水利工程論文-全沙排沙漏斗渾水流場(chǎng)特性及輸沙規(guī)律.doc

水利工程論文-全沙排沙漏斗渾水流場(chǎng)特性及輸沙規(guī)律摘要：本文通過(guò)全沙排沙漏斗三維流場(chǎng)的測(cè)試，分析了清、渾水流場(chǎng)流速分布特性和泥沙輸移規(guī)律，揭示了因泥沙的存在使清、渾水流場(chǎng)流速分布產(chǎn)生了較大的差異和高效輸沙的原因。關(guān)鍵詞：全沙排沙漏斗渾水流場(chǎng)泥沙模型試驗(yàn)1前言在多沙河流上引水所帶來(lái)的泥沙問(wèn)題一直是重要研究課題。通常采用沉沙池等設(shè)施對(duì)進(jìn)入引水渠道的泥沙進(jìn)行二次處理。由于沉沙池的截沙率很低，而排沙耗水率很高，一般為30%左右，甚至更高。而隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，需水量不斷增加，渠道的引水比不斷提高，一般為70%，甚至更高，沖沙水量貧乏，人們不愿耗水沖沙，沉沙池很少使用或不用，造成池內(nèi)泥沙的大量淤積，產(chǎn)生惡性循環(huán)，直至沉沙池報(bào)廢，使引水渠道的泥沙危害更為突出。全沙排沙漏斗是近年研究成功的泥沙二次處理的科研成果。它不但可以有效地處理推移質(zhì)泥沙，而且可同時(shí)處理懸移質(zhì)泥沙，與沉沙池相比，不但結(jié)構(gòu)尺寸小，而且截沙率高，對(duì)于粒徑大于0.5mm的推移質(zhì)泥沙截沙達(dá)100%，粒徑大于0.05mm的懸移質(zhì)泥沙截沙率達(dá)90%以上，而平均排沙耗水率僅為3%，是一種高效排沙節(jié)水型的最先進(jìn)的泥沙處理設(shè)施。不僅可廣泛用于灌溉、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖、工業(yè)供水和人畜飲水，還可用于挖泥船排出的泥漿脫水等領(lǐng)域。2全沙排沙漏斗的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理2.1全沙排沙漏斗的基本結(jié)構(gòu)全沙排沙漏斗一般設(shè)于渠首后的引水渠道上，其基本結(jié)果如圖1所示，主要由進(jìn)水閘、進(jìn)水涵洞、圓形漏斗室、水平懸板、調(diào)流墩、曲線形溢流堰、回水道、可調(diào)式排沙底孔和排沙廊道等結(jié)構(gòu)組成。2.2全沙排沙漏斗的工作原理全沙排沙漏斗之所以具有高效穩(wěn)定的排沙節(jié)水性能，是由其結(jié)構(gòu)型式所產(chǎn)生的水流特性決定的。進(jìn)水涵洞漏斗邊墻調(diào)流墩溢流邊墻懸板排沙底孔排沙廊道引水渠道圖1排沙漏斗結(jié)構(gòu)示意圖SketchoftheSandFunnelstructure當(dāng)具有一定動(dòng)能的含沙水流由進(jìn)水涵洞切向進(jìn)入漏斗室后，在漏斗圓形邊壁約束下促使水體產(chǎn)生一強(qiáng)迫渦，而漏斗中心排沙底孔的存在，由于重力作用使水體在底孔附近產(chǎn)生一自由渦；與此同時(shí)，因調(diào)流墩和水平懸板的調(diào)流作用產(chǎn)生多種副流。上述強(qiáng)迫渦、勢(shì)渦和多種副流耦合形成了穩(wěn)定的立軸型螺旋流。泥沙隨螺旋水流運(yùn)動(dòng)，由于推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙在水中的運(yùn)動(dòng)特性不同，沉降輸移的路徑和距離也不同，依泥沙粒徑大小先后沉降輸移至排沙底孔，由排沙廊道輸送至河道。經(jīng)漏斗分離后的清水則由曲線形溢流堰流入回水道進(jìn)入原引水渠道，從而完成水沙分離的全過(guò)程。由于空氣漏斗的存在減少了排沙底孔過(guò)水?dāng)嗝?，使沖沙水量減小。3模型試驗(yàn)裝置及測(cè)試方案3.1模型試驗(yàn)裝置模型試驗(yàn)裝置為一清、渾水自循環(huán)系統(tǒng)。全沙排沙漏斗模型結(jié)構(gòu)尺寸為：進(jìn)水涵洞寬30cm，高10cm，漏斗室直徑150cm，水平懸板中心角180，板寬30cm，漏斗徑向底坡1/10，曲線形溢流堰長(zhǎng)為漏斗室周長(zhǎng)的四分之一，在水平懸板末端設(shè)置調(diào)流墩，排沙廊道縱坡1/50。測(cè)速儀器選用天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所研制的EMV-89型電磁式流速儀，該儀器既可以測(cè)試清水流場(chǎng)流速，又可以測(cè)試渾水流場(chǎng)流速。