。通過新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)技術(shù)開發(fā)(含攻關(guān))項(xiàng)目《懸沙排沙漏斗研究》的立項(xiàng)研究，并在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《漏斗渦流特性及其輸沙機(jī)理的研究》、水利部配合世行貸款子項(xiàng)目《渠道螺旋流排沙模型試驗(yàn)》、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目《漏斗渦流紊動(dòng)結(jié)構(gòu)研究》等眾多重要項(xiàng)目支持下，通過系列模型試驗(yàn)的分析研究和大量原型工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，終于獲得了既可分離推移質(zhì)泥沙又可分離懸移質(zhì)泥沙、取名為《漏斗式全沙排沙技術(shù)》(簡稱“排沙漏斗”)的最新技術(shù)設(shè)施。該成果于1995年被列為新疆維吾爾自治區(qū)科技興新項(xiàng)目，1996年獲國家發(fā)明專利(專利號為96114757.1)，1998年經(jīng)新疆維吾爾自治區(qū)科技廳組織國內(nèi)專家鑒定為國際先進(jìn)水平，榮獲2001年國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和1998年新疆維吾爾自治區(qū)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

該漏斗式全沙排沙技術(shù)設(shè)施的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)為：

(1)處理流量范圍不限(實(shí)際應(yīng)用已達(dá)0.02m3/s～65m3/s)。

(2)對粒徑大于0.5mm的泥沙甚至數(shù)十厘米的卵石可100%分離，對粒徑為0.5-0.05mm的泥沙可分離出90%以上，對粒徑為0.05～0.025mm的泥沙在實(shí)際工程中的分離率已平均達(dá)78.8%。

(3)隨泥沙一起分離出的水量平均僅占總引水量的3%～5%。

(4)漏斗人口前的水頭大于0.2m即可，用于已建成的水電站可不降低原發(fā)電水頭。

(5)可以在渠道設(shè)計(jì)流量的變幅達(dá)80%的范圍內(nèi)正常工作。

該泥沙排沙技術(shù)所具有的突出特點(diǎn)是：按工程要求排除不同粒徑級泥沙的效率、處理含沙水流的范圍和排沙耗水率等重要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前國內(nèi)外其它所有排沙設(shè)施，工程結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，運(yùn)行管理方便且基本上不耗運(yùn)行費(fèi)用，工作穩(wěn)定可靠。

2 排沙漏斗主要結(jié)構(gòu)

排沙漏斗主要結(jié)構(gòu)包括與上游引水道的連接段、漏斗入流有壓管道、漏斗室(含調(diào)流裝置)，漏斗中心輸沙底孔和后接輸沙廊道和漏斗溢流側(cè)槽等。關(guān)于上述各部分結(jié)構(gòu)的主要作用以及在設(shè)計(jì)布置上的要求是：

(1)與上游引水道的連接段是將需要處理的含沙水流順暢地導(dǎo)入漏斗進(jìn)流管道，該連接段軸線的走向就是漏斗入流管道的走向；其軸線與引水道縱軸線的夾角為10o～30o，連接段的頂部允許溢流或者不濫流，若要求分離的泥沙為推移質(zhì)泥沙或者是懸移質(zhì)中的粗顆粒部分時(shí)，僅將含這部分粗顆粒泥沙的水流導(dǎo)入漏斗人流管道，其余含有不要處理的懸沙水流可通過連接段頂邪直接溢入下游原渠道：若要求處理的泥沙包括懸移質(zhì)中的較細(xì)顆粒泥沙則連接段頂部不允許溢流，讓引水道中的含沙水流全部進(jìn)入漏斗入流管道。

(2)漏斗人流有壓管道呈矩形，管內(nèi)含沙水流呈有壓流，要求水流以適當(dāng)?shù)牧魉俳?jīng)此管道進(jìn)入漏斗室，對其寬、高尺寸均有嚴(yán)格要求，這種要求主要由人流量的大小、以及漏斗直徑的大小等綜合因素決定，管道內(nèi)的一側(cè)內(nèi)壁與漏斗室內(nèi)的園周直壁相切，使由管道進(jìn)入漏斗室的水流首先靠近室的周壁旋轉(zhuǎn)流動(dòng)進(jìn)而形成螺旋流。

