水利工程沉沙池泥沙沉降计算方法分析与验证

水利工程沉沙池泥沙沉降计算方法分析与验证

【摘要】本文主要围绕着水利工程沉沙池泥沙沉降展开探讨，分析了沉沙池泥沙沉降的科学计算方法，论述了计算方法的具体流程，并进行了必要的验证，以期可以为沉沙池泥沙沉降的计算工作提供参考。

【关键词】水利工程；沉沙池；泥沙沉降；计算方法；验证

一、前言

目前，在水利工程的施工过程中，还有很多问题有待解决，其中，沉沙池泥沙沉降的计算方法就是一个必须要得到重视的问题，因此，分析沉沙池泥沙沉降计算方法非常有必要。

二、沉沙池概述

沉沙池是一种沉降含沙水流中过多或有害泥沙，减轻供水淤积及水力机械磨损，满足供水要求的水工建筑物，被广泛应用于水电站、节水灌溉、城市供水、水环境治理等水利工程中。含沙水流进入沉沙池后，过流断面扩大、流速显著降低、水流挟沙力迅速减小，使得水流中粗颗粒泥沙得到有效沉降，从而减小了出池含沙量。目前，国内计算沉沙池泥沙沉降的方法主要有准静水沉降法、二维均匀流不平衡输沙法、一维超饱和输沙法等。其中，一维超饱和输沙法不仅考虑了水流超饱和输沙的特点，而且计算方法简单，适用于我国多沙河流上沉沙池泥沙的沉降计算。

三、泥沙沉降特性分析

以某沉沙池为例分析沉降特性，该沉沙池沿水流方向由平水整流段、工作段、溢流段、集水段和排沙道组成，其中工作段和溢流段的纵向长度合计为70m。沉沙池设计有两种方案:①方案一，工作段横断面为矩形，池宽2m;②方案二，工作段横断面为倒梯形，底宽为1．7m，顶宽为2．7m，并且在溢流段加设侧堰。两方案的断面结构见图1。

图1沉沙池结构(单位:mm)

1、泥沙恢复饱和系数

泥沙恢复饱和系数是一维超饱和输沙分析计算公式中的一个重要参数，其值直接影响着沉沙池泥沙沉降率的计算精度。然而，不同研究人员所考虑的水沙条件不一致，得到的研究成果有较大差异韩其为从理论上研究了悬移质不平衡输沙

的恢复饱和系数，推导了非均匀泥沙恢复饱和系数的计算式，认为不同粒径组的恢复饱和系数值不同;曹鉴湘根据沉沙池实测资料和水槽试验资料，得到了恢复饱和系数α=f(ω，U*)的关系式(U*为摩阻流速;ω为粒径组平均流速);黎运棻在理论分析的基础上，结合打渔张、人民胜利渠等沉沙池实测资料，建立了α=f(ω/U*，J)的关系(J为计算段水力坡度);张一新［10］根据打渔张沉沙池实测资料，采用多元回归分析法，推求了恢复饱和系数的经验公式α=(0．066+0．076lnH)(ω/U*)－0．46－0．036(H为水深)。另外，有些研究人员认为，恢复饱和系数不仅与ω/U*和J有关，而且与含沙量有关。鉴于泥沙恢复饱和系数计算公式的不确定性，笔者分析了泥沙恢复饱和系数与泥沙粒径及沉降时间的关系，得到如下结果。

(一)在整个沉降期内，各池段内的泥沙恢复饱和系数值随泥沙粒径的增大呈指数递减趋势。同一池段内初始时段的泥沙恢复饱和系数最大，中间时段次之，末时段最小;同一时段内，泥沙恢复饱和系数自沉沙池上游至下游逐渐增大。图2为第1时段、第15时段末、第30时段末的泥沙恢复饱和系数分布。

(二)各粒径组的泥沙恢复饱和系数在池段1—池段3随沉降历时呈指数递减趋势，而池段5—池段7各粒径组的泥沙恢复饱和系数随沉降历时呈线性递减趋势，池段4各粒径组的泥沙恢复饱和系数随沉降历时的分布规律不明显。图3为代表池段0．05mm粒径组泥沙恢复饱和系数随沉降历时的变化。