此次流場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)，清、渾水都采用相同的流量，其值為0.026m3/s，渾水水流含沙濃度為35.8kg/m3。3.2測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置試驗(yàn)選擇8個(gè)垂直測(cè)試斷面，根據(jù)不同水深布置6個(gè)水平測(cè)試斷面，以等距離5cm布置測(cè)點(diǎn)。圖2測(cè)試斷面、測(cè)線及測(cè)點(diǎn)布置圖Layoutofthemeasuringprofile,measuringlineandmeasuringpoint測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。4全沙排沙漏斗清水流場(chǎng)特性4.1清水流場(chǎng)切向流速分布規(guī)律清水流場(chǎng)切向流速V在不同的區(qū)域其分布規(guī)律亦不同，如圖3所示。根據(jù)切向流速V沿徑向的分布特性，可將漏斗室流場(chǎng)分為兩個(gè)區(qū)域，即漏斗內(nèi)區(qū)(r0r0.6R,r0為排沙底孔半徑，r為距全沙排沙漏斗中心的距離，R為全沙排沙漏斗半徑，下同)和漏斗外區(qū)(0.6RrR)。在漏斗內(nèi)區(qū)，切向流速V與r呈指數(shù)關(guān)系，V隨r的增大而減小；在漏斗外區(qū)，切向流速V與r呈線性關(guān)系。在靠近水面及漏斗底部一定范圍內(nèi)，切向流速V沿水深方向有一流速梯度，其大小隨測(cè)線位置的不同而不同，而在中部的切向流速V沿水深基本沒(méi)有變化，在漏斗內(nèi)區(qū)這一特性更為顯著，如圖4所示。圖32斷面切向流速?gòu)较蚍植糡angentialvelocitydistributionalongradialdirectioninsection-2圖42斷面切向流速軸向分布Tangentialvelocitydistributioninverticaldirectioninsection-24.2清水流場(chǎng)徑向流速分布規(guī)律清水流場(chǎng)徑向流速Vr在不同的斷面上沿徑向的分布具有相同的趨勢(shì)，即隨著r的減小逐漸增大，在漏斗中心的排沙底孔附近達(dá)到最大值，如圖5所示，在漏斗內(nèi)區(qū)，徑向流速Vr在徑向遵循雙曲線分布規(guī)律。徑向流速Vr在漏斗內(nèi)區(qū)沿軸向趨于均勻，而在漏斗外區(qū)，徑向流速沿軸向并非均勻分布，如圖6所示。試驗(yàn)資料同時(shí)也表明，在漏斗外區(qū)，位于水平懸板末端和調(diào)流墩后附近斷面靠近漏斗邊壁的徑向流速Vr，局部出現(xiàn)了反向值，且在水深方向分布也并不均勻，說(shuō)明水平懸板末端的水流比較紊亂。而在水平懸板下面的斷面，徑向流速Vr則比較穩(wěn)定。圖56斷面徑向流速?gòu)较蚍植糝adialvelocitydistributionalongradialdirectioninsection-6圖62斷面徑向流速軸向分布Radialvelocitydistributioninverticaldirectioninsection-24.3清水流場(chǎng)軸向流速分布規(guī)律如圖7、8所示，由四川聯(lián)合大學(xué)高速水力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的清水流場(chǎng)的試驗(yàn)資料表明，軸向流速VZ(向下為正，向上為負(fù))較切向流速V和徑向流速Vr小得多，軸向流速VZ隨r的增大而減小。在漏斗區(qū)內(nèi)，軸向流速VZ隨水深的增大而增大，且方向均向下。而位于水平懸板末端和調(diào)流墩后的附近區(qū)域，各向流速分布均較紊亂，并出現(xiàn)了向上的軸向流速VZ值，這不利于泥沙的沉降和排除。圖73斷面軸向流速軸向分布Axialvelocitydistributioninverticaldirectioninsection-3圖83斷面軸向流速?gòu)较蚍植糀xialvelocitydistributionalongradialdirectioninsection-35全沙排沙漏斗渾水流場(chǎng)特性圖915給出了清、渾水流場(chǎng)切向流速和徑向流速分布規(guī)律。由試驗(yàn)資料可看出，無(wú)論是清水還是渾水，切向流速沿徑向分布及徑向流速沿軸向分布規(guī)律基本一致，泥沙對(duì)于漏斗流場(chǎng)的影響主要表現(xiàn)在切向流速沿軸向分布和徑向流速沿徑向分布規(guī)律上。