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1、漏斗式全沙排沙工程试验研究及其应用摘要：漏斗式全沙排沙设施是一种排沙耗水量小，截沙率高的泥沙处理技术，并已在工程实际应用中取得了良好的效果。本文通过其清、浑水流场特性分析表明，漏斗室内部水流特性有利于水沙分离和泥沙的排除。 关键词：漏斗式 螺旋流 模型试验 原型观测 1 漏斗式全沙排沙技术漏斗式全沙排沙设施作为一种高效、节水、经济的泥沙处理技术，已成功用于灌溉、发电、工业及人畜引水等诸多领域的泥沙处理，取得了良好的经济效益和社会效益，已建或待建部分工程见表1。表1 部分已建和正建工程列表List of some sand funnel projects序号工程名称引水渠流量(m3/s)漏斗室直
2、径(m)备注1新疆迪那河引水干渠排沙漏斗工程25201988年建成2新疆托克逊县青年渠排沙漏斗工程6121992年建成3新疆八一钢铁公司引水暗渠排沙漏斗工程1.791996年建成4新疆昌吉县蔬菜基地引水渠排沙漏斗工程0.551996年建成5新疆和静县解放二渠排沙漏斗工程13.5141996年建成6新疆霍城县胜利渠排沙漏斗工程0.032.41996年建成7新疆玛纳斯县塔西河二级电站排沙漏斗工程40.91996年建成8新疆阿克陶县吾依他克电站排沙漏斗工程14.6261997年建成9新疆奇台县达板河引水干渠排沙漏斗工程12121997年建成11新疆头屯河干渠改造排沙漏斗工程10121988年建成12
3、新疆玛纳斯县红山嘴电厂引水渠排沙漏斗工程60301998年建成13湖南洞庭湖挖泥船排出口泥浆脱水排沙漏斗工程0.283.691998年建成14新疆巴音沟河引水干渠排沙漏斗工程4514正在修建15新疆金沟河引水干渠排沙漏斗工程3014正在修建16新疆玛纳斯河团结电站排沙漏斗工程49正在修建17四川省伊乌湖电站排沙漏斗工程715正在修建注：除表列工程项目外，已签约拟建工程项目8项含沙水流沿切线方向进入漏斗室，由于漏斗室边壁的约束以及悬板等调流装置的影响，为三维立轴型螺旋流，在实际运行中水、沙、气掺混流动，其流场非常复杂，目前通过模型试验、原型观测以及数值计算相结合等方法基本探明了其水流特性。2 试
4、验研究2.1 试验模型试验模型结构尺寸为：漏斗室直径150cm；排沙底孔直径5.5cm；漏斗底坡1/10；进水涵洞断面为矩形；悬板长度包含中心角180，顶部溢流，下部设置调流墩。试验布置了、等八个测试断面。模型结构及测试断面布置如图1所示。2.2 漏斗室水流特性清水流场测试结果表明，漏斗室水流为三维螺旋流，由切向、径向和轴向三个方向的流速耦合而成，三方向流速在漏斗水流运动中分别起着不同作用：切向流速维持漏斗螺旋流的环流强度；方向向下的轴向流速有利于泥沙的沉降，促使水沙分离；径向流速促使泥沙向排沙底孔输移。2.3 泥沙对漏斗室流场的影响分析清、浑水流场资料得知，无论是清水流场还是浑水流场，切向流
5、速沿径向的分布规律和径向流速沿轴向的分布规律基本上是一致的。泥沙对漏斗室流场的影响主要体现在切向流速沿轴向分布规律和径向流速沿径向的分布规律上。图1 漏斗式全沙排沙设施示意图Sketch of the sand funnel structure1.进水涵洞 2.漏斗室 3.引水渠 4.悬板 5.漏斗底孔 6.调流墩 7.排沙道图25绘出了清、浑水情况下，切向流速沿轴向和径向流速沿径向的分布规律。如图2和图3所示，泥沙对于切向流速在轴向的分布影响是明显的，特别在内区，浑水情况下切向流速在轴向分布更为均匀。随半径的增大，在漏斗室外区，清、浑水的流速分布规律则趋于一致。图2 断面切向流速沿轴向分布T
