水利工程定期冲洗式沉沙池泄空冲洗计算

1、水利工程定期冲洗式沉沙池泄空冲洗计算             摘要水利工程定期冲洗沉沙池，一般为双室或多室交替运行，当其中某池室的沉沙容积淤满，出池含沙量达不到设计标准时，应停止该室沉沙运行，及时冲洗。泄空冲洗是定期冲洗式沉沙池的一种特殊冲洗方式。一般情况下，沉沙池停止淤积运行之初，池内尚存有一定数量的水体，如及时开启冲沙闸泄空，可利用这部分水体挟带池内尚未充分浓缩固结的泥沙出池。大禹渡等沉沙池泄空冲洗原型观测和模型试验排沙效果表明，沉沙池泄空冲洗不仅冲洗效果好，而且可节省冲

2、洗水量。验证结果表明，由水沙平衡条件给出的式(5)和式(6)分别用于计算与本文类似条件的沉沙池泄空冲洗排沙量及冲洗历时是合理的。泄空冲洗计算关键是合理选择平均排沙含量Scp及可泄空排出的淤积泥沙干密度s。 关键词沉沙池 定期冲洗 泄空冲洗 原型观测 模型试验 1 问题的提出水利工程定期冲洗式沉沙池，一般为双室或多室交替运行，当其中某池室的沉沙容积淤满，出池含沙量达不到设计标准时，应停止该池室的沉沙运行，及时冲洗，并同时启用已冲洗完的另一池室运行。沉沙池工作段的冲洗具有冲洗历时长，耗水量大的特点。处理高含沙量水流的双室或多室沉沙池，其单室冲洗历时必须小于沉沙运行历时，才能满足正常供水要求。所以，

3、冲洗效率直接关系到沉沙池的布置，以及引渠设计流量。当沉沙池为泵站供水时，由于冲洗效率受冲洗流量制约，冲洗流量又影响到泵站装机容量、机组选型和布置，以及耗水费用等。在处理高含沙量水流的沉沙池设计中，上述问题十分突出，故研究冲洗效率是工程设计中的一个现实问题。泄空冲洗是水利工程定期冲洗式沉沙池的一种特殊冲洗方式。一般情况下，沉沙池停止淤积运行之初，池内尚存有一定数量的水体，如及时开启冲沙闸泄空，可利用这部分水体挟带池内尚未充分浓缩固结的泥沙出池，此过程称之为沉沙池泄空冲洗。大禹渡、阳武河、禹门口等沉沙池泄空冲洗原型观测和模型试验排沙效果证明，沉沙池泄空冲洗不仅冲洗效果好，而且可节省一定的冲洗水量。

4、当前已有一些关于水库泄空排沙的研究成果，但对水利工程定期冲洗式沉沙池的泄空冲洗尚缺研究。为解决工程设计中的应用问题，作者以沉沙池原型观测资料为依据，并结合模型试验成果对定期冲洗式沉沙池泄空冲洗计算进行了分析研究。2 沉沙池淤积形态和冲洗过程据多室(厢)交替运行实践，当池室的沉沙容积淤满时，应及时关闭其进口闸门，停止供水，开启冲沙闸门进行冲洗。沉沙池原型观测，模型试验以及运行实践表明，沉沙池冲洗过程一般可分为泄空冲洗、溯源冲洗和沿程冲洗三个阶段。冲沙闸开启后，池内部分尚未充分浓缩固结的泥沙被泄空水流挟带出池的过程为泄空冲洗阶段。泄空冲洗结束后，及时开启进口闸门，逐厢引水冲洗。冲洗过程中，前坡产生

5、强烈的冲刷，并逐渐向上游发展，直到前后坡统一形成一个坡降，此过程称为溯源冲刷阶段。当前后坡的坡度统一后出现由上至下的冲刷，此过程称沿程冲洗阶段，沿程冲洗历时较长，冲冼效率低于前两个阶段。一般当淤积物冲洗去95%左右，冲洗过程可终止，并按运行要求调度各闸门启闭。3 泄空冲洗3.1 泄空冲洗特点和效果当沉沙池工作段的沉沙容积淤满，刚刚停止沉沙运行、池内部分泥沙尚未充分浓缩固结时，及时打开冲沙闸门，利用池内水位快速下降而使部分淤积泥沙被冲刷下泄，就沉沙池而言，此过程称泄空冲洗。泄空冲洗的特点是发展速度快、强度大，可在较短时间内将池内部分淤积干密度较小的泥沙排出池外。泄空过程中，排沙含沙量一般是由小变

