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漏斗式全沙排沙技术研究与应用

2004-01-12 06:45:14 《中国三峡建设》 2004年5期

周 著等

摘要:漏斗式全沙排沙技术简称“排沙漏斗”,是经过10余年系列模型试验及原型观测获得成功的。其成果于1998年通过新疆维吾尔自治区科委组织的国内专家鉴定,成果属国际先进水平。对粒径大于0.5mm的粗沙直至数十厘米的卵石可100%排除,对粒径0.5~0.05mm的细沙其排除率达90%以上,排沙耗水量平均仅占引水量的3%-5%。该成果于1995年列为新疆维吾尔自治区科技新项目,获国家发明专利(专利号96114757.1),荣获2001年国家科技进步二等奖和1998年度新疆维吾尔自治区科技进步一等奖,现已签约拟建54项(含四川、湖南、辽宁、陕西和浙江等省10项),其中32项已投产运行。

关键词:排沙漏斗;模型试验;清水流场;浑水流场

中图分类号:S27文献标识码:A

1前言

泥沙问题是世界普遍关注的大问题,解决河渠泥沙灾害,是水利工作者们多年来的攻关难题。在新疆,水资源贫乏,河流又都属于山溪性河流,河水含沙量大,引水就得防沙。我国西北与西南等许多地区的河流沙害问题亦类似。过去解决灌溉和引水发电等的沙害问题,主要采用由原苏联引人的曲线型沉沙池和厢型沉沙池等排沙设施,可这些设施只能排除引水中的小部分来沙,但排沙耗水量却要占到引水量的30%左右,这样大的排沙耗水量在新疆难以使用,致使沙害日趋严重。本技术与它们相比较,每处理l0m3/s的含沙水流,每年就可以节省2000多万立方米的冲沙水量,相当于一座中型水库的蓄水量。特别是该技术于1995年开始大量成功地使河渠水用于喷、滴灌工程,解决了喷、滴灌水源过去主要靠抽取地下水而难以大量推广的问题。河流中的泥沙有着危害和可以利用两方面的作用。一般来说是害大于利,那我们首先就谈它的危害,新疆河流多系山溪性河流,洪水期水流含沙量高达7-14kg/m3,一般为1-5kg/m3,推移质约占悬移质泥沙的8%-15%左右。引水就必须防沙,自50年代以来,先后引入印度式、原苏联的费尔干式、底栏栅式及分层式等多种型式的引水防沙渠首。同时加设二级泥沙处理设施曲线型沉沙池和厢型沉沙池等。这些型式的防沙设施的截沙率约为40%左右;但要耗约30%的渠道引水量冲沙,致使这些设施90%以上都搁置不用或已报废。然而这些设施在早期对新疆工农业的发展都起了积极作用。随着生产的迅速发展,河道的引水比不断增高(一般在70%以上,甚至高达100%),渠道进沙量也急剧增加,而冲沙水量却日趋于贫乏,入渠泥沙的危害更加严重。如新疆轮台县迪那河干渠干砌卵石渠道,建成后运行仅2年,渠道卵石被磨掉15-20cm,设计引水量为40m3/s的渠道引水量还达不到20m3/s;喀什地区疏勒县跃进干渠,入渠泥沙为颗粒小于lmm的细沙,水流含沙量达6.7kg/m3,干渠至农渠的年平均淤沙约30万m3,年均投入渠道清淤劳力15万个,成为灌区第一大灾害;泥沙对电站的危害在新疆600多座引水式电站中都不同程度地存在,有些电站还非常严重,如新疆克孜河上的喀什一级电站的10台水轮机、石河子红山嘴电厂的13台水轮机,经过一个汛期就得全部更换或者大修,压力钢管壁磨损仅剩2mm厚。在新疆境外其它地区,黄河的沙害是众所周知,它上游支流泾河泾惠引水渠,现在每年汛期因泥沙危害有20~30天不能引水,造成的灌区损失非常严重;辽河主要支流柳河,1975年在其河上建成一抽水站,首次抽水就将灌区渠道全部淤死,后再一次都没用而就报废。因此,生产上急待解决的问题迫使我们尽快研究出一种分离泥沙效果好、同时耗水量又小的新型泥沙分离技术设施。另外,从河流泥沙的兴利方面来说,若能按其用途将泥沙有效地分离出来,作为建筑、淤地和筑堤等材料,也希望我们尽快研究出这种泥沙分离新技术设施。

