漏斗式全沙排沙工程试验研究及其应用

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获得了良好的效果。本文通过其清、浑水流场特性分析说明，漏斗室内部水流特性有利于水沙别离和泥沙的排除。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，获得了良好的经济效益和社会效益，已建或待建局部工程见表1。表1局部已建和正建工程列表Listfsesandfunnelprjets序号工程名称引水渠流量(3/s)漏斗室直径()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新疆霍城县成功渠排沙漏斗工程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：除表列工程工程外，已签约拟建工程工程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根本探明了其水流特性[１～２]。2试验研究2.1试验模型试验模型构造尺寸为：漏斗室直径150；排沙底孔直径5.5；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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ等八个测试断面。模型构造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说明，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，促使水沙别离；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，切向流速沿径向的分布规律和径向流速沿轴向的分布规律根本上是一致的[３]。泥沙对漏斗室流场的影响主要表达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Skethfthesandfunnelstruture1.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2～5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那么趋于一致。图2Ⅱ断面切向流速沿轴向分布TangentialvelitydistributininvertialinsetinⅡ图3Ⅳ断面切向流速沿轴向分布TangentialvelitydistributininvertialinsetinⅣ图4Ⅱ断面(水深2)径向流速沿径向分布RadialvelitydistributinalngradialdiretininsetinⅡ(aterdepth=2)图5Ⅱ断面(水深14)径向流速沿径向分布RadialvelitydistributinalngradialdiretininsetinⅡ(aterdepth=14)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，并且主要表如今漏斗室的底部，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，有待进一步深化研究。由上述清、浑水流场比照分析可见，泥沙对漏斗室流场的影响集中表达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获得了很好的效果，也进一步证实前面关于清水流场特性的分析是正确的。2.4截沙率作者对于不同粒径的泥沙在单级流量下进展了截沙率的模型试验，结果说明，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d＞1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展人工投沙，将漏斗底孔的水流导入一厢形沉沙池进展人工收沙，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，表中资料说明，对于粒径大于0.125的泥沙的截沙率大于80%，完全可以满足实际工程应用。表2不同粒径泥沙情况下的截沙率Testdatafsandintereptinratefrdifferentgrainsize泥沙直径()0.300～0.2000.200～0.1500.150～0.1250.125～0.1050.105～0.0930.093～0.0740.074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%。转贴于论文联盟.ll.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4×3200k，设计年发电量4800万kh，引水渠长11.3k，设计引水流量563/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，泥沙运动最活泼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消费的最大顽症，由于渠道泥沙淤积，渠道输水才能降低，达不到设计引水才能，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展机组维修。为理解决泥沙淤积、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30；进水涵洞高1.8，宽5.6；漏斗室底坡为1/10；底孔直径为1.5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Sandgranuletripsitinfapprahhannel颗粒组成粒径()占泥沙比例(%)累计占泥沙比例(%)极细泥沙0.002～0.01012.1012.10细沙0.010～0.25023.9036.00中沙0.100～0.25039.4075.40粗沙0.250～1.00024.601003.2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展原型观测，并要求对排沙工程进展水文评价。3.2.1原型观测水文评价内容(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0.10～0.25和0.25～1.00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aternsuptinfthesandfunnelprjet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)(3/s)(3/s)(3/s)(%)()7月6日55.91.6457.52.851.5010日52.81.6054.42.941.5017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56.31.8258.13.131.506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Sandintereptinratefthesandfunnelprjet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(%)0.10～0.250.25～0.500.50～1.00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89.19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：①平均耗水量为电站引水流量的2.71%；②粒径大于0.50的泥沙其截沙率为100%；③对粒径为0.10～0.25泥沙的排除率为74.10%；④对水利工程和水轮机造成严重危害