新型沉沙實驗模型設計

凌天圣　沈嘉　陳聰　方海峰　袁俊俊

摘 要：沉沙裝置是用來沉降挾沙水流中過多的泥沙，文章設計的沉沙模型使挾沙水流在水平方向上形成漩渦，破壞含沙量較高的挾沙水流中的絮狀結構，清水流往上移動，泥沙向下沉降，使水流形成一個垂直方向上的異重流，以達到沉沙的效果。試驗結果表明，該模型沉沙效果明顯，如能用于實際工程，可解決水利工程中的泥沙淤積問題。

關鍵詞：沉沙裝置；波浪條；旋轉流

引言

沉沙裝置是用來沉降挾沙水流中過多的泥沙，以減輕下游河道的淤積，滿足供水和航行要求，以及在水利工程中減輕泥沙對水泵的磨損和水電工程中減輕泥沙對水輪機的磨損的一種水工建筑物。通常沉沙池過流斷面大、流速小、水流挾沙能力低，水流中大于設計沉降粒徑的泥沙得以沉降，過池的水流含沙量得以減小。時至今日，沉沙池已經不僅僅是為了減輕河道淤積、減輕泥沙對水泵和水輪機的磨損，逐漸在河道整治、淤培固堤、淤灘造地和整治水環境等地方得到了前所未有的利用和發展。

1 沉沙模型及基本原理

1.1 沉沙模型簡介

新型沉沙實驗模型利用波浪條分離水沙，波浪條近體水流流態呈三維紊流特征，包含多種流態，如分離流、旋轉流等。利用波浪條突頭和凹肚結構對挾沙水流的作用促使泥沙沉降，以達到沉沙裝置的沉沙效果。

1.2 基本原理

1.2.1 繞行的泥沙輸沙率

1.2.2 長度的確定

沉沙裝置的長度與挾沙水流的最大設計流速和泥沙沉降必需的停留時間有關，所以沉沙裝置長度為式（2）：

L=？淄·t （2）

式中：L-沉沙裝置長度，m；？淄-最大設計水流速度，m/s；t-最大設計流速時泥沙的停留時間，s。

假設挾沙水流的速度為1.0m/s，泥沙的停留時間為6.0s，沉沙裝置的設計工作長度取計算長度的1.2倍，則沉沙裝置的長度為7.2m。實驗模型的縮小比例為1：10，則實驗模型的長度為720mm。

1.2.3 沉沙原理

挾沙水流流態呈三維紊流特征，包含分離流、旋轉流等多種流態。紊流是不穩定的漩渦流，在沉沙模型中，主要關注的是大尺度漩渦的運動。在波浪條凹肚處設置斜板，使挾沙水流不僅能夠在水平方向上形成漩渦流，而且由于斜板的隔斷作用，破壞了含沙量較高的挾沙水流中的絮狀結構，從而形成一些小小的絮團，絮團沿著斜板上表面由高處往低處滾動下沉，斜板下表面水流含沙量較小，沿著斜板下表面由低處往高處上滲，整體上形成一個垂直方向上的異重流，使水流往上移動，而泥沙往下沉降。

1.2.4 水流挾沙能力

影響到水流挾沙能力的因素有很多，比如水流條件、來沙條件、床面條件等。水流的挾沙能力可以通過一些經驗公式進行計算，文章采用廣泛應用的張瑞瑾公式，式（3）。

式中： U-水流平均流速（m/s）；H-平均水深（m）；g-重力加速度（m/s2）；？棕-床沙質平均沉速（m/s）；S-水流挾沙能力（kg/m3）；K-含量綱的系數（kg/m3）；m-指數。

由式（3）可知影響水流的挾沙能力的主要因素有流速U、水深H和床沙質平均沉速？棕。提高設計的沉沙池的沉沙效率，應該從減小水流的挾沙能力入手，減小水流平均速度，從而使水流挾沙能力下降，泥沙在沉沙池內沉降下來。

2 實驗結果及數據分析

2.1 試驗數據

與無沉沙裝置時的數值進行對比，可見有沉沙裝置的沉沙效果明顯。

2.2 實驗數據分析

可以看出無沉沙裝置時，水流流速較小時，沉沙量較少；隨著流速增加，沉沙量有所增加；而當水流流速增大到一定程度時，沉沙量反而減少；有沉沙裝置時，沉沙量都大于無沉沙裝置情況。隨著水流流速加大，沉沙裝置的沉沙量逐漸增多；但當流速達到0.80m/s以上時，沉沙量增長率趨于平緩。

