奎屯市東郊水庫入庫沉砂池優化設計模型試驗研究

李爽潔

(深圳市水務規劃設計院股份有限公司新疆分公司，新疆 烏魯木齊 830000)

沉砂池是沉淀挾沙水流中顆粒大于設計沉降粒徑的泥沙，降低水流中含沙量的建筑物，因此沉砂池設計[1]的合理性是其能否有效沉沙的關鍵，近年來，許多學者對此進行了研究，李濤[2]對沉砂池在工程中的適用性及相關問題進行討論并提出建議；戚印鑫等[3- 4]由物理模型試驗得到重力沉砂池水深、流速等結構參數，優化并提高了水沙分離效率；蘇龍[5]對新疆瑪納斯河東岸沉砂池運行規律、工程建后管護等分析后得出最終水利要素和運行規律；胡勝等[6]、周士雄[7]運用FLUENT軟件對沉砂池流場進行模擬和分析；孟俊達等[8]運用CCHE軟件對重力沉砂池結構布置參數進行比選研究。本文根據沉砂池原設計尺寸，通過水工模型試驗，優化入庫沉砂池進口段斜坡段消能方式，使其在實際工程中能更為合理的運用，為類似入庫沉砂池優化設計的工程提供一些參考。

1 工程概況

奎屯市東郊水庫位于新疆維吾爾自治區伊犁哈薩克自治州奎屯市中心以東約7km的市郊，為平原注入式水庫，承擔調蓄奎屯河干流新增分配地表水資源量，并向奎屯—獨山子經濟技術開發區企業供水的任務，工程規模屬Ⅳ等小(1)型，沉砂池為4級建筑物。

新建入庫沉砂池位于新南干渠渠首下游150m處，設計流量3.42m3/s，主要任務是為流入下游東郊水庫的水流進行沉砂處理，采用直線型機械沉砂池。沉砂池兩箱室交替運行，單箱室寬度為15m，沉砂池總長128m，進口閘室段長8m，擴散段長20m，縱坡采用1∶6.897，每個箱室擴散段布置一道導流墩；池身段總長80m，考慮日后機械清淤，底坡i=0，池身采用梯形斷面，池深3.5m，設計淤砂高度1m，末端采用溢流堰連接漸變段至下游渠道，末端漸變段及溢流堰總長20m，原設計平面布置如圖1所示。

圖1 原設計平面布置圖

2 模型試驗設計

2.1 模型設計

根據水工設計參數，確定本次模型試驗幾何比尺為1∶5，為使流入和流出沉砂池的水流流態盡可能與原型相似，以沉砂池0+000樁號為準，向上游模擬長度30m(其中：新南干渠彎道段長度10m、漸變段長度20m)；沉砂池段模擬長度128m，下游渠道7.5m；放空管模型布置鑒于試驗場地限制，布置方向與原設計不同，但管徑和縱坡不變。模型試驗總長165.5m；池寬42.3m。

沉砂池糙率比尺為n模=0.013，采用抹光混凝土進行模擬；放空管采用塑料管模擬；泥沙采用天然砂模擬。模型布置如圖2所示。

圖2 模型整體布置

2.2 測試斷面

沉砂池實際運用時采用兩箱室交替運行，由于兩箱室結構對稱，水流流態一致，本次采用左側箱室進行模型試驗，共劃分17個斷面進行測試。測試斷面布置見表1和圖3。

圖3 測試斷面布置圖

表1 測試斷面及測試內容

3 原設計試驗結果及分析

通過模型試驗驗證原設計中沉砂池的斜坡擴散段、導流墩等設計的合理性，試驗成果見圖4—6。

圖4 水流流態

根據GB 50288—2018《灌溉與排水工程設計標準》附錄D中表D.0.1-2止動幺速可知：10mm粒徑的止動幺速為1.48m/s，0.2mm粒徑的止動幺速為0.36m/s，0.1mm粒徑的止動幺速0.28m/s。

