奎屯市東郊水庫入庫沉砂池優(yōu)化設計模型試驗研究

李爽潔

(深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000)

沉砂池是沉淀挾沙水流中顆粒大于設計沉降粒徑的泥沙，降低水流中含沙量的建筑物，因此沉砂池設計[1]的合理性是其能否有效沉沙的關鍵，近年來，許多學者對此進行了研究，李濤[2]對沉砂池在工程中的適用性及相關問題進行討論并提出建議；戚印鑫等[3- 4]由物理模型試驗得到重力沉砂池水深、流速等結構參數(shù)，優(yōu)化并提高了水沙分離效率；蘇龍[5]對新疆瑪納斯河東岸沉砂池運行規(guī)律、工程建后管護等分析后得出最終水利要素和運行規(guī)律；胡勝等[6]、周士雄[7]運用FLUENT軟件對沉砂池流場進行模擬和分析；孟俊達等[8]運用CCHE軟件對重力沉砂池結構布置參數(shù)進行比選研究。本文根據(jù)沉砂池原設計尺寸，通過水工模型試驗，優(yōu)化入庫沉砂池進口段斜坡段消能方式，使其在實際工程中能更為合理的運用，為類似入庫沉砂池優(yōu)化設計的工程提供一些參考。

1 工程概況

奎屯市東郊水庫位于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州奎屯市中心以東約7km的市郊，為平原注入式水庫，承擔調蓄奎屯河干流新增分配地表水資源量，并向奎屯—獨山子經濟技術開發(fā)區(qū)企業(yè)供水的任務，工程規(guī)模屬Ⅳ等小(1)型，沉砂池為4級建筑物。

新建入庫沉砂池位于新南干渠渠首下游150m處，設計流量3.42m3/s，主要任務是為流入下游東郊水庫的水流進行沉砂處理，采用直線型機械沉砂池。沉砂池兩箱室交替運行，單箱室寬度為15m，沉砂池總長128m，進口閘室段長8m，擴散段長20m，縱坡采用1∶6.897，每個箱室擴散段布置一道導流墩；池身段總長80m，考慮日后機械清淤，底坡i=0，池身采用梯形斷面，池深3.5m，設計淤砂高度1m，末端采用溢流堰連接漸變段至下游渠道，末端漸變段及溢流堰總長20m，原設計平面布置如圖1所示。

圖1 原設計平面布置圖

2 模型試驗設計

2.1 模型設計

根據(jù)水工設計參數(shù)，確定本次模型試驗幾何比尺為1∶5，為使流入和流出沉砂池的水流流態(tài)盡可能與原型相似，以沉砂池0+000樁號為準，向上游模擬長度30m(其中：新南干渠彎道段長度10m、漸變段長度20m)；沉砂池段模擬長度128m，下游渠道7.5m；放空管模型布置鑒于試驗場地限制，布置方向與原設計不同，但管徑和縱坡不變。模型試驗總長165.5m；池寬42.3m。

沉砂池糙率比尺為n模=0.013，采用抹光混凝土進行模擬；放空管采用塑料管模擬；泥沙采用天然砂模擬。模型布置如圖2所示。

圖2 模型整體布置

2.2 測試斷面

沉砂池實際運用時采用兩箱室交替運行，由于兩箱室結構對稱，水流流態(tài)一致，本次采用左側箱室進行模型試驗，共劃分17個斷面進行測試。測試斷面布置見表1和圖3。

圖3 測試斷面布置圖

表1 測試斷面及測試內容

3 原設計試驗結果及分析

通過模型試驗驗證原設計中沉砂池的斜坡擴散段、導流墩等設計的合理性，試驗成果見圖4—6。

圖4 水流流態(tài)

根據(jù)GB 50288—2018《灌溉與排水工程設計標準》附錄D中表D.0.1-2止動幺速可知：10mm粒徑的止動幺速為1.48m/s，0.2mm粒徑的止動幺速為0.36m/s，0.1mm粒徑的止動幺速0.28m/s。

圖5 溢流堰過流流態(tài)

對沉砂池進行運行工況下(左側閘門全開，右側閘門全關)的放水試驗，通過試驗觀察和分析得出以下結論：由于擴散角度較大，造成擴散段橫向水流分布極不均勻，主流集中于右岸；雖設導流墩，但導流效果很差，左右岸流速相差較大，左岸流速很小，右岸流速很大，導流墩分隔成的2個通道均有不同程度回流，入池水流翻滾、旋流，水流擾動很大，嚴重影響泥沙沉降；沉砂池為單箱運行，理論上分析有32%以下的泥沙得不到沉淀，沉砂效果較差；溢流堰流速較均勻，水深相差不大，體型設計基本合理。