分析出現該現象的原因為：當流速較小時，由于泥沙還未全部起動，導致水流含沙量較少，兩者沉沙量均較少；隨著水流流速增大，大部分泥沙起動，水流含沙量增大，無沉沙裝置不能留住泥沙，沉得的沙量變化不大，而有沉沙裝置的沉沙量則能隨著水流含沙量的增大而增大；當水流流速很大時，泥沙全部起動，無沉沙裝置由于無法留住泥沙，反而被水流挾走，而有沉沙裝置時的沉沙量變化不大且有小幅增長。

3 沉沙裝置理想三維模型

實驗證實此沉沙裝置有良好的沉沙效果，在一定流速的挾沙水流中能夠很好地把泥沙分離、沉降下來。根據沉沙裝置的使用環境的不同，可將沉沙裝置設計成兩種不同的形式，如圖3和圖4所示。其中圖3為箱型沉沙裝置，可用于一般的挾沙渾水。圖4所為樁臺式沉沙裝置，可用于航道治理和淤培固堤，固定在懸鏈上的波浪條沉沙裝置可隨兩邊平臺的升降而升降，以適應不同高度的岸坡，直到淤積的泥沙露出水面，形成岸坡。這樣的樁臺式沉沙裝置，通過固定在打入泥里的樁，使得沉沙建筑物的造價大大降低，當淤積泥沙露出水面后，岸坡穩定，沉沙裝置可以移走重復利用，經濟又環保，是未來環境治理和航道整治的良好戰將。

4 結束語

文章所設計的新型沉沙裝置可以用來沉降挾沙水流中的泥沙，如能用于實際工程可減輕下游河道的淤積，在水利工程中減輕泥沙對水泵的磨損和水電工程中減輕泥沙對水輪機的磨損，今后將會對該模型在實際工程中應用進一步展開研究。

參考文獻

[1]黃鎮國，張偉強.珠江三角洲口門近期淤積及其對港口航道的影響[J].廣州：地理與地理信息科學，2005.

[2]交通部第一航務工程局勘察設計院.海港工程設計手冊[M].北京：人民交通出版社，1997.

[3]彭靜.丁壩水流及沖刷：可視化與三維數值模擬[M].鄭州：黃河水利出版社，2004.

[4]應強，焦志斌.丁壩水力學[M].北京：海洋出版社，2004.

[5]朱超，邱秀云，劉艷.垂向異重流式水沙分離鰓鰓片形式對水沙分離的影響研究[J].新疆農業大學學報，2008.

[6]黎運 ，楊晉營，張金凱.水利水電工程沉沙池設計[M].中國水利水電出版社，2004.

摘 要：沉沙裝置是用來沉降挾沙水流中過多的泥沙，文章設計的沉沙模型使挾沙水流在水平方向上形成漩渦，破壞含沙量較高的挾沙水流中的絮狀結構，清水流往上移動，泥沙向下沉降，使水流形成一個垂直方向上的異重流，以達到沉沙的效果。試驗結果表明，該模型沉沙效果明顯，如能用于實際工程，可解決水利工程中的泥沙淤積問題。

關鍵詞：沉沙裝置；波浪條；旋轉流

引言

沉沙裝置是用來沉降挾沙水流中過多的泥沙，以減輕下游河道的淤積，滿足供水和航行要求，以及在水利工程中減輕泥沙對水泵的磨損和水電工程中減輕泥沙對水輪機的磨損的一種水工建筑物。通常沉沙池過流斷面大、流速小、水流挾沙能力低，水流中大于設計沉降粒徑的泥沙得以沉降，過池的水流含沙量得以減小。時至今日，沉沙池已經不僅僅是為了減輕河道淤積、減輕泥沙對水泵和水輪機的磨損，逐漸在河道整治、淤培固堤、淤灘造地和整治水環境等地方得到了前所未有的利用和發展。