2、泥沙级配曲线

图4为沉沙池入池泥沙、出池泥沙及淤积泥沙的级配曲线。由图4可知，淤积级配曲线位于入池级配曲线下方，而出池级配曲线在入池级配曲线之上，说明出池泥沙粒径较小，而淤积泥沙粒径较大。随着沉沙池的运行，出池泥沙粒径将逐渐变大，淤积泥沙粒径则逐渐变小。

3、参考点位置的选取

在定期冲洗式沉沙池设计中，为满足供水要求，需要在工作区末端增加溢流堰段。计算流经溢流堰水流的含沙量及泥沙沉降率时要解决两个问题:一个是堰前断面分组含沙量的垂线分布;另一个是溢流堰的极限吸出高度。利用劳斯公式推求分组含沙量沿垂线分布情况时，参考点(含沙量等于平均含沙量的位置)距床面的距离(用a表示)至关重要。然而，参考点的位置通过试算才能确定，工作量很大。因此，求得各时段、各粒径组参考点位置的平均值，可避免试算，提高工作效率。

图4 沉沙池入池泥沙、出池泥沙及淤积泥沙的级配曲线

四、基本理论

1、准静水沉降法

准静水沉降法理论较为简单，认为水流中含沙量等于其水流挟沙能力，假设泥沙在沉沙池中按静水沉速下沉，则泥沙由水面降至池底需要一定的时间，泥沙在沉降到池底时还沿水流方向前进了一定的距离，因此准静水沉降法采用的基本公式为

式中:L为泥沙沿水流方向前进的距离，m;H为沉沙池平均水深，m;V为沉沙池中水流平均流速，m/s;ω为沉沙池中泥沙静水沉速，m/s;K为大于1的修正系数。

从沉沙池进口至溢流堰的出池分组沉降率计算公式为

式中:ηki

为计算池段第i粒径组泥沙沉降率;ωi为第i粒径组的泥沙静水沉速，m/s;Lk 为计算池段长，m;Vk为计算池段平均流速，m/s;Hk为计算池段平均水深，m。

2、沉降概率法

沉降概率法认为水流紊动竖向分速为随机变量，且服从正态概率分布。池底有纵坡的分组沉降率计算公式为

式中:η为计算池底泥沙分组沉降率，%;L为计算池段长，m;H0为计算池段平均水深，m;d为平均粒径，mm;h为计算点距池底的距离，m;λ为系数;t为计算时段，s。

目前应用状况与评价：沉降概率法为前苏联电站部水力发电建设总局1948年批准的5水电站沉沙池技术规范设计标准6中所采用的沉沙池泥沙沉降率计算

方法,在我国和前苏联长期沿用。由于该方法建立时所用试验资料范围限制,在用该方法时,X/U>0105各粒径组,计算分组沉降率与实测值一致。但是,随着X/U的减小,计算值逐渐偏离实测值,其结果是计算出池含沙量小于实测值。故用该方法时,必须注意资料的范围条件。

3、超饱和输沙法

(一)二度流超饱和输沙法。二度流超饱和输沙法是根据元均匀流扩散理论，应用假设条件，分解变量，沿垂直方向积分，计算得到距离进口相对距离的断面平均含沙量与进口平均含沙量的比值。其公式复杂，边界条件要求严格［2］。

(二)一度流超饱和输沙法。一度流超饱和输沙法认为沉沙池中的泥沙处于超饱和状态，在局部假设条件下，计算平均含沙量的沿程变化。

一度流超饱和输沙法基本微分方程为

非均匀流时，式(4)的解为

均匀流时，式(4)的解为

式中:s0、s0*分别为某计算段进口断面的平均含沙量和挟沙力，kg/m3;s、s*分别为某计算段出口断面的平均含沙量和挟沙力，kg/m3;α为综合系数;ω为泥沙流速，m/s;x为计算段长度，m;q为计算段单宽流量，m3/(s·m)。

沉沙池中流速甚小，水流挟沙能力可以忽略不计，则式(5)、式(6)可同时简化为

用于分组计算时，式(7)可写为

式中:s0i、si

分别为计算段的进、出口断面含沙量，kg/m3;ωi为分组泥沙沉速，m/s。

沉沙池分组沉降率计算公式为