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1、水利工程定期冲洗式沉沙池泄空冲洗计算摘要：水利工程定期冲洗沉沙池，一般为双室或多室交替运 行，当其中某池室的沉沙容积淤满，出池含沙量达不到设计 标准时，应停止该室沉沙运行，及时冲洗。泄空冲洗是定期 冲洗式沉沙池的一种特殊冲洗方式。一般情况下，沉沙池停 止淤积运行之初，池内尚存有一定数量的水体，如及时开启 冲沙闸泄空，可利用这局部水体挟带池内尚未充分浓缩固结 的泥沙出池。大禹渡等沉沙池泄空冲洗原型观测和模型试验 排沙效果说明，沉沙池泄空冲洗不仅冲洗效果好，而且可节 省冲洗水量。验证结果说明，由水沙平衡条件给出的式 (5) 和式 (6)分别用于计算与本文类似条件的沉沙池泄空冲洗排 沙量及冲洗历时是
2、合理的。泄空冲洗计算关键是合理选择平 均排沙含量Sep及可泄空排出的淤积泥沙干密度y So 关键词：沉沙池 定期冲洗 泄空冲洗 原型观测 模型试验 1 问题的提出水利工程定期冲洗式沉沙池，一般为双室或多室交替 运行，当其中某池室的沉沙容积淤满，出池含沙量达不到设 计标准时，应停止该池室的沉沙运行，及时冲洗，并同时启 用已冲洗完的另一池室运行。沉沙池工作段的冲洗具有冲洗 历时长，耗水量大的特点。处理高含沙量水流的双室或多室 沉沙池，其单室冲洗历时必须小于沉沙运行历时，才能满足 正常供水要求。所以，冲洗效率直接关系到沉沙池的布置， 以及引渠设计流量。当沉沙池为泵站供水时，由于冲
3、洗效率 受冲洗流量制约，冲洗流量又影响到泵站装机容量、机组选 型和布置，以及耗水费用等。在处理高含沙量水流的沉沙池 设计中，上述问题十分突出，故研究冲洗效率是工程设计中 的一个现实问题。泄空冲洗是水利工程定期冲洗式沉沙池的一种特殊冲 洗方式。一般情况下，沉沙池停止淤积运行之初，池内尚存 有一定数量的水体，如及时开启冲沙闸泄空，可利用这局部 水体挟带池内尚未充分浓缩固结的泥沙出池，此过程称之为 沉沙池泄空冲洗。大禹渡、阳武河、禹门口等沉沙池泄空冲 洗原型观测和模型试验排沙效果证明，沉沙池泄空冲洗不仅 冲洗效果好，而且可节省一定的冲洗水量。当前已有一些关 于水库泄空排沙的研究成果，但对水利工程定期
4、冲洗式沉沙 池的泄空冲洗尚缺研究。为解决工程设计中的应用问题，作 者以沉沙池原型观测资料为依据，并结合模型试验成果对定 期冲洗式沉沙池泄空冲洗计算进行了分析研究。2 沉沙池淤积形态和冲洗过程沉沙运行时，浑水进入沉沙池后，随着过流断面沿程 扩大，流速沿程递减，粗粒泥沙逐渐沉落，首端淤积三角洲 形态逐渐形成， 顶坡较缓， 前坡较陡， 洲面逐渐向下游推进。 前坡慢慢调平，直到沉沙容积淤满。据阳武河和大禹渡沉沙 池原型观测，汛期淤积洲面平均坡降分别为 0.0029 和 0.0015 ，阳武河非汛期洲面坡降为 0.0016 。据多室 厢交替运行实践，当池室的沉沙容积淤满时， 应及时关闭其进口闸门， 停止
5、供水， 开启冲沙闸门进行冲洗。 沉沙池原型观测，模型试验以及运行实践说明，沉沙池冲洗 过程一般可分为泄空冲洗、溯源冲洗和沿程冲洗三个阶段。 冲沙闸开启后，池内局部尚未充分浓缩固结的泥沙被泄空水 流挟带出池的过程为泄空冲洗阶段。泄空冲洗结束后，及时 开启进口闸门，逐厢引水冲洗。冲洗过程中，前坡产生强烈 的冲刷， 并逐渐向上游开展， 直到前后坡统一形成一个坡降， 此过程称为溯源冲刷阶段。当前后坡的坡度统一后出现由上 至下的冲刷，此过程称沿程冲洗阶段，沿程冲洗历时较长， 冲冼效率低于前两个阶段。一般当淤积物冲洗去 95% 左右， 冲洗过程可终止，并按运行要求调度各闸门启闭。3 泄空冲洗3.1 泄空冲