圖5 溢流堰過流流態

對沉砂池進行運行工況下(左側閘門全開，右側閘門全關)的放水試驗，通過試驗觀察和分析得出以下結論：由于擴散角度較大，造成擴散段橫向水流分布極不均勻，主流集中于右岸；雖設導流墩，但導流效果很差，左右岸流速相差較大，左岸流速很小，右岸流速很大，導流墩分隔成的2個通道均有不同程度回流，入池水流翻滾、旋流，水流擾動很大，嚴重影響泥沙沉降；沉砂池為單箱運行，理論上分析有32%以下的泥沙得不到沉淀，沉砂效果較差；溢流堰流速較均勻，水深相差不大，體型設計基本合理。

通過模型試驗可知：需對擴散段優化設計，使水流均勻分布，盡量降低水流擾動，并依靠水流將斜坡段泥沙盡可能帶入池內。

4 優化設計試驗結果及分析

針對斜坡擴散段流速不均勻及導流墩導流效果很差的情況，考慮在擴散段底部斜向增加消力坎，將部分右側水流挑到左側，使水流盡量平順、流速均勻，并形成穩定水躍，現提出4種優化設計。

4.1 優化設計1

保留原設計導流墩，在斜坡段增加2道消力坎；根據試驗中斜坡段水深，初步確定坎高0.25m，坎寬0.15m，沿斜坡段通長布置；1#消力坎右側距閘后0.585m；2#消力坎右側距閘后1.6m。優化設計1如圖7所示，試驗成果及分析如下。

圖6 原設計中測點平均流速布置

圖7 優化設計1

4.1.1試驗成果

優化設計1增加2道消力坎后，斜坡段的擴散水流有較大改善，流速橫向分布比原設計均勻。閘前1—4斷面流速與原設計一致；躍前斷面位于5—6斷面之間，左右岸流速相差1.5m/s；6—6斷面底流速橫向分布均勻；7—7斷面導流墩兩側水流散亂，水浪翻滾；8—8斷面最大流速Vmax=0.59m/s，流速沿程減小；進入沉砂池后的水流相對均勻，主流位于右側。

4.1.2存在問題及建議

優化設計1水流比原設計平順，受導流墩的頂托影響，主流被分為兩股。通過試驗觀察，雖然流速較原設計有所改善，但斜坡段受導流墩阻水影響，水躍不穩定，且導流墩兩側水流散亂、水浪翻滾，對斜坡段沖砂及沉沙有很大影響。8—8斷面Vmax=0.59m/s，9—9斷面Vmax=0.31m/s，流速大于0.1mm粒徑的止動幺速0.28m/s，為此建議將原設計導流墩拆除。

4.2 優化設計2

在優化設計1的基礎上拆除擴散段導流墩，1#、2#消力坎的位置、尺寸和布置不變。優化設計2如圖8所示，試驗成果及分析如下。

圖8 優化設計2

4.2.1試驗成果

1～5斷面流速同優化設計1，拆除導流墩、增加2道消力坎后，在坎左側仍有小范圍雍水現象；擴散段流速橫向分布不均勻，躍前位于5—6斷面之間，不受導流墩頂托，躍頭位置比優化設計1后移0.3m，左右岸流速增大且流速相差2.37m/s；斜坡擴散段主流位于右側，6—6斷面流速分布較均勻；由于擴散角度較大，7—7斷面主流偏向右側，流速分布不均勻，右側流速比左側大；8—8斷面Vmax=0.82m/s，9—9斷面Vmax=0.61m/s，10—10斷面Vmax=0.49m/s；進入沉砂池內的水流相對均勻，主流位于右側。

4.2.2存在問題及建議

根據試驗觀察，拆除導流墩后，擴散段水流明顯改善，并能形成連續水躍，無明顯水流翻滾現象，但6—6斷面最左側有1/4范圍流速較小，表明消力坎挑向左岸的挑流能力不夠。導流墩拆除后，雖然水流流態平穩，水流不再翻滾，但也削弱了消能作用，8—10號斷面流速均比優化設計1有所增大，流速遠大于0.1mm粒徑的止動幺速0.28m/s，建議繼續增加斜向消力坎，將水流挑向左岸的同時加大消能力度。

優化設計1和優化設計2的測點平均流速分布如圖9—10所示。

圖9 優化設計1測點平均流速分布

4.3 優化設計3

為加強右岸消能力度，將更多水流挑向左岸，在優化設計2基礎上，在距閘后2.8m處的右岸增加3#消力坎，坎高0.125m，坎寬0.15m，長2.43m；1#消力坎左側坎高0.20m，右側坎高、位置和長度不變；2#消力坎右側坎高0.275m，左側坎高、位置和長度不變。優化設計3如圖11所示，試驗成果及分析如下。