6、angential velocity distribution in vertical in section 图3 断面切向流速沿轴向分布Tangential velocity distribution in vertical in section 图4 断面(水深2cm)径向流速沿径向分布Radial velocity distribution along radial direction in section (water depth=2cm) 图5 断面(水深14cm)径向流速沿径向分布Radial velocity distribution along radial direction
7、 in section (water depth=14cm)如图4及图5所示，泥沙对于径向流速沿径向分布的影响较大，并且主要表现在漏斗室的底部，即泥沙对于径向流速在径向的影响只限于漏斗室底部某一水深范围内，该范围的大小与断面位置以及泥沙粒径有关，有待进一步深入研究。由上述清、浑水流场对比分析可见，泥沙对漏斗室流场的影响集中体现在漏斗室内区和漏斗室底部，也就是说，漏斗室内区水流和底部水流受泥沙影响显著，或者说漏斗室内区和底部水流泥沙含量大，说明漏斗螺旋流确实具有使泥沙沉积并且向漏斗底孔输移的水流特性，因此排沙漏斗在处理水流泥沙上取得了很好的效果，也进一步证实前面关于清水流场特性的分析是正确的。2
8、.4 截沙率作者对于不同粒径的泥沙在单级流量下进行了截沙率的模型试验，结果表明，泥沙粒径越大其截沙率越高，即粗颗粒泥沙便于处理，对于粒径d1mm的泥沙，漏斗式全沙排沙设施能100%的排除。而对于较细的泥沙，在实验室内，对不同粒径的泥沙采用一定的加沙量在漏斗式全沙排沙设施上游渠道进行人工投沙，将漏斗底孔的水流导入一厢形沉沙池进行人工收沙，将其与上游投沙的总重量相比即得漏斗式全沙排沙设施的截沙率。试验结果如表2，表中资料表明，对于粒径大于0.125mm的泥沙的截沙率大于80%，完全能够满足实际工程应用。表2 不同粒径泥沙情况下的截沙率Test data of sand interception r
9、ate for different grain size泥沙直径(mm)0.3000.2000.2000.1500.1500.1250.1250.1050.1050.0930.0930.074<0.074截沙率(%)87.4788.9780.7573.1560.0448.5926.682.5 排沙耗水率模型试验测试得出的漏斗排沙耗水率平均为3%。3 工程应用3.1 工程概况红山嘴水力发电厂位于新疆玛纳斯河中游出山口红山嘴区域河段的东岸，是典型的无调节、径流式梯级引水式电站，目前由四座电站组成，二级电站总装机容量43200kw，设计年发电量4800万kwh，引水渠长11.3km，设计引水流
10、量56m3/s。由于玛纳斯河是一条多泥沙河流，红山嘴电厂又座落于沙量最大，泥沙运动最活跃的出山口中游多少河段上，泥沙危害是几十年来长期困扰水电厂引水与发电生产的最大顽症，由于渠道泥沙淤积，渠道输水能力降低，达不到设计引水能力，同时，大量泥沙进入压力前池，给机组造成磨损，致使机组发电效率降低，且每年投入大量的经费进行机组维修。为了解决泥沙淤积、磨损问题，在二级引水渠0+900处修建了漏斗式全沙排沙工程。排沙工程主要设计数据为：漏斗室直径为30m；进水涵洞高1.8m，宽5.6m；漏斗室底坡为1/10；底孔直径为1.5m等不同五种；悬板长度包含中心角为180，下设调流墩；漏斗室最大进流量约为引水渠总
11、流量的60%。表3 红山嘴水力发电厂二级电站引水渠泥沙颗粒组成Sand granulometric composition of approach channel颗粒组成粒径(mm)占泥沙比例(%)累计占泥沙比例(%)极细泥沙0.0020.01012.1012.10细沙0.0100.25023.9036.00中沙0.1000.25039.4075.40粗沙0.2501.00024.601003.2 原型观测1998年6月至9月，新疆石河子红山嘴水力发电厂委托石河子水文水资源勘测大队对红山嘴水力发电厂漏斗式全沙排沙工程进行原型观测，并要求对排沙工程进行水文评价。3.2.1 原型观测水文评价内容(