通過模型試驗可知：需對擴散段優(yōu)化設計，使水流均勻分布，盡量降低水流擾動，并依靠水流將斜坡段泥沙盡可能帶入池內。

4 優(yōu)化設計試驗結果及分析

針對斜坡擴散段流速不均勻及導流墩導流效果很差的情況，考慮在擴散段底部斜向增加消力坎，將部分右側水流挑到左側，使水流盡量平順、流速均勻，并形成穩(wěn)定水躍，現(xiàn)提出4種優(yōu)化設計。

4.1 優(yōu)化設計1

保留原設計導流墩，在斜坡段增加2道消力坎；根據(jù)試驗中斜坡段水深，初步確定坎高0.25m，坎寬0.15m，沿斜坡段通長布置；1#消力坎右側距閘后0.585m；2#消力坎右側距閘后1.6m。優(yōu)化設計1如圖7所示，試驗成果及分析如下。

圖6 原設計中測點平均流速布置

圖7 優(yōu)化設計1

4.1.1試驗成果

優(yōu)化設計1增加2道消力坎后，斜坡段的擴散水流有較大改善，流速橫向分布比原設計均勻。閘前1—4斷面流速與原設計一致；躍前斷面位于5—6斷面之間，左右岸流速相差1.5m/s；6—6斷面底流速橫向分布均勻；7—7斷面導流墩兩側水流散亂，水浪翻滾；8—8斷面最大流速Vmax=0.59m/s，流速沿程減小；進入沉砂池后的水流相對均勻，主流位于右側。

4.1.2存在問題及建議

優(yōu)化設計1水流比原設計平順，受導流墩的頂托影響，主流被分為兩股。通過試驗觀察，雖然流速較原設計有所改善，但斜坡段受導流墩阻水影響，水躍不穩(wěn)定，且導流墩兩側水流散亂、水浪翻滾，對斜坡段沖砂及沉沙有很大影響。8—8斷面Vmax=0.59m/s，9—9斷面Vmax=0.31m/s，流速大于0.1mm粒徑的止動幺速0.28m/s，為此建議將原設計導流墩拆除。

4.2 優(yōu)化設計2

在優(yōu)化設計1的基礎上拆除擴散段導流墩，1#、2#消力坎的位置、尺寸和布置不變。優(yōu)化設計2如圖8所示，試驗成果及分析如下。

圖8 優(yōu)化設計2

4.2.1試驗成果

1～5斷面流速同優(yōu)化設計1，拆除導流墩、增加2道消力坎后，在坎左側仍有小范圍雍水現(xiàn)象；擴散段流速橫向分布不均勻，躍前位于5—6斷面之間，不受導流墩頂托，躍頭位置比優(yōu)化設計1后移0.3m，左右岸流速增大且流速相差2.37m/s；斜坡擴散段主流位于右側，6—6斷面流速分布較均勻；由于擴散角度較大，7—7斷面主流偏向右側，流速分布不均勻，右側流速比左側大；8—8斷面Vmax=0.82m/s，9—9斷面Vmax=0.61m/s，10—10斷面Vmax=0.49m/s；進入沉砂池內的水流相對均勻，主流位于右側。

4.2.2存在問題及建議

根據(jù)試驗觀察，拆除導流墩后，擴散段水流明顯改善，并能形成連續(xù)水躍，無明顯水流翻滾現(xiàn)象，但6—6斷面最左側有1/4范圍流速較小，表明消力坎挑向左岸的挑流能力不夠。導流墩拆除后，雖然水流流態(tài)平穩(wěn)，水流不再翻滾，但也削弱了消能作用，8—10號斷面流速均比優(yōu)化設計1有所增大，流速遠大于0.1mm粒徑的止動幺速0.28m/s，建議繼續(xù)增加斜向消力坎，將水流挑向左岸的同時加大消能力度。

優(yōu)化設計1和優(yōu)化設計2的測點平均流速分布如圖9—10所示。

圖9 優(yōu)化設計1測點平均流速分布

4.3 優(yōu)化設計3

為加強右岸消能力度，將更多水流挑向左岸，在優(yōu)化設計2基礎上，在距閘后2.8m處的右岸增加3#消力坎，坎高0.125m，坎寬0.15m，長2.43m；1#消力坎左側坎高0.20m，右側坎高、位置和長度不變；2#消力坎右側坎高0.275m，左側坎高、位置和長度不變。優(yōu)化設計3如圖11所示，試驗成果及分析如下。

