圆中环沉沙排沙池模型试验比尺设计

□张文剑 □张 军

（1新疆塔里木河流域阿克苏管理局；2新疆水利水电勘测设计研究院）

0 引言

新疆河流多为山区性河流，具有含沙量量大，如阿克苏河、和田河、叶尔羌河及克孜河等，尤其是推移质泥沙含量较大，多采用底栏栅式及分层式等多种一级泥沙处理设施，同时布设冲沙闸槽、曲线沉沙池和厢型沉沙池等二级泥沙设施处理泥沙，这些形式的防沙设施可起到积极的防沙作用[1]。随着社会的快速发展，河道的引水比大幅度提高，甚至达到100%。由于上述沉沙设施截沙率有限、排沙耗水率较大，仍有部分泥沙进入灌溉渠道，造成渠道淤积，每年需投入大量人力、物力、财力清淤。因此，人们对二级泥沙处理设施不断改进和创新，提高其截沙率及排沙耗水率。

圆中环沉沙排沙池（以下简称“圆中环”）是一种治理泥沙的新型技术设施，它首次应用于新疆呼图壁阿苇滩渠首，重点解决了引水渠泥沙淤积问题，为石梯子乡阿苇滩灌区农业用水提供保障。2006年运行至今，沉沙排沙效果良好[1-3]。

1 “圆中环”结构形式及概况

新疆呼图壁阿苇滩“圆中环”设计引水流量2.00m3/s。它由进水渠、进水廊道、汇流槽、冲沙槽、倒锥底坡、中心出水环、溢流堰、冲沙廊道、环流闸、冲沙闸、出水渠等建筑物组成[1-3]。外径为32m，内径为30m，进水廊道2.00m×0.75m，纵坡i=2%，汇流槽宽1.00m，纵坡i=1%，冲沙槽宽3.00m，纵坡i=2.35%，倒锥底坡坡度12.7%～21.8%，中心出水环直径D=2.00m，环流闸孔尺寸3.00m×0.75m，冲沙闸孔尺寸1.50m×1.50m。结构形式见图1。

图1 （a） 原型中心出水环不加高照片图

图1 （b） 0～180°剖面图

图1 （c） 270～90°剖面图

2 “圆中环”模型设计

“圆中环”的水工模型采用正态模型，按重力相似准则设计[4]，即几何相似、水流运动相似和泥沙运动相似。模型比尺[5-7]如下：

（1）几何相似：

（2）水流重力相似条件：

（3）水流阻力相似条件：

（4）水流连续相似条件：

（5）水流挟沙相似条件：

（6）泥沙悬移相似条件：

（7）泥沙起动相似条件：

式中：λL-水平比尺；λH-垂直比尺；Lp-原型长度；Lm-模型长度；λV-流速比尺；λn-糙率比尺；λQ-流量比尺；λt-水流运动时间比尺；λS-含沙量比尺；λS*-水流挟沙力比尺；λγS-泥沙的重率比尺，λγS-γ-泥沙的相对重率比尺；λW-泥沙沉速比尺；λVc-泥沙起动流速比尺；λVf-泥沙扬动流速比尺。

根据试验供水、场地等条件，为了保证“圆中环”清水流速分布测试结果的准确性，在清水模型设计中需保证几何相似及水流运动相似。为了确保含沙量及颗粒粒径测试结果的正确性，在泥沙模型设计中需满足泥沙运动相似条件。模型沙选择是泥沙模型设计中的一个关键问题，直接关系到泥沙模型能否正确模拟“圆中环”内水流泥沙运动。“圆中环”内含沙量分布、沉沙粒径分布、排沙过程及排沙耗水率测试采用悬移质模型设计。由于“圆中环”中的各级泥沙颗粒主要考虑沉降问题，所以在选择悬沙粒径比尺时，沉降相似是首要条件[6]。“圆中环”最大沉沙粒径测试采用推移质模型设计。推移质模型设计按起动相似条件选沙，如果条件允许，尽可能选择天然沙作为推移质，这样可使水流运动和泥沙运动时间比尺达到统一，提高试验精度[8]。因此，“圆中环”悬移质模型设计泥沙选择天然粉沙，推移质模型设计泥沙选择天然中砾沙。“圆中环”模型比尺、水力要素比尺、泥沙比尺如下：

