《定期冲洗式沉沙池溢流堰出池含沙量计算》由会员分享，可在线阅读，更多相关《定期冲洗式沉沙池溢流堰出池含沙量计算（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、定期冲洗式沉沙池溢流堰出池含沙量计算杨晋营( 水利部山西水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024) 摘要： 水利工程平流型定期冲洗式沉沙池，是利用溢流堰输送清水的沉沙池。沉沙池末段表层水通过溢流堰出池。 大禹渡沉沙池实测资料表明，沉沙池内悬移质含沙量沿垂线分布基本符合劳斯公式分布规律，劳斯公式可用来计算沉沙池含沙量沿垂线分布。采用谢鉴衡修正悬浮指标公式对理论悬浮指标值Z5 部分未用谢鉴衡公式修正，而直接取 Z1=Z。 考虑 Z5 的泥沙在沉沙池内以悬移形式运动的含量已很少， 且能够悬浮的高度也很小，其对出池含沙量计算影响甚微，同时也考虑到谢鉴衡公式的适用范围，故Z5 部分未修正。笔者认为
2、对以悬移形式运动的含量已很少的Z5 部分无需再进行修正，近似取 Z1=Z 是可行的。4 溢流堰上水流含沙量计算4.1 溢流堰布置及取水特点图 2 计算 Z1值与实测Z1值比较Fig.2 Comparison between the calculated and measured Z1一般情况下， 平流型定期冲洗式沉沙池工作段起始段水深比较小，末端水深比较大。含沙水流经沉沙池工作段沉降后，至末端时的含沙量降低很多，且粒径较细， 其表层水的含沙量已很小。 为有效地引取沉沙池工作段末端表层水，溢流堰宜沿工作段末端侧向和横向组合布置，并与集水槽结合起来，按薄壁堰设计。大禹渡、禹门口沉沙池的运行实践，充
3、分地证明了这种布置的优点。4.2 溢流堰上水流含沙量计算方法由于溢流堰引取的是堰前断面水流的表层水，因此， 要计算溢流堰上水流含沙量，必须先计算出堰前断面水流的泥沙含量的垂线分布，然后根据溢流堰可能吸取的水流深度( 吸出高度 ) ，计算吸出高度范围内水层的含沙量平均值，即为所要求的溢流堰上水流含沙量。在计算堰前断面水流的泥沙含量的垂线分布时，应采用溢流堰前池断面水沙要素。4.3 计算水沙要素选取及相关参数确定根据劳斯 (H Rouse)悬移质泥沙含沙量垂线分布公式，要计算沉沙池溢流堰上水流含沙量，需确定堰前断面的水力坡度、摩阻流速及溢流堰水流吸出高度等参数。(1) 水力坡度堰前断面的水力坡度按
4、下式计算(4) 式中 Q为堰前断面水流流量(m3s) ；n 为糙率； A为堰前断面过水面积(m2) ；R为堰前断面水力半径 (m)。(2) 摩阻流速摩阻流速按下式计算(5) 式中 g 为重力加速度(ms2) ，其余符号同前。(3) 溢流堰水流吸出高度吸出高度是指溢流堰运行过程中，可能吸取的堰前自水面向下一定水层深度，一般应通过试验来确定。 实测资料及试验资料表明，溢流堰的吸出高度与溢流堰上单宽流量和清浑水重率比有关。 堰流的吸出高度目前还无十分成熟的计算方法，根据黄河泥沙浑水和粉煤灰进行沉沙池试验，观测堰前交界面高度与出池含沙量的相应数据，得到浑水极限吸出高度hL的近似公式4，即(6)式中 q
5、 为溢流堰单宽流量(m2s) ； 为浑水密度 (t m3) ；为浑水和清水密度差(t m3) 。图 3 为禹门口沉沙池模型试验6 实测浑水极限吸出高度与式(6) 计算结果比较， 从图可看出二者较吻合。4.4 沉沙池堰前断面垂线含沙量计算(1) 垂线上某点分组含沙量计算利用劳斯公式推求含沙量沿垂线分布，只有在某一参考点的含沙量S已知条件下才能求解。 将劳斯公式中的参考点选在含沙量等于平均含沙量的位置，从而推求含沙量沿垂线分布，所得结果的可靠性自然会显著增加4。文献5 ，7认为，相对水深y/h=0.4处的含沙量与垂线平均含沙量相等。由于溢流堰段的长度较短，可假定以工作段末端断面平均含沙量代表堰前垂
6、线平均含沙量。劳斯公式原则上适用于均匀沙，因此在分组含水量计算时，将每组泥沙视作均匀沙。设堰前池断面水深为/ h，相对水深处 h=0.4 处的含沙量等于垂线平均含沙量。且用 Z1代替 Z，由式 (1) 可得到分组含沙量沿垂线分布计算公式(7)(2) 出池含沙量计算由于沉沙池出池含沙量为通过溢流堰水流的平均含沙量，计算中将溢流堰前水面以下等于溢流堰极限吸出高度hL的水层平均含沙量，作为沉沙池出池含沙量。为简化计算，近似取距水面hL2 处的含沙量为溢流堰出池平均含沙量，则y=h-hL2，由式 (7) 得到沉沙池出池分组平均含沙量( 8)出池全沙含沙量(9)式中 Si为堰前断面分组平均含沙量(kg
