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γ′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，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。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

　　沉沙运行时，浑水进入沉沙池后，随着过流断面沿程扩大，流速沿程递减，粗粒泥沙逐渐沉落，首端淤积三角洲形态逐渐形成，顶坡较缓，前坡较陡，洲面逐渐向下游推进。前坡慢慢调平，直到沉沙容积淤满。据阳武河和大禹渡沉沙池原型观测，汛期淤积洲面平均坡降分别为0.0029和0.0015，阳武河非汛期洲面坡降为0.0016。

　　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，排沙效果非常显著。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200～500kg/m³，最高排沙含沙量可达700～1000kg/m³以上，可排出的沙量约占总淤积量的25%～50%，可见排沙效果显著。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。

表1 各沉沙池泄空冲洗排沙效果统计

Sediment discharge effect of emptying flush in the settling basins

3.2 泄空冲洗计算

3.2.1 水力学计算

　　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。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)；ε为垂直收缩系数；μ为闸孔自由出流的流量系数；σ_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Q_cpj为j时段平均流量(m³/s)；Q_i为由式(1)计算的泄空过程j时段初流量(m³/s)；Q_i+1为由式(1)计算的泄空过程j时段末流量(m³/s)。

　　泄空平均流量可近似按下式计算

式中Q_cp为冲洗过程平均流量(m³/s)；Δt_j为j时段长(h)；n为由泄空总历时划分的时段数。

3.2.2 泄空冲洗排沙量及历时估算　　(1) 泄空排沙水流含沙量确定　　原型观测和模型试验资料表明，沉沙池泄空冲洗过程中的排沙含沙量是随水位下降的冲刷强度变化而变化，目前尚缺理论计算方法，设计中一般是通过模型试验或利用已建沉沙池运行观测资料统计分析来确定的。　　笔者根据原型观测和模型试验资料，采用泄空过程中冲洗流量与含沙量变化加权平均法，进行沉沙池泄空冲洗过程平均含沙量统计计算，即

式中 S_cp为冲洗过程平均排沙含沙量(kg/m³)；S_j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200～500kg/m³，统计成果见表2。

表2 各沉沙池泄空冲洗平均排沙含沙量统计

Mean sediment concentration discharged by emptying flush in the settling basins

　　(2) 泄空排沙量和历时计算

　　泄空冲洗的排沙量为泄空前池内静水位以下水量在泄流过程中可带出的淤沙体积。设池内淤积洲面以上至静水位间的水量为V_w，可带出淤沙体积为V_c，根据平衡条件可得出泄空过程中的沙量平衡方程式(V_w+V_c)·S_cp=V_c·γ′_s·1000

整理得

式中V_c为泄空冲洗排出的淤沙体积(m³)；γ′_s为可排出的淤积泥沙干密度(t/m³)；S_cp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t_c的计算公式

式中平均流量Q_cp可按式(3)计算。

3.3 泄空冲洗排沙量及历时验证计算

3.3.1 验证资料

　　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。

表3 各沉沙池泄空冲洗水沙条件

Water-sand condition for emptying flush in the settling basins

3.3.2 验证计算

　　(1) 计算参数选取

　　验证计算的沉沙池泄空冲洗排沙含沙量S_cp，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0.9～1.0t/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。

表4 各沉沙池计算与实测泄空排沙量比较

Comparison between calculated and recorded sediment concentration
discharged by emptying flush in the settling basins

　　(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。

表5 各沉沙池计算与实测泄空冲洗历时比较

Comparison between calculated and recorded flushing duration in the settling basins

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S_cp及可泄空排出的淤积泥沙干密度。根据上述原型观测和模型试验成果，建议在无资料的情况下，与本文类似条件的沉沙池，平均冲沙单宽流量在0.16～0.33m³/s·m、淤积泥沙中值粒径在0.05～0.4mm时，平均排沙含沙量S_cp按250～300kg/m³取值，干密度γ′_s可按0.9～1.0t/m³取值。有条件时可通过模型试验进一步验证。