6、大，即开始泄空时，出池含沙量较小，随着冲刷的发展，出池含沙量逐渐增大，当水位接近淤沙面时(此过程中，泥沙淤积面也不断发生变化，并形成新的洲面)，冲刷发展更加剧烈。图1和图2分别为1992年由大禹渡沉沙池原型观测所得到的沉沙池泄空冲洗淤积面变化和含沙量及泄空流量变化过程线。阳武河沉沙池和禹门口沉沙池的观测也表明类似的过程。沉沙池泄空冲洗的效果与淤积泥沙的物理特性有关。原型观测及模型试验资料表明，在淤沙尚未充分固结、干密度较小(这部分泥沙大多集中在池末端)，及时利用池内蓄水量泄空排沙，排沙效果非常显着。据大禹渡、禹门口、阳武河等沉沙池原型观测和模型试验资料统计，沉沙池泄空冲洗过程中，平均排沙含量达

7、200500kg/m3，最高排沙含沙量可达7001000kg/m3以上，可排出的沙量约占总淤积量的25%50%，可见排沙效果显着。表1为大禹渡、阳武河、禹门口等沉沙池泄空冲洗原型观测和模型试验排沙效果的统计结果。表中阳武河沉沙池的排沙效果不明显，可能是由于淤积后放置一段时间才冲洗的原因。   注：禹门口沉沙池模型试验均为单厢试验         3.2 泄空冲洗计算沉沙池泄空冲洗过程中，其泄空流量主要通过调节冲沙闸门开度来控制，闸门开度的选择应满足最大下泄流量不大于闸后排沙廊道设计过流能力的要求

8、。当闸门开度一定时，泄空流量的大小与闸前水头大小有关，泄空开始时的流量较大，随着池内水位不断下降，泄空流量逐渐减小，并由闸孔出流过渡到堰流，此时，即可认为泄空冲洗基本结束。当闸门开度一定时，泄空流量可按闸孔出流计算，即式中 e为闸门开启高度(m)；b为单孔闸净宽(m)；n为闸孔孔数，一般n=1；H0为包括行近流速水头的闸前水头(m)；为垂直收缩系数；为闸孔自由出流的流量系数；s淹没系数。泄空过程中各时段平均流量可近似按下式计算，即式中Qcpj为j时段平均流量(m3/s)；Qi为由式(1)计算的泄空过程j时段初流量(m3/s)；Qi+1为由式(1)计算的泄空过程j时段末流量(m3/s)。泄空平均

9、流量可近似按下式计算式中Qcp为冲洗过程平均流量(m3/s)；tj为j时段长(h)；n为由泄空总历时划分的时段数。式中 Scp为冲洗过程平均排沙含沙量(kg/m3)；Sj为j时段平均排沙含沙量(kg/m3)。由大禹渡、禹门口、阳武河等沉沙池3次原型观测和4次模型试验资料统计分析得到沉沙池泄空冲洗平均排沙含沙量为200500kg/m3，统计成果见表2。(2) 泄空排沙量和历时计算整理得式中Vc为泄空冲洗排出的淤沙体积(m3)；s为可排出的淤积泥沙干密度(t/m3)；Scp为泄空冲洗平均排沙含沙量(kg/m3)。根据泄空过程中排出的水、沙总体积和平均泄空流量可得泄空冲洗历时tc的计算公式式中平均流

10、量Qcp可按式(3)计算。3.3 泄空冲洗排沙量及历时验证计算用大禹渡、阳武河、禹门口等沉沙池泄空冲洗原型观测和模型试验资料进行验证。各沉沙池泄空冲洗的水沙条件见表3。(1) 计算参数选取验证计算的沉沙池泄空冲洗排沙含沙量Scp，对不同的沉沙池按表3所列平均排沙含沙量分别取值。原型观测和模型试验资料表明，沉沙池内可在泄空冲洗过程中排出的淤积泥沙干密度一般在0.91.0t/m3，计算中取=0.9t/m3。(2) 冲洗排沙量验证由式(4)计算的各沉沙池泄空冲洗过程中可排出的沙量见表4。(3) 冲洗历时验证由式(5)计算的各沉沙池泄空冲洗历时结果见表5。4 成果分析及结束语以上泄空冲洗排沙量及冲洗历时计算结果表明，由水沙平衡条件给出的式(5)和式(6)分别用于计算与本文类似条件的沉沙池泄空冲洗排沙量及冲洗历时是合理的。泄空冲洗计算关键是合理选择平均排沙含量Scp及可