沉沙池水力特性的研究

陳彩旭等

摘要[目的] 為了使水流流場更加均勻，泥沙在沉沙池中的沉淀效率更高。[方法]改進沉沙池工作段的水流流場，即在沉沙池首部加設調流板。[結果]通過室內模型試驗，檢驗了調流板調節水流流場的調節效果。[結論]調流板不僅能提高泥沙的沉淀效率，而且能縮短沉沙池過渡段的距離。

關鍵詞沉沙池；調流板；水流流場

中圖分類號S274文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）06-01617-02

Abstract[Objective] The research aimed to make the flow field more uniform， and sediment precipitation in sediment basin have a higher efficiency. [Method] The flowfield of the work section of sediment basin was improved， which was adding adjusting flow board. [Result] The basins were verified by model test plate adjustment to study the flow field adjustment effect. [Conclusion] Adjusting flow board not only could improve the deposition efficiency of sediment basins board， but also shorten the distance setting basin in the transitional period.

Key wordsSediment basin； Adjusting flow board； Flow field

微灌是一種新型的高效節水灌溉技術，但是對水質的要求很高。針對我國地表水豐富且含沙量大的特點，在微灌系統首部設置沉砂池。這是對高含沙水進行凈化處理最有效、最快捷的工程性措施之一。

水流經過渠道進入沉沙池，由于沉沙池比渠道大很多，若不采取工程措施，則水流易在沉沙池的中間形成主流，兩側形成回流，水流紊動劇烈，不利于泥沙沉降。在水流進入沉沙池之前，一般先經過漸變段，使得較高流速的水流逐漸擴散，最后緩慢進入沉沙池，有利于泥沙的沉降。沉沙池的沉沙原理是水流進入沉沙池后，水流速度減慢且平穩地在沉沙池中流動，泥沙在緩慢的水流中沉降。當水流經過漸變段時，還需要在沉沙池與漸變段連接處加設調流板，用來消能。

1材料與方法

1.1試驗組次安排

試驗在長1.25 m、寬7.50 cm的沉沙池模型（圖1）中進行，模型的工作段面為矩形。該研究主要分析了不同來水流量和不同含沙量情況下沉沙池中泥沙的沉降規律和調流板前后的流速。試驗中，分別在清水中摻入0.3、0.5和0.8 mg的粉煤灰。每個流速下設3組試驗。

1.2流速觀測

該試驗采用CSY型直讀式多功能流速儀。其原理是：當流速儀傳感器上的葉輪置于水流中某測點位置時，葉輪在動水的推動下能輕巧旋轉，流速越大，轉得越快。由于葉輪上鍍有反光標記，反射光便經傳感器中的光導纖維傳送給光敏三級管，并轉換成電脈沖信號，送入二次數字儀表中，葉輪每轉一周，便產生一個脈沖信號，周而復始，在選定的采樣時間（T）內，葉輪不斷轉動，就不斷有電脈沖信號輸入二次儀表中，從而通過儀器的記數處理，顯示出T時間內葉輪的的累積轉次。這樣將葉輪置于水流中不同的位置，就可測出各個位置點的時均流速。測量流速主要針對沉淀室中的流場分布，測流速時測定時間固定在30 s檔，測量每個測點均連續記錄3次數據，取平均值，以減少誤差。

2結果與分析

2.1調流板調流機理

經觀測，最大流量下調流板前后的水面高度分別是35.0和34.2 cm。這是由于調流板的調節機理的作用才會出現這種現象。在傳統沉沙池中，沉沙池前的漸變段并不是很長，這樣水流進入沉沙池之前沒有很好地擴散，進入沉沙池之后仍有很大的流速，造成沉沙池工作段內水流紊動比較劇烈，并伴隨著漩渦，泥沙不能很好地沉降，沉沙池的實際有效沉沙段縮短。這也是實際工程中沉沙池沉沙效率不高的原因之一。

試驗中，在沉沙池首部增設的調流板就是為了解決水流進入沉沙池中水流紊動的問題。從設計原理上分析，調流板的作用是對水流流場進行調節和對水勢進行消能。在加設調流板后紊動水流直接頂沖在調流板上，調流板對這種具有較大動能和紊動強度的水流產生攔截作用，水流經過調流板后紊動明顯減弱，迅速趨于穩定。同時，對水流流場進行調節，調節后的流場分布更利于泥沙的沉降[1]。調流板調流示意圖見圖2。試驗中，在調流板中分布不同孔徑的孔洞作為出水口，來調節水量沿橫向和垂向的分配，使水流經過調流板后在整個沉沙池內形成均勻的流態[2]。

2.2含沙量沿程變化規律

在沉沙池中，更加均勻的水流流場分布有助于沉沙池內泥沙的沉降作用，提高泥沙沉積效果。而調流板在相應的設置斷面能夠幫助水流迅速調整水流流場結構，改變池室縱向的水流流場整體變化趨勢，使得

流速呈現均勻化趨勢，更有利于泥沙在均勻、緩慢的水流流

速中沉降，最終影響沉沙池中沿程含沙量的變化[3]。泥沙進入沉沙池后會在其自身的重力作用和水流紊動作用下在沉沙池中有一段運移距離。如果水流紊動劇烈，那么泥沙在

沉沙池內的運移距離就大[4]，不利于泥沙的沉降。在沉

沙池首部設置調流板后，經過調流板攔截后的水流紊動明顯減弱，水流快速實現穩定，且漩渦明顯減小。經調節后，泥沙在均勻、穩定的水流流場中沉淀效率更高，水流沿程含沙量的變化幅度更大，沉沙池出池水流的含沙量也應更小。由圖3可知，調流板對沉沙池水流流場有調節作用。沉沙池內的流場分布更均勻，提高了泥沙在沉沙池中的沉淀效率。

3結論與討論

沉沙池在微灌中的作用主要是處理懸移質泥沙。傳統沉沙池因為要使沉沙池工作段的水流流場分布均勻，過渡段一般都很長。但是，在沉沙池長度一定的條件下，沉沙池的工作段相對會變得短一些，水流在沉沙池工作段停留的時間也會縮短，達不到理想的泥沙沉淀效率。

該研究通過在沉砂池首部加設調流板的模型試驗，分析了調流板對水流的調節機理和對泥沙沉淀效率提高的作用。研究表明，當水流進入沉砂池后，調流板能減緩來水的較大動能和紊動強度；在沉沙池首部加設調流板后，沉沙池前過渡段的長度縮短，沉沙池占地面積和工程量減小。

參考文獻

[1] 宗全利，劉煥芳，吳均，等.沉沙池中調流板對水流調節作用的試驗研究[J].水資源與水工程學報，2007，18（5）：6-9.

[2] 宗全利，劉煥芳，吳心蓉.沉沙池水流流場分布均勻化改進研究[J].人民黃河，2007，29（4）：73-75.

[3] 華根福，劉煥芳，宗全利.新型平流式沉淀池沉淀效果試驗研究[J].中國水利，2010，29（5）：8-9，35.

[4] 華根福，劉煥芳，宗全利.微灌沉沙池在新疆兵團節水灌溉中的應用研究[J].節水灌溉，2010（4）：44-46，51.