7、m3) ；n 为泥沙分组数；Sc 为出池含沙量(kg m3) 。出池含沙量计算简图见图4。图 3 吸出高度计算值hL与实测值比较Fig.3Comparison between the calculated and measured hL图 4 出池含沙量计算简图Fig.4Sketch of outflow in a settling tank 4.5 出池含沙量验证计算4.5.1 验证资料以大禹渡沉沙池1992 年原型观测得到的6 组堰前断面垂线含沙量分布及出池含沙量资料进行验证。原型观测时水沙条件见表2 和表 3。表 2 大禹渡沉沙池原型观测基本情况Table 2 Prototype obs
8、ervatons of Dayudu desilting basin 沉沙池尺寸入池水沙条件出池水沙条件工作段长/m池底宽 /m 池深/m流量/m35s1含沙量/kg5m-3粒径 /mm流量/m3s1含沙量/kg m-3粒径 /mm2204.5 6.04.0 7.01.118 1.94012.9 36.60.005 0.101.018 1.8402.118 4.3350.002 0.05 表 3 各测次入、出池含沙量表Table 3 Measured sediment concentrations in the inflow and outflow 含沙量123456/kg m-3入池含沙量2
9、9.826.836.618.012.919.3堰前断面平均含沙量6.43.444.134.067.4310.08出池含沙量3.7832.1183.1522.4833.1034.3354.5.2 验证计算及结果分析(1) 堰前断面含沙量垂线分布为检验式 (7) 对沉沙池含沙量垂线分布的符合性，分别点绘实测全沙含沙量垂线分布与式(7) 的理论曲线进行比较( 见图 5) 。比较结果表明，沉沙池内实测悬移质含沙量沿垂线分布与劳斯公式理论计算曲线接近，规律基本相同图 5 含沙量垂线分布比较Fig.5Comparison between the calculated and measured vertic
10、al sedime nt distribution 图 6 出池分组含沙量计算值与实测值比较Fig.6Comparison between the calculated and measured sediment concentration in outflows (2) 出池含沙量验证根据上述资料， 对式 (8) 进行验证，其中， Z5部分 Z1i按式 (2) 计算， 对 Z5 部分取 Z1i=Zi，hL按式 (6) 计算。出池分组含沙量计算结果与实测结果比较见图6。由图可看出， 出池分组含沙量计算值与实测值点据基本分布在45 线两侧，偏差比较小。经相关分析，计算值与实测值的相关系数r=0.
11、996 ，均方差 =0.077，说明上述计算方法是比较符合实际的。5 结论(1) 大禹渡沉沙池原型观测资料表明，沉沙池内悬移质含沙量沿垂线分布基本符合劳斯公式所表达的悬移质泥沙含沙量沿垂线分布规律，劳斯公式可用来计算沉沙池含沙量沿垂线分布。(2) 采用谢鉴衡修正悬浮指标公式对理论悬浮指标值Z5 部分进行修正， 其结果与实测值比较吻合，可在沉沙池出池含沙量计算中使用。考虑Z5 的泥沙在沉沙池内以悬移形式运动的含量已很少，且能够悬浮的高度也很小，其对出池含沙量计算影响甚微，对Z 5 部分无需再进行修正，可近似取Z1=Z。(3) 沉沙池溢流堰的极限吸出高度一般应通过试验来确定。验证结果表明，在无试验
12、资料的情况下，用式(6) 计算沉沙池溢流堰极限吸出高度是可行的。致谢：本研究成果曾得到黎运教授级高工审阅，作者在此表示感谢。参考文献：1谢鉴衡，邹礼泰. 关于扩散理论含沙量沿垂线分布的悬浮指标问题 J. 武汉水利电力学院学报， 1980,(3). 2张红武，等. 黄河高含沙洪水模型的相似律M . 河南科学技术出版社，1 994.1. 3钱宁，万兆惠. 泥沙运动力学M . 北京：科学出版社，1983. 4中国水利学会泥沙专业委员会主编. 泥沙手册 .北京：中国环境科学出版社， 1989.9. 5 曹鉴湘 . 南桠河三级水电站入渠含沙量和悬移质颗粒级配验证J . 水电站设计，1992，（4）. 6山西省水利科学研究所. 禹门口沉沙池水工泥沙模型试验研究报告(第二阶段)R.1986.9. 7白绍武 . 用 PC-1500 机计算条形沉沙设施的效率J. 泥沙研究， 1986， （4 ）：88-93.
