新型沉沙实验模型设计

新型沉沙实验模型设计

沉沙装置是用来沉降挟沙水流中过多的泥沙，文章设计的沉沙模型使挟沙水流在水平方向上形成漩涡，破坏含沙量较高的挟沙水流中的絮状结构，清水流往上移动，泥沙向下沉降，使水流形成一个垂直方向上的异重流，以达到沉沙的效果。试验结果表明，该模型沉沙效果明显，如能用于实际工程，可解决水利工程中的泥沙淤积问题。

标签：沉沙装置；波浪条；旋转流

引言

沉沙装置是用来沉降挟沙水流中过多的泥沙，以减轻下游河道的淤积，满足供水和航行要求，以及在水利工程中减轻泥沙对水泵的磨损和水电工程中减轻泥沙对水轮机的磨损的一种水工建筑物。通常沉沙池过流断面大、流速小、水流挟沙能力低，水流中大于设计沉降粒径的泥沙得以沉降，过池的水流含沙量得以减小。时至今日，沉沙池已经不仅仅是为了减轻河道淤积、减轻泥沙对水泵和水轮机的磨损，逐渐在河道整治、淤培固堤、淤滩造地和整治水环境等地方得到了前所未有的利用和发展。

1 沉沙模型及基本原理

1.1 沉沙模型简介

新型沉沙实验模型利用波浪条分离水沙，波浪条近体水流流态呈三维紊流特征，包含多种流态，如分离流、旋转流等。利用波浪条突头和凹肚结构对挟沙水流的作用促使泥沙沉降，以达到沉沙装置的沉沙效果。

1.2 基本原理

1.2.1 绕行的泥沙输沙率

1.2.2 长度的确定

沉沙装置的长度与挟沙水流的最大设计流速和泥沙沉降必需的停留时间有关，所以沉沙装置长度为式（2）：

L=？淄·t （2）

式中：L-沉沙装置长度，m；？淄-最大设计水流速度，m/s；t-最大设计流速时泥沙的停留时间，s。

假设挟沙水流的速度为1.0m/s，泥沙的停留时间为6.0s，沉沙装置的设计工

作长度取计算长度的1.2倍，则沉沙装置的长度为7.2m。实验模型的缩小比例为1：10，则实验模型的长度为720mm。

1.2.3 沉沙原理

挟沙水流流态呈三维紊流特征，包含分离流、旋转流等多种流态。紊流是不稳定的漩涡流，在沉沙模型中，主要关注的是大尺度漩涡的运动。在波浪条凹肚处设置斜板，使挟沙水流不仅能够在水平方向上形成漩涡流，而且由于斜板的隔断作用，破坏了含沙量较高的挟沙水流中的絮状结构，从而形成一些小小的絮团，絮团沿着斜板上表面由高处往低处滚动下沉，斜板下表面水流含沙量较小，沿着斜板下表面由低处往高处上渗，整体上形成一个垂直方向上的异重流，使水流往上移动，而泥沙往下沉降。

1.2.4 水流挟沙能力

影响到水流挟沙能力的因素有很多，比如水流条件、来沙条件、床面条件等。水流的挟沙能力可以通过一些经验公式进行计算，文章采用广泛应用的张瑞瑾公式，式（3）。

式中：U-水流平均流速（m/s）；H-平均水深（m）；g-重力加速度（m/s2）；？棕-床沙质平均沉速（m/s）；S-水流挟沙能力（kg/m3）；K-含量纲的系数（kg/m3）；m-指数。

由式（3）可知影响水流的挟沙能力的主要因素有流速U、水深H和床沙质平均沉速？棕。提高设计的沉沙池的沉沙效率，应该从减小水流的挟沙能力入手，减小水流平均速度，从而使水流挟沙能力下降，泥沙在沉沙池内沉降下来。

2 实验结果及数据分析

2.1 试验数据

与无沉沙装置时的数值进行对比，可见有沉沙装置的沉沙效果明显。

2.2 实验数据分析

可以看出无沉沙装置时，水流流速较小时，沉沙量较少；随着流速增加，沉沙量有所增加；而当水流流速增大到一定程度时，沉沙量反而减少；有沉沙装置时，沉沙量都大于无沉沙装置情况。随着水流流速加大，沉沙装置的沉沙量逐渐增多；但当流速达到0.80m/s以上时，沉沙量增长率趋于平缓。

分析出现该现象的原因为：当流速较小时，由于泥沙还未全部起动，导致水流含沙量较少，两者沉沙量均较少；随着水流流速增大，大部分泥沙起动，水流含沙量增大，无沉沙装置不能留住泥沙，沉得的沙量变化不大，而有沉沙装置的沉沙量则能随着水流含沙量的增大而增大；当水流流速很大时，泥沙全部起动，

无沉沙装置由于无法留住泥沙，反而被水流挟走，而有沉沙装置时的沉沙量变化不大且有小幅增长。

3 沉沙装置理想三维模型

实验证实此沉沙装置有良好的沉沙效果，在一定流速的挟沙水流中能够很好地把泥沙分离、沉降下来。根据沉沙装置的使用环境的不同，可将沉沙装置设计成两种不同的形式，如图3和图4所示。其中图3为箱型沉沙装置，可用于一般的挟沙浑水。图4所为桩台式沉沙装置，可用于航道治理和淤培固堤，固定在悬链上的波浪条沉沙装置可随两边平台的升降而升降，以适应不同高度的岸坡，直到淤积的泥沙露出水面，形成岸坡。这样的桩台式沉沙装置，通过固定在打入泥里的桩，使得沉沙建筑物的造价大大降低，当淤积泥沙露出水面后，岸坡稳定，沉沙装置可以移走重复利用，经济又环保，是未来环境治理和航道整治的良好战将。

4 结束语

文章所设计的新型沉沙装置可以用来沉降挟沙水流中的泥沙，如能用于实际工程可减轻下游河道的淤积，在水利工程中减轻泥沙对水泵的磨损和水电工程中减轻泥沙对水轮机的磨损，今后将会对该模型在实际工程中应用进一步展开研究。

参考文献

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