1 沉沙模型及基本原理

1.1 沉沙模型簡介

新型沉沙實驗模型利用波浪條分離水沙，波浪條近體水流流態呈三維紊流特征，包含多種流態，如分離流、旋轉流等。利用波浪條突頭和凹肚結構對挾沙水流的作用促使泥沙沉降，以達到沉沙裝置的沉沙效果。

1.2 基本原理

1.2.1 繞行的泥沙輸沙率

1.2.2 長度的確定

沉沙裝置的長度與挾沙水流的最大設計流速和泥沙沉降必需的停留時間有關，所以沉沙裝置長度為式（2）：

L=？淄·t （2）

式中：L-沉沙裝置長度，m；？淄-最大設計水流速度，m/s；t-最大設計流速時泥沙的停留時間，s。

假設挾沙水流的速度為1.0m/s，泥沙的停留時間為6.0s，沉沙裝置的設計工作長度取計算長度的1.2倍，則沉沙裝置的長度為7.2m。實驗模型的縮小比例為1：10，則實驗模型的長度為720mm。

1.2.3 沉沙原理

挾沙水流流態呈三維紊流特征，包含分離流、旋轉流等多種流態。紊流是不穩定的漩渦流，在沉沙模型中，主要關注的是大尺度漩渦的運動。在波浪條凹肚處設置斜板，使挾沙水流不僅能夠在水平方向上形成漩渦流，而且由于斜板的隔斷作用，破壞了含沙量較高的挾沙水流中的絮狀結構，從而形成一些小小的絮團，絮團沿著斜板上表面由高處往低處滾動下沉，斜板下表面水流含沙量較小，沿著斜板下表面由低處往高處上滲，整體上形成一個垂直方向上的異重流，使水流往上移動，而泥沙往下沉降。

1.2.4 水流挾沙能力

影響到水流挾沙能力的因素有很多，比如水流條件、來沙條件、床面條件等。水流的挾沙能力可以通過一些經驗公式進行計算，文章采用廣泛應用的張瑞瑾公式，式（3）。

式中： U-水流平均流速（m/s）；H-平均水深（m）；g-重力加速度（m/s2）；？棕-床沙質平均沉速（m/s）；S-水流挾沙能力（kg/m3）；K-含量綱的系數（kg/m3）；m-指數。

由式（3）可知影響水流的挾沙能力的主要因素有流速U、水深H和床沙質平均沉速？棕。提高設計的沉沙池的沉沙效率，應該從減小水流的挾沙能力入手，減小水流平均速度，從而使水流挾沙能力下降，泥沙在沉沙池內沉降下來。

2 實驗結果及數據分析

2.1 試驗數據

與無沉沙裝置時的數值進行對比，可見有沉沙裝置的沉沙效果明顯。

2.2 實驗數據分析

可以看出無沉沙裝置時，水流流速較小時，沉沙量較少；隨著流速增加，沉沙量有所增加；而當水流流速增大到一定程度時，沉沙量反而減少；有沉沙裝置時，沉沙量都大于無沉沙裝置情況。隨著水流流速加大，沉沙裝置的沉沙量逐漸增多；但當流速達到0.80m/s以上時，沉沙量增長率趨于平緩。

分析出現該現象的原因為：當流速較小時，由于泥沙還未全部起動，導致水流含沙量較少，兩者沉沙量均較少；隨著水流流速增大，大部分泥沙起動，水流含沙量增大，無沉沙裝置不能留住泥沙，沉得的沙量變化不大，而有沉沙裝置的沉沙量則能隨著水流含沙量的增大而增大；當水流流速很大時，泥沙全部起動，無沉沙裝置由于無法留住泥沙，反而被水流挾走，而有沉沙裝置時的沉沙量變化不大且有小幅增長。

3 沉沙裝置理想三維模型

實驗證實此沉沙裝置有良好的沉沙效果，在一定流速的挾沙水流中能夠很好地把泥沙分離、沉降下來。根據沉沙裝置的使用環境的不同，可將沉沙裝置設計成兩種不同的形式，如圖3和圖4所示。其中圖3為箱型沉沙裝置，可用于一般的挾沙渾水。圖4所為樁臺式沉沙裝置，可用于航道治理和淤培固堤，固定在懸鏈上的波浪條沉沙裝置可隨兩邊平臺的升降而升降，以適應不同高度的岸坡，直到淤積的泥沙露出水面，形成岸坡。這樣的樁臺式沉沙裝置，通過固定在打入泥里的樁，使得沉沙建筑物的造價大大降低，當淤積泥沙露出水面后，岸坡穩定，沉沙裝置可以移走重復利用，經濟又環保，是未來環境治理和航道整治的良好戰將。