其中变率η=1，水流运动粘滞性系数比尺λV=1，λγS-γ=1。

为了满足水流阻力相似，“圆中环”原型结构材料为钢筋混凝土，一般糙率为（1.40～1.70）×10-2，糙率比尺λn=1.55，相应模型材料糙率应为（0.90～1.10）×10-2，聚氯乙烯板糙率为9.30×10-3，与钢筋混凝土糙率基本一致，“圆中环”模型材料采用聚氯乙烯板。

在悬移质模型设计中，根据原型沙容重为2.65g/cm3，中值粒径d50=0.68mm，原型沙中<0.28mm颗粒含量为11%，悬沙粒径比尺。模型沙为天然粉沙，密度为2.62g/cm3，中值粒径d50=0.15mm，粉沙中<7.50×10-2颗粒含量为14.60%。模型沙与原型沙粒径级配基本一致。

在推移质模型设计中，根据“圆中环”原型进水渠中最大沉沙粒径为130mm，推移质粒径比尺λd=14。模型沙为天然中砾沙，最大粒径为10mm，密度2.66g/cm3，中值粒径d50=1.30mm。

2 模型验证及分析

“圆中环”水流阻力相似通过模型溢流堰上水深与原型堰上水深进行对比验证，且均是在清水条件下测试堰上水深。模型试验可以较好的保证清水条件，原型试验只能选择在相对清水条件下进行。为此，测试原型堰上水深时，依据呼图壁河流泥沙季节性特点，避开引水含沙量较大的月份，选择在当年9-10月份之间测试，该月引水含沙量较小，水流相对较清，同时减小“圆中环”内沉沙量对水流条件的影响，保证在“圆中环”排沙结束进入正常运行后进行测试，以满足原型与模型测试水流条件基本相同。原型测试设计引水流量Q=2.00m3/s，模型流量Q=2.727L/s，水深测试选择4个测试点，分别为“圆中环”0，90，180，270°方向所对应的堰上水深。对比结果如表1所示，原型堰上水深与模型水深误差均<5%，吻合较好，可见模型与原型水流阻力相似条件基本满足要求。

表1 溢流堰上水深对比表

“圆中环”沉沙排沙相似的验证通过原型和模型的沉沙形态、排沙过程、淤沙形态照片资料进行对比分析。“圆中环”排沙时首先打开冲沙闸，“圆中环”内水位下降，135～225°范围沉沙量较大，沉沙形态相似，如图2(a、b)所示。随着水位不断下降，水流均首先在90°及270°方向范围冲沙逐渐推进至180°方向，将沉沙冲入冲沙槽并进入下游河道中，冲沙过程相似，如图2(c、d)照片。冲沙结束后，沉沙基本排入下游河道，“圆中环”内仅有少量淤沙位于进水廊道前段顶部，这些淤沙基本不影响“圆中环”正常安全运行，淤沙形态相似，如图2(e、f)照片。因此“圆中环”模型的沉沙形态、排沙过程、淤沙形态基本符合原型，说明模型在悬移质运动及泥沙沉降等方面与原型是基本相似的。

图2 “圆中环”排沙时沉沙排沙形态图

3 结论

“圆中环”的水工模型采用正态模型，按重力相似准则设计，经充分论证模型比尺和科学选沙，原型堰上水深与模型水深吻合较好，模型的沉沙形态、排沙过程、淤沙形态基本符合原型。试验结果表明，模型与原型水流阻力相似条件基本满足要求，模型在悬移质运动及泥沙沉降等方面与原型是基本相似的。

[1]张军，侍克斌，高亚平，王进．圆中环沉沙排沙池浑水沉沙特性研究[J].农业工程学报，2014，30(13)：86－93.

[2]张军，侍克斌，高亚平，王进．圆中环沉沙排沙池流速分布规律研究[J].水利水电科技进展，2015，35(3)：34－36.

[3]张军，侍克斌，高亚平，王进.中心出水环高对圆中环沉沙排沙池流速分布影响研究[J].中国农村水利水电，2014(10)：113－115.

[4]刘宝星.圆中环沉沙排沙过滤池水工模型试验研究与数值分析[D].乌鲁木齐:新疆农业大学,2013.