12、1)测定漏斗式全沙排沙工程在不同流量下的耗水量及耗水率；(2)分别测定漏斗式全沙排沙工程在不同时段不同来沙来水情况下的截沙率，尤其是对0.100.25mm和0.251.00mm粒径泥沙的截沙率。3.3.2 原型观测结果关于排沙耗水量以及截沙率的原型观测数据分别见表4和表5。表4 漏斗式全沙排沙工程排沙耗水率Water consumption of the sand funnel project观测时间漏斗下游引水渠流量排沙明渠流量漏斗上游引水渠流量排沙耗水率漏斗底孔直径(1998年)(m3/s)(m3/s)(m3/s)(%)(m)7月6日55.91.6457.52.851.5010日52.81
13、.6054.42.941.5017日61.01.6162.62.571.5020日54.71.5056.22.671.5024日58.61.6360.22.711.5027日60.11.5861.72.561.5031日57.51.5159.02.561.508月3日55.31.6156.92.831.507日63.71.7565.52.671.5010日62.71.6664.42.581.5014日64.51.8266.32.761.509月3日59.51.6561.22.701.503日62.01.6863.72.641.504日57.31.7459.02.951.505日56.31.82
14、58.13.131.506日56.71.7158.42.931.5023日31.30.5531.91.720.60平均57.11.5958.72.71表5 漏斗式全沙排沙工程不同粒径泥沙截沙率Sand interception rate of the sand funnel project观测时间(1998年)观测位置断面输沙率(kg/s)不同粒径泥少截沙率(%)0.100.25mm0.250.50mm0.501.00mm第一组引水渠上游断面934.5069.3095.40100.008月7日引水渠下游断面478.30第二组引水渠上游断面693.3072.2095.80100.008月10日引
15、水渠下游断面321.40第三组引水渠上游断面711.1078.1096.70100.008月14日引水渠下游断面259.20第四组引水渠上游断面113.6079.5096.90100.009月3日引水渠下游断面38.70第五组引水渠上游断面82.2872.0095.80100.009月3日引水渠下游断面38.30第六组引水渠上游断面113.7069.2095.30100.009月4日引水渠下游断面58.34第一组引水渠上游断面200.1073.9096.10100.008月7日引水渠下游断面86.81第一组引水渠上游断面249.7278.6096.80100.008月7日引水渠下游断面89.1
16、9平均值74.1096.10100.00通过分析漏斗式全沙排沙工程实际运行测试资料可以得出如下结论：平均耗水量为电站引水流量的2.71%；粒径大于0.50mm的泥沙其截沙率为100%；对粒径为0.100.25mm泥沙的排除率为74.10%；对水利工程和水轮机造成严重危害的粒径为0.250.50mm的泥沙排除率为96.10%。4 结语清、浑水流场试验研究表明，漏斗室内部水流特性有利于水沙分离和泥沙的排除，因此在工程的实际应用中取得了成功，并且原型工程排沙效果与模型试验相一致，在已建工程实际运行中，漏斗式全沙排沙技术能够处理泥沙粒径大于0.025mm的泥沙，充分体现了漏斗式全沙排沙技术耗水少，截沙