1983年我们开始潜心致力于这一世界性泥沙难题的研究。通过新疆维吾尔自治区重点技术开发(含攻关)项目《悬沙排沙漏斗研究》的立项研究,并在国家自然科学基金项目《漏斗涡流特性及其输沙机理的研究》、水利部配合世行贷款子项目《渠道螺旋流排沙模型试验》、国家重点实验室基金项目《漏斗涡流紊动结构研究》等众多重要项目支持下,通过系列模型试验的分析研究和大量原型工程实践经验总结,终于获得了既可分离推移质泥沙又可分离悬移质泥沙、取名为《漏斗式全沙排沙技术》(简称“排沙漏斗”)的最新技术设施。该成果于1995年被列为新疆维吾尔自治区科技兴新项目,1996年获国家发明专利(专利号为96114757.1),1998年经新疆维吾尔自治区科技厅组织国内专家鉴定为国际先进水平,荣获2001年国家科技进步二等奖和1998年新疆维吾尔自治区科技进步一等奖。

该漏斗式全沙排沙技术设施的主要经济技术指标为:

(1)处理流量范围不限(实际应用已达0.02m3/s~65m3/s)。

(2)对粒径大于0.5mm的泥沙甚至数十厘米的卵石可100%分离,对粒径为0.5-0.05mm的泥沙可分离出90%以上,对粒径为0.05~0.025mm的泥沙在实际工程中的分离率已平均达78.8%。

(3)随泥沙一起分离出的水量平均仅占总引水量的3%~5%。

(4)漏斗人口前的水头大于0.2m即可,用于已建成的水电站可不降低原发电水头。

(5)可以在渠道设计流量的变幅达80%的范围内正常工作。

该泥沙排沙技术所具有的突出特点是:按工程要求排除不同粒径级泥沙的效率、处理含沙水流的范围和排沙耗水率等重要经济技术指标,均远远优于目前国内外其它所有排沙设施,工程结构简单,造价低廉,运行管理方便且基本上不耗运行费用,工作稳定可靠。

2 排沙漏斗主要结构

排沙漏斗主要结构包括与上游引水道的连接段、漏斗入流有压管道、漏斗室(含调流装置),漏斗中心输沙底孔和后接输沙廊道和漏斗溢流侧槽等。关于上述各部分结构的主要作用以及在设计布置上的要求是:

(1)与上游引水道的连接段是将需要处理的含沙水流顺畅地导入漏斗进流管道,该连接段轴线的走向就是漏斗入流管道的走向;其轴线与引水道纵轴线的夹角为10o~30o,连接段的顶部允许溢流或者不滥流,若要求分离的泥沙为推移质泥沙或者是悬移质中的粗颗粒部分时,仅将含这部分粗颗粒泥沙的水流导入漏斗人流管道,其余含有不要处理的悬沙水流可通过连接段顶邪直接溢入下游原渠道:若要求处理的泥沙包括悬移质中的较细颗粒泥沙则连接段顶部不允许溢流,让引水道中的含沙水流全部进入漏斗入流管道。

(2)漏斗人流有压管道呈矩形,管内含沙水流呈有压流,要求水流以适当的流速经此管道进入漏斗室,对其宽、高尺寸均有严格要求,这种要求主要由人流量的大小、以及漏斗直径的大小等综合因素决定,管道内的一侧内壁与漏斗室内的园周直壁相切,使由管道进入漏斗室的水流首先靠近室的周壁旋转流动进而形成螺旋流。

(3)漏斗室包括园周形直壁、锥形室底、水平悬板和悬板末端下部的调流墩。园周形直壁、水平悬板和悬板末端下部的调流墩三者的主要作用是共同约束与调控进人漏斗室内的含沙水流,使水流在其室内形成具有强烈的水沙分离作用的立轴型三维螺旋流。悬板的外缘长等于漏斗的半周长,宽度与漏斗的直径成正比变化。调流墩高度与人流管道高度相同,宽度与悬板的宽度成正比变化。漏斗室的直径大小由人室流量及泥沙粒径大小等因素决定.它随流量的增大而增大,随泥沙粒径的增大而减小,而一定直径的漏斗可适应流量的变幅达80%。锥形室底的底坡与要求分离出的泥沙粒径大小及室内水流含沙浓度有关,泥沙粒径粗与水流含沙浓度低、其坡度可缓些;泥沙粒径细与泥沙浓度高则坡度应陡些,其坡度一般为1:1~l:50。