4.3.1試驗成果

1—5斷面流速同優(yōu)化設計2，在2道消力坎左側仍有小范圍的雍水現(xiàn)象；斜坡擴散段流速橫向分布較均勻，躍前位于5—6斷面之間，躍頭位置比優(yōu)化設計2后移0.27m，右岸流速減小，左岸流速增大，左右岸流速相差0.1m/s；斜坡擴散段主流位于左右兩側，中間流速偏?。?—7斷面兩側平均流速0.6m/s左右，中間平均流速僅0.20m/s左右，泥沙淤積在擴散段中部；進入池內的流速分布與7—7斷面相似，兩側大中間小，沿程流速有所減小，8—8斷面Vmax=0.48m/s，9—9斷面Vmax=0.46m/s，10—10斷面Vmax=0.34m/s，優(yōu)化設計3的測點平均流速分布如圖12所示。

圖10 優(yōu)化設計2測點平均流速分布

圖11 優(yōu)化設計方案3

圖12 優(yōu)化設計3測點平均流速分布

4.3.2存在問題及建議

通過試驗可知，1#消力坎左側坎高降低0.05m，2#消力坎右側坎高增加0.025m，右側增加3#消力坎后，池內水流挑向左側的功能增強，并起到一定消能效果；3#消力坎離水躍很近，對水躍有一定干擾，造成水流在橫向分布不均勻，流態(tài)不太穩(wěn)定，斜坡擴散段中間有泥沙淤積現(xiàn)象，池內流速仍大于0.1mm粒徑的止動幺速0.28m/s。為此建議調整消力坎高度及長度，使流速橫向分布均勻。

4.4 優(yōu)化設計4

經過反復修改和試驗，最終確定在距閘后0.585m處斜向布置1#消力坎，坎高0.25m，坎寬0.15m，長2.85m；在距閘后1.60m處斜向布置2#消力坎，坎高0.25m，坎寬0.15m，長1.50m。優(yōu)化設計4如圖13所示，試驗成果及分析如下。

圖13 優(yōu)化設計4

上游斷面1—4流速與原設計一致，擴散段增加2道消力坎后，5—5斷面流速比原設計有所減小，左岸最大流速2.88m/s，右岸最大流速2.45m/s；取消了左側消力坎后，消力坎前左側壅水現(xiàn)象消失；擴散段水流均勻，躍前位于5—6斷面之間，躍頭距閘后4.25m；6—6斷面流速橫向分布均勻，左岸流速1.45m/s，中間流速1.16m/s，右岸流速1.95m/s，中間流速略??；7—7斷面左右兩側流速大于中間流速，左側最大流速0.37m/s，中間最大流速0.22m/s，右側最大流速0.39m/s；進入沉砂池后的流速分布與7—7斷面相似，沿程流速減小，8—8斷面Vmax=0.34m/s，11—11斷面Vmax=0.25m/s，優(yōu)化設計4的水流流態(tài)及測點平均流速分布如圖14—15所示。

通過以上分析可以看出，水流流態(tài)優(yōu)于前3個優(yōu)化設計。消力坎前水流平穩(wěn)，左側壅水現(xiàn)象消失；斜坡擴散段水面橫向比降較小，流速比較均勻，并形成穩(wěn)定的水躍，如圖14所示。通過布置2道消力坎，既可將水流挑向左側，彌補擴散角過大的缺陷，使水流橫向分布均勻，又能達到消能效果；入池水流最大流速降低到0.34m/s，沉砂池內最大流速減小到0.26m/s以內，因此從理論上分析0.08mm以上的泥沙都會得到沉淀。

圖14 優(yōu)化設計4水流流態(tài)

圖15 優(yōu)化設計4測點平均流速分布

5 結論和建議

(1)沉砂池原設計中存在的主要問題是斜坡擴散段。由于擴散角度較大，造成水流橫向分布極不均勻，主流集中于右岸，池內2道導流墩的導流效果很差，使進入池內的水流翻滾、旋流，嚴重影響泥沙沉降。

(2)針對原設計擴散段消能型式進行優(yōu)化設計及試驗分析，最終確定優(yōu)化設計4為沉砂池擴散段的消能型式，該優(yōu)化設計水流分布較均勻，消能效果較好，可使入池最大流速降低到0.34m/s，池內最大流速減小到0.26m/s以內，從理論上分析，沉砂池內0.08mm以上的泥沙都能得到沉淀。本次模型試驗成果可為類似工程體型優(yōu)化方案和相關設計提供參考。