17、率高的突出优点，必将有着广阔的推广应用前景。参考文献1周著等.带悬板排沙漏斗三维流场测试.八一农学院学报，1995，(3).2唐毅.排沙漏斗三维涡流水流结构的研究.四川大学博士学位论文，1996.4.王顺久.漏斗涡流特性研究.新疆农业大学硕士学位论文，1997.5劳德诺又道：“当时我问师父：林家这辟邪剑法威力很大么？青城派为甚么这样用心修习？师父不答，闭眼沉思半晌，才道：德诺，你入我门之前，已在江湖上闯荡多年，可曾听得武林之中，对福威镖局总镖头林震南的武功，如何评论？我道：武林中朋友们说，林震南手面阔，交朋友够义气，大家都买他的帐，不去动他的镖。至于手底下真实功夫怎样，我不大清楚。师父道：是了
18、！福威镖局这些年来兴旺发达，倒是江湖上朋友给面子的居多。你可曾听说，余观主的师父长青子少年之时，曾栽在林远图的辟邪剑下？我道：林林远图？是林震南的父亲？师父道：不，林远图是林震南的祖父，福威镖局是他一手创办的。当年林远图以七十二路辟邪剑法开创镖局，当真是打遍黑道无敌手。其时白道上英雄见他太过威风，也有去找他比试武艺的，长青子便因此而在他辟邪剑法下输了几招。我道：如此说来，辟邪剑法果然是厉害得很了？师父道：长青子输招之事，双方都守口如瓶，因此武林中都不知道。长青子前辈和你师祖是好朋友，曾对你师祖说起过，他自认这是他毕生的奇耻大辱，但自忖敌不过林远图，此仇终于难报。你师祖曾和他拆解辟邪剑法，想助他
19、找出这剑法中的破绽，然而这七十二路剑法看似平平无奇，中间却藏有许多旁人猜测不透的奥妙，突然之间会变得迅速无比。两人钻研了数月，一直没破解的把握。那时我刚入师门，还只是个十来岁的少年，在旁斟茶侍候，看得熟了，你一试演，便知道这是辟邪剑法。唉，岁月如流，那是许多年前的事了。”林平之自被青城派弟子打得毫无招架之功，对家传武功早已信心全失，只盼另投明师，再报此仇，此刻听得劳德诺说起自己曾祖林远图的威风，不由得精神大振，心道：“原来我家的辟邪剑法果然非同小可，当年青城派和华山派的首脑人物尚且敌不过。然则爹爹怎么又斗不过青城派的后生小子？多半是爹爹没学到这剑法的奥妙厉害之处。” 只听劳德诺道：“我问师父：
20、长青子前辈后来报了此仇没有？师父道：比武输招，其实也算不得是甚么仇怨。何况那时候林远图早已成名多年，是武林中众所钦服的前辈英雄，长青子却是个刚出道的小道士。后生小子输在前辈手下，又算得了甚么？你师祖劝解了他一番，此事也不再提了。后来长青子在三十六岁上便即逝世，说不定心中放不开此事，以此郁郁而终。事隔数十年，余沧海忽然率领群弟子一起练那辟邪剑法，那是甚么缘故？德诺，你想那是甚么缘故？“我说：瞧着松风观中众人练剑情形，人人神色郑重，难道余观主是要大举去找福威镖局的晦气，以报上代之仇？师父点头道：我也这么想。长青子胸襟极狭，自视又高，输在林远图剑底这件事，一定令他耿耿于怀，多半临死时对余沧海有甚么遗
21、命。林远图比长青子先死，余沧海要报师仇，只有去找林远图的儿子林仲雄，但不知如何，直挨到今日才动手。余沧海城府甚深，谋定后动，这一次青城派与福威镖局可要有一场大斗了。“我问师父：你老人家看来，这场争斗谁胜谁败？师父笑道：余沧海的武功青出于蓝而胜于蓝，造诣已在长青子之上。林震南的功夫外人虽不知底细，却多半及不上乃祖。一进一退，再加上青城派在暗而福威镖局在明，还没动上手，福威镖局已输了七成。 倘若林震南事先得知讯息，邀得洛阳金刀王元霸相助，那么还可斗上一斗。德诺，你想不想去瞧瞧热闹？我自是欣然奉命。师父便教了我几招青城派的得意剑法，以作防身之用。” 陆大有道：“咦，师父怎地会使青城派剑法？啊，是了，
22、当年长青子跟咱们祖师爷爷拆招，要用青城派剑法对付辟邪剑法，师父在旁边都见到了。”劳德诺道：“六师弟，师父他老人家武功的来历，咱们做弟子的不必多加推测。师父又命我不可和众同门说起，以免泄露了风声。但小师妹毕竟机灵，却给她探知讯息，缠着师父许她和我同行。我二人乔扮改装，假作在福州城外卖酒，每日到福威镖局去察看动静。别的没看到，就看到林震南教他儿子林平之练剑。小师妹瞧得直摇头，跟我说：这哪里是辟邪剑法了？这是邪辟剑法，邪魔一到，这位林公子便得辟易远避。”在华山群弟子哄笑声中，林平之满脸通红，羞愧得无地自容，寻思：“原来他二人早就到我局中来窥看多次，我们却毫不知觉，也真算得无能。” 劳德诺续道：“我二