(4)漏斗中心输沙底孔的孔径是可变的,通过孔径的调控,可控制输沙的耗水量和改变漏斗室内的流场强度,以有利于不同粒径与不同浓度的泥沙的分离,分离出的泥沙亦通过它进入下游输沙廊道,它是输送高沙量或大颗粒泥沙的通道,故要特别注意输沙道的坡度必须满足水力输沙的条件要求,若地形条件满足不了输沙道的坡度要求,则可将底孔出来的泥沙送人一定深度的集沙井,再从井中将泥沙抽走。

(5)漏斗溢流侧槽是漏斗室内分离了泥沙过后的“清水”通过它进入原引水道,它的设计按—般明槽考虑,但应注意槽内水位不要超过漏斗悬板顶部。

3 漏斗排沙的工作原理及实验研究

3.1 泥沙对排沙漏斗流场的影响分析

排沙漏斗的水沙分离主要足充分利用了三维立轴型螺旋流的特性。含沙水流经漏斗人流管道沿漏斗园周壁切向进入漏斗室后,受其边界的约束就必然产生一强度较高的环流,此水流又同时受到置于漏斗室内的水平悬板和调流墩等调流装置作用而引发多种形式的副流;在漏斗中心由于输沙底孔的存在而产生一自由涡,上述环流、多种副流和中心自由涡的耦合,便形成一稳定的、具有中心空气漏斗的三维立轴型螺旋流,在中心空气漏斗周围存在高速垂向流速,对于推移质泥沙.便由于这种三维螺旋水流和重力的共同作用被迅速带向漏斗中心底孔,继而被空气漏斗周围存在的高速垂向流速带入底孔经输沙廊道送走;若需要分离的泥沙为悬移质泥沙,就要调整漏斗室内的流场强度,使悬移状泥沙转化为推移质,其泥沙是要在室内随螺旋水流运动数圈后逐渐进入输沙底孔。简言之,含沙水流切向进入漏斗后,受室的边壁约束和调流装置的影响产生的强迫涡与室中心的自由涡相耦合,形成一稳定的三维螺旋流将水沙分离。

为进一步从理论上探明漏斗内水沙分离原理,我们对排沙漏斗进行了清、浑水流场的测试与分析:通过清、浑水流场的测试比较,发现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两者基本上一致:只是泥沙对于切向流速沿轴向分布和径向流速沿径向的分布规律上的影响较明显。在浑水情况下.内区的切向流速沿轴向的分布比清水时更均匀,随半径的增大二者渐趋于一致,这说明漏斗螺旋流的作用使泥沙集中于漏斗中心.其水流的含沙浓度很高。泥沙对径向流速沿径向分布的影响主要表现在漏斗宰的底部,这说明漏斗螺旋流的作用使泥沙集中于底部.这就证实了排沙漏斗内的螺旋流有使泥沙下沉和向漏斗中心输移的水流特性,因此排沙漏斗具有很好的排沙效果。

3.2 排沙漏斗模型输沙试验

先后对排沙漏斗进行了漏斗室直径为50cm、80cm、120cm、150cm及240cm的系列输沙模型试验,模型比尺分别为l:1、1:4、l:8、1:15、1:25和l:30模型沙采用天然沙,其颗粒粒径分别为0.05mm、0.07mm、0.10mm、0.125mm、0.15mm、0.18mm、0.25mm的细沙,以及1.00mm、2.00mm、3.00mm和10.00mm的中粗沙,模型流量为0.001-0.040m3/s。

模型放水的输沙结果为:相应于原型泥沙粒径为lmm以上的粗沙的排除率为100%;lmm以下的细沙的排除率平均约90%。同时测得漏斗底孔排沙耗水量为渠道引水量的1.12%-5.03%。

3.3 细颗粒泥沙的截沙率试验

为解决排沙漏斗对高浓度条件下的细颗粒泥沙的排除问题,专门进行了粒径小于0.1mm的细颗粒泥沙模型试验。模型试验漏斗室直径为3.5m,锥度l:10,设置悬板和调流墩;模型试验中采用天然黄土为模型沙,由自循环浑水系统模型试验完成。

试验结果表明,在高浓度条件下,0.025mm以下的极细颗粒泥沙占67%时的总的截沙率平均达79.74%,说明排沙漏斗对细颗粒的悬移质泥沙的处理也非常有效。