5.1渾水流場(chǎng)切向流速分布特性圖9和圖10給出了清水、渾水條件下同一斷面不同水深的切向流速V的徑向分布。從圖中可以看出，切向流速V的徑向分布規(guī)律基本相同，其切向流速V隨r的增大而減小。渾水切向流速V值較清水平均增大約35%，而這種增幅是隨r的增大而增加。圖11和圖12給出了不同斷面清、渾水切向流速V的軸向分布。從圖中可以看出，泥沙對(duì)于切向流速在軸向的分布影響是明顯的，特別是在漏斗內(nèi)區(qū)，渾水的切向流速V在軸向的分布更為均勻。隨著r的增大，在漏斗外區(qū)，清、渾水的流速分布規(guī)律趨于一致。說(shuō)明內(nèi)區(qū)水流受泥沙影響顯著。5.2渾水流場(chǎng)徑向流速分布特性泥沙對(duì)于徑向流速Vr沿徑向分布影響較大。在接近漏斗水面，清、渾水的徑向流速Vr的徑向分布規(guī)律是相同的，如圖13所示。但其值卻相差很大，渾水較清水的徑向流速Vr的徑向分布平均增大了一倍以上。而在漏斗的底部，清、渾水的徑向流速Vr的徑向分布規(guī)律不相同，如圖14所示。說(shuō)明泥沙對(duì)于徑向流速沿徑向分布的影響更為突出。泥沙對(duì)于徑向流速在徑向的影響范圍大小與斷面位置有關(guān)。對(duì)于遠(yuǎn)離水平懸板和受進(jìn)口條件影響較小的斷面(如2、3斷面)，水流比較穩(wěn)定，有利于懸移質(zhì)泥沙的沉降，大量泥沙在該區(qū)域沉降下來(lái)，因此在該區(qū)域泥沙在軸向影響范圍較大。而在其他區(qū)域(如5、6斷面)，一般是粗顆粒泥沙的沉降，受重力作用顯著，因此，泥沙對(duì)水流特性影響的水深范圍就很小。圖92斷面(Z=8cm)切向流速?gòu)较蚍植糡angentialvelocitydistributionalongradialinsection-2(Z=8cm)圖102斷面(Z=-1cm)切向流速?gòu)较蚍植糡angentialvelocitydistributionalongradialinsection-2(Z=-1cm)圖111斷面切向流速軸向分布Tangentialvelocitydistributioninverticalinsection-1圖126斷面切向流速軸向分布Tangentialvelocitydistributioninverticalinsection-6圖132斷面(Z=14cm)徑向流速?gòu)较蚍植糝adialvelocitydistributionalongradialdirectioninsection-2(Z=14cm)圖142斷面(Z=-1cm)徑向流速?gòu)较蚍植糝adialvelocitydistributionalongradialdirectioninsection-2(Z=-1cm)泥沙對(duì)于徑向流速在軸向分布的影響與切向流速在軸向分布的影響相似，即清、渾水的徑向流速的軸向分布規(guī)律是相同的，如圖15所示。上述清、渾水流場(chǎng)對(duì)比分析表明，切向流速沿徑向的分布規(guī)律與徑向流速沿軸向的分布規(guī)律在清、渾水情況下基本是一致的，只是由于泥沙的存在，使渾水流速分布較清水更均勻，而在數(shù)值上有較大差異，即渾水較清水流速增大很多。6全沙排沙漏斗的泥沙輸移規(guī)律要處理水中的泥沙，首先使水中的泥沙能夠沉降下來(lái)；其次是沉降下來(lái)的泥沙通過(guò)一定的措施順利地排除。全沙排沙漏斗具備上述兩方面的條件。全沙排沙漏斗所形成的水流是典型的三維螺旋流，其切向、徑向和軸向流速對(duì)泥沙的沉降、輸移和排除起到了關(guān)鍵作用。方向向下的軸向流速促使泥沙的沉降，指向漏斗中心的徑向流速將泥沙輸送至排沙底孔排除掉，而切向流速起維持漏斗渦流強(qiáng)度的作用。切向流速是漏斗渦流的主流，徑向和軸向流速是漏斗渦流的副流，主流和副流的耦合形成了漏斗渦流。在這種渦流作用下，泥沙在向下沉降的同時(shí)向排沙底孔輸移而被排除掉。通過(guò)試驗(yàn)分析，根據(jù)泥沙在全沙排沙漏斗內(nèi)的輸移沉降特性不同，可將全沙排沙漏斗分為懸板區(qū)、調(diào)流區(qū)、非懸板區(qū)和中心區(qū)，如圖16所示，其輸沙規(guī)律如下。圖158斷面徑向流速軸向分布Radialvelocitydistributioninverticaldirectioninsection-8圖16泥沙沉降、輸移分區(qū)圖Blockplanofsedimentdepositionandtransportation懸板區(qū)，由于徑向流速和軸向流速均較大，對(duì)于能在該區(qū)域沉積下來(lái)的泥沙，主要是重力作用占主導(dǎo)地位，即泥沙是以推移質(zhì)的形式