23、人在福州城外耽不了几天，青城派的弟子们就陆续到了。最先来的是方人智和于人豪二人。他二人每天到镖局中踹盘子，我和小师妹怕撞见他们，就没再去。 那一日也是真巧，这位林公子居然到我和师妹开设的大宝号来光顾，小师妹只好送酒给他们喝了。当时我们还担心是给他瞧破了，故意上门来点穿的，但跟他一搭上口，才知他是全然蒙在鼓里。这纨裤弟子甚么也不懂，跟白痴也差不了甚么。便在那时，青城派中两个最不成话的余人彦和贾人达，也到我们大宝号来光顾” 陆大有鼓掌道：“二师哥，你和小师妹开设的大宝号，当真是生意兴隆通四海，财源茂盛达三江。你们在福建可发了大财哪！”那少女笑道：“那还用说么？二师哥早成了大财主，我托他大老板的福，
24、可也捞了不少油水。”众人尽皆大笑。劳德诺笑道：“别瞧那林少镖头武功稀松平常，给咱们小师妹做徒儿也还不配，倒是颇有骨气。余沧海那不成材的小儿了余人彦瞎了眼睛，向小师妹动手动脚，口出调笑之言，那林公子居然伸手来抱打不平” 林平之又是惭愧，又是愤怒，寻思：“原来青城派处心积虑，向我镖局动手，是为了报上代败剑之辱。来到福州的其实远不止方人智等四人。我杀不杀余人彦，可说毫不相干。” 他心绪烦扰，劳德诺述说他如何杀死余人彦，就没怎么听进耳去，但听得劳德诺一面说，众人一面笑，显是讥笑他武功甚低，所使招数全不成话。只听劳德诺又道：“当天晚上，我和小师妹又上福威镖局去察看，只见余观主率领了侯人英、洪人雄等十多个
25、大弟子都已到了。我们怕给青城派的人发觉，站得远远的瞧热闹，眼见他们将局中的镖头和趟子手一个个杀了，镖局派出去求援的众镖头，也都给他们治死了，一具具尸首都送了回来，下的手可也真狠毒。当时我想，青城派上代长青子和林远图比剑而败，余观主要报此仇，只须去和林震南父子比剑，胜了他们，也就是了，却何以下手如此狠毒？那定是为了给余人彦报仇。可是他们偏偏放过了林震南夫妻和林平之三人不杀，只是将他们逼出镖局。林家三口和镖局人众前脚出了镖局，余观主后脚就进去，大模大样的往大厅正中太师椅上一坐，这福威镖局算是教他青城派给占了啦。”陆大有道：“他青城派想接手开镖局了，余沧海要做总镖头！”众人都是哈哈一笑。 劳德诺道：
26、“林家三口乔装改扮，青城派早就瞧在眼里，方人智、于人豪、贾人达三人奉命追踪擒拿。小师妹定要跟着去瞧热闹，于是我们两个又跟在方人智他们后面。到了福州城南山里的一家小饭铺中，方人智、于人豪、贾人达三个露脸出来，将林家三口都擒住了。 小师妹说：林公子所以杀余人彦，是由我身上而起，咱们可不能见死不救。我极力劝阻，说道咱们一出手，必定伤了青城、华山两家的和气，何况余观主便在福州，我二人别要闹个灰头土脸。”陆大有道：“二师哥上了几岁年纪，做事自然把细稳重，那岂不扫了小师妹的兴致？” 劳德诺笑道：“小师妹兴致勃勃，二师哥便要扫她的兴，可也扫不掉。当下小师妹先到灶间中去，将那贾人达打得头破血流，哇哇大叫，引开
27、了方于二人，她又绕到前面去救了林公子，放他逃生。”陆大有拍手道：“妙极，妙极！我知道啦，小师妹可不是为了救那姓林的小子。她心中却另有一番用意。很好，很好。”那少女道：“我另有甚么用意？你又来胡说八道。”陆大有道：“我为了青城派而挨师父的棍子，小师妹心中气不过，因此去揍青城派的人，为我出气，多谢啦”说着站起身来，向那少女深深一揖。那少女噗哧一笑，还了一礼，笑道：“六猴儿师哥不用多礼。”那手拿算盘的人笑道：“小师妹揍青城弟子，确是为人出气。是不是为你，那可大有研究。挨师父棍子的，不见得只你六猴儿一个。”劳德诺笑道：“这一次六师弟说得对了，小师妹揍那贾人达，确是为了给六师弟出气，日后师父问起来，她也是这么说。”陆大有连连摇手，说道：“这这个人情我可不敢领，别拉在我身上，教我再挨十下八下棍子。”那高个儿问道：“那方人智和于人豪没追来吗？”那少女道：“怎么没追？可是二师哥学过青城派的剑法，只一招鸿飞冥冥，便将他二人的长剑绞得飞上了天。只可惜二师哥当时用黑布蒙上了脸，方于二人到这时也不知是败在我华山派26