(3)漏斗室包括園周形直壁、錐形室底、水平懸板和懸板末端下部的調(diào)流墩。園周形直壁、水平懸板和懸板末端下部的調(diào)流墩三者的主要作用是共同約束與調(diào)控進(jìn)人漏斗室內(nèi)的含沙水流，使水流在其室內(nèi)形成具有強(qiáng)烈的水沙分離作用的立軸型三維螺旋流。懸板的外緣長等于漏斗的半周長，寬度與漏斗的直徑成正比變化。調(diào)流墩高度與人流管道高度相同，寬度與懸板的寬度成正比變化。漏斗室的直徑大小由人室流量及泥沙粒徑大小等因素決定．它隨流量的增大而增大，隨泥沙粒徑的增大而減小，而一定直徑的漏斗可適應(yīng)流量的變幅達(dá)80%。錐形室底的底坡與要求分離出的泥沙粒徑大小及室內(nèi)水流含沙濃度有關(guān)，泥沙粒徑粗與水流含沙濃度低、其坡度可緩些；泥沙粒徑細(xì)與泥沙濃度高則坡度應(yīng)陡些，其坡度一般為1:1～l:50。

(4)漏斗中心輸沙底孔的孔徑是可變的，通過孔徑的調(diào)控，可控制輸沙的耗水量和改變漏斗室內(nèi)的流場強(qiáng)度，以有利于不同粒徑與不同濃度的泥沙的分離，分離出的泥沙亦通過它進(jìn)入下游輸沙廊道，它是輸送高沙量或大顆粒泥沙的通道，故要特別注意輸沙道的坡度必須滿足水力輸沙的條件要求，若地形條件滿足不了輸沙道的坡度要求，則可將底孔出來的泥沙送人一定深度的集沙井，再從井中將泥沙抽走。

(5)漏斗溢流側(cè)槽是漏斗室內(nèi)分離了泥沙過后的“清水”通過它進(jìn)入原引水道，它的設(shè)計(jì)按—般明槽考慮，但應(yīng)注意槽內(nèi)水位不要超過漏斗懸板頂部。

3 漏斗排沙的工作原理及實(shí)驗(yàn)研究

3.1 泥沙對排沙漏斗流場的影響分析

排沙漏斗的水沙分離主要足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。

為進(jìn)一步從理論上探明漏斗內(nèi)水沙分離原理，我們對排沙漏斗進(jìn)行了清、渾水流場的測試與分析：通過清、渾水流場的測試比較，發(fā)現(xiàn)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)律兩者基本上一致：只是泥沙對于切向流速沿軸向分布和徑向流速沿徑向的分布規(guī)律上的影響較明顯。在渾水情況下．內(nèi)區(qū)的切向流速沿軸向的分布比清水時(shí)更均勻，隨半徑的增大二者漸趨于一致，這說明漏斗螺旋流的作用使泥沙集中于漏斗中心．其水流的含沙濃度很高。泥沙對徑向流速沿徑向分布的影響主要表現(xiàn)在漏斗宰的底部，這說明漏斗螺旋流的作用使泥沙集中于底部．這就證實(shí)了排沙漏斗內(nèi)的螺旋流有使泥沙下沉和向漏斗中心輸移的水流特性，因此排沙漏斗具有很好的排沙效果。

3.2 排沙漏斗模型輸沙試驗(yàn)

先后對排沙漏斗進(jìn)行了漏斗室直徑為50cm、80cm、120cm、150cm及240cm的系列輸沙模型試驗(yàn)，模型比尺分別為l:1、1:4、l:8、1:15、1:25和l:30模型沙采用天然沙，其顆粒粒徑分別為0.05mm、0.07mm、0.10mm、0.125mm、0.15mm、0.18mm、0.25mm的細(xì)沙，以及1.00mm、2.00mm、3.00mm和10.00mm的中粗沙，模型流量為0.001-0.040m3/s。

模型放水的輸沙結(jié)果為：相應(yīng)于原型泥沙粒徑為lmm以上的粗沙的排除率為100%；lmm以下的細(xì)沙的排除率平均約90%。同時(shí)測得漏斗底孔排沙耗水量為渠道引水量的1.12%-5.03%。

3.3 細(xì)顆粒泥沙的截沙率試驗(yàn)

為解決排沙漏斗對高濃度條件下的細(xì)顆粒泥沙的排除問題，專門進(jìn)行了粒徑小于0.1mm的細(xì)顆粒泥沙模型試驗(yàn)。模型試驗(yàn)漏斗室直徑為3.5m，錐度l:10，設(shè)置懸板和調(diào)流墩；模型試驗(yàn)中采用天然黃土為模型沙，由自循環(huán)渾水系統(tǒng)模型試驗(yàn)完成。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在高濃度條件下，0.025mm以下的極細(xì)顆粒泥沙占67%時(shí)的總的截沙率平均達(dá)79.74%，說明排沙漏斗對細(xì)顆粒的懸移質(zhì)泥沙的處理也非常有效。