4 結束語

文章所設計的新型沉沙裝置可以用來沉降挾沙水流中的泥沙，如能用于實際工程可減輕下游河道的淤積，在水利工程中減輕泥沙對水泵的磨損和水電工程中減輕泥沙對水輪機的磨損，今后將會對該模型在實際工程中應用進一步展開研究。

參考文獻

[1]黃鎮國，張偉強.珠江三角洲口門近期淤積及其對港口航道的影響[J].廣州：地理與地理信息科學，2005.

[2]交通部第一航務工程局勘察設計院.海港工程設計手冊[M].北京：人民交通出版社，1997.

[3]彭靜.丁壩水流及沖刷：可視化與三維數值模擬[M].鄭州：黃河水利出版社，2004.

[4]應強，焦志斌.丁壩水力學[M].北京：海洋出版社，2004.

[5]朱超，邱秀云，劉艷.垂向異重流式水沙分離鰓鰓片形式對水沙分離的影響研究[J].新疆農業大學學報，2008.

[6]黎運 ，楊晉營，張金凱.水利水電工程沉沙池設計[M].中國水利水電出版社，2004.

摘 要：沉沙裝置是用來沉降挾沙水流中過多的泥沙，文章設計的沉沙模型使挾沙水流在水平方向上形成漩渦，破壞含沙量較高的挾沙水流中的絮狀結構，清水流往上移動，泥沙向下沉降，使水流形成一個垂直方向上的異重流，以達到沉沙的效果。試驗結果表明，該模型沉沙效果明顯，如能用于實際工程，可解決水利工程中的泥沙淤積問題。

關鍵詞：沉沙裝置；波浪條；旋轉流

引言

沉沙裝置是用來沉降挾沙水流中過多的泥沙，以減輕下游河道的淤積，滿足供水和航行要求，以及在水利工程中減輕泥沙對水泵的磨損和水電工程中減輕泥沙對水輪機的磨損的一種水工建筑物。通常沉沙池過流斷面大、流速小、水流挾沙能力低，水流中大于設計沉降粒徑的泥沙得以沉降，過池的水流含沙量得以減小。時至今日，沉沙池已經不僅僅是為了減輕河道淤積、減輕泥沙對水泵和水輪機的磨損，逐漸在河道整治、淤培固堤、淤灘造地和整治水環境等地方得到了前所未有的利用和發展。

1 沉沙模型及基本原理

1.1 沉沙模型簡介

新型沉沙實驗模型利用波浪條分離水沙，波浪條近體水流流態呈三維紊流特征，包含多種流態，如分離流、旋轉流等。利用波浪條突頭和凹肚結構對挾沙水流的作用促使泥沙沉降，以達到沉沙裝置的沉沙效果。

1.2 基本原理

1.2.1 繞行的泥沙輸沙率

1.2.2 長度的確定

沉沙裝置的長度與挾沙水流的最大設計流速和泥沙沉降必需的停留時間有關，所以沉沙裝置長度為式（2）：

L=？淄·t （2）

式中：L-沉沙裝置長度，m；？淄-最大設計水流速度，m/s；t-最大設計流速時泥沙的停留時間，s。

假設挾沙水流的速度為1.0m/s，泥沙的停留時間為6.0s，沉沙裝置的設計工作長度取計算長度的1.2倍，則沉沙裝置的長度為7.2m。實驗模型的縮小比例為1：10，則實驗模型的長度為720mm。

1.2.3 沉沙原理

挾沙水流流態呈三維紊流特征，包含分離流、旋轉流等多種流態。紊流是不穩定的漩渦流，在沉沙模型中，主要關注的是大尺度漩渦的運動。在波浪條凹肚處設置斜板，使挾沙水流不僅能夠在水平方向上形成漩渦流，而且由于斜板的隔斷作用，破壞了含沙量較高的挾沙水流中的絮狀結構，從而形成一些小小的絮團，絮團沿著斜板上表面由高處往低處滾動下沉，斜板下表面水流含沙量較小，沿著斜板下表面由低處往高處上滲，整體上形成一個垂直方向上的異重流，使水流往上移動，而泥沙往下沉降。