6、洗特点和效果当沉沙池工作段的沉沙容积淤满， 刚刚停止沉沙运行、 池内局部泥沙尚未充分浓缩固结时，及时翻开冲沙闸门，利 用池内水位快速下降而使局部淤积泥沙被冲刷下泄，就沉沙 池而言， 此过程称泄空冲洗。 泄空冲洗的特点是开展速度快、 强度大，可在较短时间内将池内局部淤积干密度较小的泥沙 排出池外。泄空过程中，排沙含沙量一般是由小变大，即开 始泄空时，出池含沙量较小，随着冲刷的开展，出池含沙量 逐渐增大， 当水位接近淤沙面时 此过程中， 泥沙淤积面也不 断发生变化，并形成新的洲面 ，冲刷开展更加剧烈。图 1 和图 2 分别为 1992 年由大禹渡沉沙池原型观测所得到的沉 沙池泄空冲洗淤积面变化和含
7、沙量及泄空流量变化过程线。 阳武河沉沙池和禹门口沉沙池的观测也说明类似的过程。1 图 1 大禹渡沉沙池实测泄空冲洗淤积面变化 (1992.9.9)Measured sedimentation profile variation with emptying flush in Dayudu settling basin图 2 大禹渡沉沙池泄空冲洗排沙含沙量、流量过程线(原型观测时间 1992.9.9)Hydrographs of flow and sediment concentration during the period of emptying flush in Dayudu settlin
8、g basin 沉沙池泄空冲洗的效果与淤积泥沙的物理特性有关。原型观测及模型试验资料说明，在淤沙尚未充分固结、干密度较小 这局部泥沙大多集中在池末端，及时利用池内蓄水量泄空排沙，排沙效果非常显著。据大禹渡、禹门口、阳武 河等沉沙池原型观测和模型试验资料统计，沉沙池泄空冲洗过程中，平均排沙含量达200500kg/m3，最高排沙含沙量 可达7001000kg/m3以上，可排出的沙量约占总淤积量的 25%50%，可见排沙效果显著。表1 为大禹渡、阳武河、禹门口等沉沙池泄空冲洗原型观测和模型试验排沙效果的 统计结果。表中阳武河沉沙池的排沙效果不明显，可能是由 于淤积后放置一段时间才冲洗的原因。表 1
9、各沉沙池泄空冲洗排沙效果统计Sediment discharge effect of emptying flush in the settling basins沉沙池名称观测条件池内总淤积量VZ(m3)泄空排沙量VC(m3)排沙量效果VC/VZ(%)观测时间大禹渡原型观测 (1)11050687862.2大禹渡原型观测 (2)10046665966.3阳武河原型观测2000100禹门口模型试验 (1)252073929.31983.10禹门口模型试验 (2)244776031.11985.6 9禹门口模型试验 (3)217568031.31986.6 9禹门口模型试验 (4)239575531
10、.51988.7 9 注：禹门口沉沙池模型试验均为单厢试验3.2 泄空冲洗计算3.2.1 水力学计算沉沙池泄空冲洗过程中，其泄空流量主要通过调节冲 沙闸门开度来控制，闸门开度的选择应满足最大下泄流量不 大于闸后排沙廊道设计过流能力的要求。当闸门开度一定 时，泄空流量的大小与闸前水头大小有关，泄空开始时的流 量较大，随着池内水位不断下降，泄空流量逐渐减小，并由 闸孔出流过渡到堰流，此时，即可认为泄空冲洗根本结束。 当闸门开度一定时，泄空流量可按闸孔出流计算，即式中e为闸门开启高度m; b为单孔闸净宽m ; n为闸 孔孔数，一般n=1 ; HO为包括行近流速
