水利工程定期冲洗式沉沙池泄空冲洗计算
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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。
图1 大禹渡沉沙池实测泄空冲洗淤积面变化(1992.9.9)
Measured sedimentation profile variation with emptying flush in Dayudu settling basin
图2 大禹渡沉沙池泄空冲洗排沙含沙量、流量过程线
(原型观测时间1992.9.9)
Hydrographs of flow and sediment concentration during the period of emptying flush in Dayudu settling basin
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