4.3.1試驗成果

1—5斷面流速同優化設計2，在2道消力坎左側仍有小范圍的雍水現象；斜坡擴散段流速橫向分布較均勻，躍前位于5—6斷面之間，躍頭位置比優化設計2后移0.27m，右岸流速減小，左岸流速增大，左右岸流速相差0.1m/s；斜坡擴散段主流位于左右兩側，中間流速偏小；7—7斷面兩側平均流速0.6m/s左右，中間平均流速僅0.20m/s左右，泥沙淤積在擴散段中部；進入池內的流速分布與7—7斷面相似，兩側大中間小，沿程流速有所減小，8—8斷面Vmax=0.48m/s，9—9斷面Vmax=0.46m/s，10—10斷面Vmax=0.34m/s，優化設計3的測點平均流速分布如圖12所示。

圖10 優化設計2測點平均流速分布

圖11 優化設計方案3

圖12 優化設計3測點平均流速分布

4.3.2存在問題及建議

通過試驗可知，1#消力坎左側坎高降低0.05m，2#消力坎右側坎高增加0.025m，右側增加3#消力坎后，池內水流挑向左側的功能增強，并起到一定消能效果；3#消力坎離水躍很近，對水躍有一定干擾，造成水流在橫向分布不均勻，流態不太穩定，斜坡擴散段中間有泥沙淤積現象，池內流速仍大于0.1mm粒徑的止動幺速0.28m/s。為此建議調整消力坎高度及長度，使流速橫向分布均勻。

4.4 優化設計4

經過反復修改和試驗，最終確定在距閘后0.585m處斜向布置1#消力坎，坎高0.25m，坎寬0.15m，長2.85m；在距閘后1.60m處斜向布置2#消力坎，坎高0.25m，坎寬0.15m，長1.50m。優化設計4如圖13所示，試驗成果及分析如下。

圖13 優化設計4

上游斷面1—4流速與原設計一致，擴散段增加2道消力坎后，5—5斷面流速比原設計有所減小，左岸最大流速2.88m/s，右岸最大流速2.45m/s；取消了左側消力坎后，消力坎前左側壅水現象消失；擴散段水流均勻，躍前位于5—6斷面之間，躍頭距閘后4.25m；6—6斷面流速橫向分布均勻，左岸流速1.45m/s，中間流速1.16m/s，右岸流速1.95m/s，中間流速略小；7—7斷面左右兩側流速大于中間流速，左側最大流速0.37m/s，中間最大流速0.22m/s，右側最大流速0.39m/s；進入沉砂池后的流速分布與7—7斷面相似，沿程流速減小，8—8斷面Vmax=0.34m/s，11—11斷面Vmax=0.25m/s，優化設計4的水流流態及測點平均流速分布如圖14—15所示。

通過以上分析可以看出，水流流態優于前3個優化設計。消力坎前水流平穩，左側壅水現象消失；斜坡擴散段水面橫向比降較小，流速比較均勻，并形成穩定的水躍，如圖14所示。通過布置2道消力坎，既可將水流挑向左側，彌補擴散角過大的缺陷，使水流橫向分布均勻，又能達到消能效果；入池水流最大流速降低到0.34m/s，沉砂池內最大流速減小到0.26m/s以內，因此從理論上分析0.08mm以上的泥沙都會得到沉淀。

圖14 優化設計4水流流態

圖15 優化設計4測點平均流速分布

5 結論和建議

(1)沉砂池原設計中存在的主要問題是斜坡擴散段。由于擴散角度較大，造成水流橫向分布極不均勻，主流集中于右岸，池內2道導流墩的導流效果很差，使進入池內的水流翻滾、旋流，嚴重影響泥沙沉降。

(2)針對原設計擴散段消能型式進行優化設計及試驗分析，最終確定優化設計4為沉砂池擴散段的消能型式，該優化設計水流分布較均勻，消能效果較好，可使入池最大流速降低到0.34m/s，池內最大流速減小到0.26m/s以內，從理論上分析，沉砂池內0.08mm以上的泥沙都能得到沉淀。本次模型試驗成果可為類似工程體型優化方案和相關設計提供參考。