11、水头的闸前水头 m; &为垂直收缩系数；卩为闸孔自由出流的流量系数； 応淹没系 数。泄空过程中各时段平均流量可近似按下式计算，即Qcpj=Qi+Qi+1/22式中Qcpj为j时段平均流量m3/s ; Qi为由式计算的泄 空过程j时段初流量m3/s ; Qi+1 为由式 计算的泄空过 程j时段末流量m3/s。泄空平均流量可近似按下式计算(3)式中Qcp为冲洗过程平均流量(m3/s) ; Atj为j时段长(h); n 为由泄空总历时划分的时段数。3.2.2 泄空冲洗排沙量及历时估算(1) 泄空排沙水流含沙量确定 原型观测和模型试验资料说明，沉沙池泄空 冲洗过程中的排沙含沙量是随水位下降的冲
12、刷强度变化而 变化，目前尚缺理论计算方法，设计中一般是通过模型试验 或利用已建沉沙池运行观测资料统计分析来确定的。 笔 者根据原型观测和模型试验资料，采用泄空过程中冲洗流量 与含沙量变化加权平均法，进行沉沙池泄空冲洗过程平均含沙量统计计算，即(4)式中 Scp 为冲洗过程平均排沙含沙量 (kg/m3) ；Sj 为 j 时段 平均排沙含沙量 (kg/m3) 。由大禹渡、 禹门口、阳武河等沉沙池 3 次原型观测和 4 次模型试验资料统计分析得到沉沙池泄空冲洗平均排沙含沙量为200500kg/m3，统计成果见表 2。表 2 各沉沙池泄空冲洗平均排沙含沙量统计Mean sediment concent
13、ration discharged by emptyingflush in the settling basins沉沙池名称观测条件平均排沙含沙量(kg/m3)最大排沙含沙量(kg/m3)观测时间大禹渡原型观测 (1)500900大禹渡原型观测 (2)800阳武河原型观测200400禹门口模型试验 (1)2806701983.10禹门口模型试验 (2)2806001985.6 9禹门口模型试验 (3)2501986.6 9禹门口模型试验 (4)2848731988.7 9(2) 泄空排沙量和历时计算泄空冲洗的排沙量为泄空前池内静水位以下水量在泄 流过程中可带出的淤沙体积。设池内淤积洲面以上至静
14、水位 间的水量为Vw，可带出淤沙体积为 Vc，根据平衡条件可得 出泄空过程中的沙量平衡方程式(Vw+Vc) Scp=Vc Y00O整理得Vc=Vw S cp/1000 ys-Scp(5)式中Vc为泄空冲洗排出的淤沙体积(m3) ;yS为可排出的 淤积泥沙干密度 (t/m3) ； Scp 为泄空冲洗平均排沙含沙量 (kg/m3) 。根据泄空过程中排出的水、沙总体积和平均泄空流量可得泄空冲洗历时 tc 的计算公式tc=Vw+Vc/3600Qcp式中平均流量 Qcp 可按式 (3) 计算。3.3 泄空冲洗排沙量及历时验证计算3.3.1 验证资料用大禹渡、阳武河、禹门口等沉沙池泄空冲洗原型观测和模型试验资料进行验证。各沉沙池泄空冲洗的水沙条件见表 3 。表 3 各沉沙池泄空冲洗水沙条件Water-sand condition for emptying flush in the settling basins沉沙池名称及观测条件淤积面以上水量Vw(m3)池内总淤积量VZ(m3)排沙平均流量Qcp(m3/s)平均排沙含沙量Scp(kg/m3)