1.2.4 水流挾沙能力

影響到水流挾沙能力的因素有很多，比如水流條件、來沙條件、床面條件等。水流的挾沙能力可以通過一些經驗公式進行計算，文章采用廣泛應用的張瑞瑾公式，式（3）。

式中： U-水流平均流速（m/s）；H-平均水深（m）；g-重力加速度（m/s2）；？棕-床沙質平均沉速（m/s）；S-水流挾沙能力（kg/m3）；K-含量綱的系數（kg/m3）；m-指數。

由式（3）可知影響水流的挾沙能力的主要因素有流速U、水深H和床沙質平均沉速？棕。提高設計的沉沙池的沉沙效率，應該從減小水流的挾沙能力入手，減小水流平均速度，從而使水流挾沙能力下降，泥沙在沉沙池內沉降下來。

2 實驗結果及數據分析

2.1 試驗數據

與無沉沙裝置時的數值進行對比，可見有沉沙裝置的沉沙效果明顯。

2.2 實驗數據分析

可以看出無沉沙裝置時，水流流速較小時，沉沙量較少；隨著流速增加，沉沙量有所增加；而當水流流速增大到一定程度時，沉沙量反而減少；有沉沙裝置時，沉沙量都大于無沉沙裝置情況。隨著水流流速加大，沉沙裝置的沉沙量逐漸增多；但當流速達到0.80m/s以上時，沉沙量增長率趨于平緩。

分析出現該現象的原因為：當流速較小時，由于泥沙還未全部起動，導致水流含沙量較少，兩者沉沙量均較少；隨著水流流速增大，大部分泥沙起動，水流含沙量增大，無沉沙裝置不能留住泥沙，沉得的沙量變化不大，而有沉沙裝置的沉沙量則能隨著水流含沙量的增大而增大；當水流流速很大時，泥沙全部起動，無沉沙裝置由于無法留住泥沙，反而被水流挾走，而有沉沙裝置時的沉沙量變化不大且有小幅增長。

3 沉沙裝置理想三維模型

實驗證實此沉沙裝置有良好的沉沙效果，在一定流速的挾沙水流中能夠很好地把泥沙分離、沉降下來。根據沉沙裝置的使用環境的不同，可將沉沙裝置設計成兩種不同的形式，如圖3和圖4所示。其中圖3為箱型沉沙裝置，可用于一般的挾沙渾水。圖4所為樁臺式沉沙裝置，可用于航道治理和淤培固堤，固定在懸鏈上的波浪條沉沙裝置可隨兩邊平臺的升降而升降，以適應不同高度的岸坡，直到淤積的泥沙露出水面，形成岸坡。這樣的樁臺式沉沙裝置，通過固定在打入泥里的樁，使得沉沙建筑物的造價大大降低，當淤積泥沙露出水面后，岸坡穩定，沉沙裝置可以移走重復利用，經濟又環保，是未來環境治理和航道整治的良好戰將。

4 結束語

文章所設計的新型沉沙裝置可以用來沉降挾沙水流中的泥沙，如能用于實際工程可減輕下游河道的淤積，在水利工程中減輕泥沙對水泵的磨損和水電工程中減輕泥沙對水輪機的磨損，今后將會對該模型在實際工程中應用進一步展開研究。

參考文獻

[1]黃鎮國，張偉強.珠江三角洲口門近期淤積及其對港口航道的影響[J].廣州：地理與地理信息科學，2005.

[2]交通部第一航務工程局勘察設計院.海港工程設計手冊[M].北京：人民交通出版社，1997.

[3]彭靜.丁壩水流及沖刷：可視化與三維數值模擬[M].鄭州：黃河水利出版社，2004.

[4]應強，焦志斌.丁壩水力學[M].北京：海洋出版社，2004.

[5]朱超，邱秀云，劉艷.垂向異重流式水沙分離鰓鰓片形式對水沙分離的影響研究[J].新疆農業大學學報，2008.

[6]黎運 ，楊晉營，張金凱.水利水電工程沉沙池設計[M].中國水利水電出版社，2004.