一种计算排沙漏斗排沙效率的方法

摘要

本发明公开了一种计算排沙漏斗排沙效率的方法，包括步骤：确定排沙漏斗中的水沙条件；计算排沙漏斗中的分组饱和含沙量；泥沙排除效率计算：采用饱和含沙量和实际含沙量差值确定不同粒径组的泥沙排除率；基于分组泥沙排除效率计算排沙漏斗的泥沙综合排出效率；以饱和输沙级配与实际输沙级配的对比来确定泥沙的排除难度。可以根据进入排沙漏斗的含沙量、泥沙级配和排沙漏斗中的平均流速3个要素预测排沙漏斗建成后实际的泥沙排除率，可以提供细致全面的排沙漏斗泥沙排除效果信息。

说明书

技术领域

本发明涉及一种排沙漏斗在水利水电工程中沉沙的适用性问题，尤其涉及一种计算排沙漏斗排沙效率的方法。

背景技术

排沙漏斗(也称为沉沙漏斗，漏斗式沉沙池等)是从苏联沙拉克霍夫(Salakhov)发明的“环流室”排沙设施改进而来的，实际应用中排沙漏斗具体结构形式略有差异，但是其排沙的基本原理是一致的，都是利用螺旋流形成空气涡，同时利用螺旋流将水流中的泥沙归集到空气漏斗中。

典型的排沙漏斗结构如图1-图3所示。排沙漏斗具有占地面积小，运行维护费用低，对推移质泥沙具有较好的排除效果，且排除同样体积泥沙的耗水率远低于箱式沉沙池(沉沙条渠)等优点，在水利工程和水电工程中得到一定范围的应用，尤其是在干旱缺水且来沙以推移质为主的新疆地区得到广泛的应用，在一些工程中取得了很好的效果，但在另外一些工程中的排沙效率则不及预期。

排沙漏斗排沙的中的水流为强螺旋流，水流流态非常复杂，采用室内实验或者三维数值模拟可以较为准确的模拟排沙漏斗中的水流运动，但对于水沙混合流体的运动过程尤其是泥沙颗粒运动轨迹或整体沉降率的准确模拟和预测存在巨大的困难，因此有关排沙漏斗的泥沙排沙效率数据以现场观测为主，缺乏快速可行的方法预测排沙漏斗的排沙效率，尤其对于不同粒径泥沙颗粒的排除效率的计算未见公开报道。而不同粒径泥沙对于水电站水轮机的磨蚀和灌溉引水渠的淤积影响差别较大，实际工程中需要根据工程设计情况重点排除特定粒径以上泥沙，否则会造成工程无法安全持续运行，甚至导致整个工程投资运行失败。

根据目前的技术条件，排沙漏斗论证重点论证水流流态是否稳定，能否形成空气涡，对于泥沙排除率一般参照类似工程的实测数据进行论证，由于不同河流水体中泥沙含量和泥沙级配存在较大差异，导致实际运行结果与前期预测结果差距较大，影响工程后续运行。因此，需要针对排沙漏斗的特点提出行之有效的排沙效率计算方法，为排沙漏斗的论证设计和应用提供技术支持。

现有技术一：

基于室内模型试验的结果和量纲分析方法，分析了泥沙综合排除效率与不同因素之间的关系，提出了半经验、半理论的排沙漏斗泥沙综合排沙效率计算方法，具体计算式为[李琳,牧振伟,周著.排沙漏斗截沙率计算.水利水电科技进展,2007,27(4):50-54.]:

其中，Q_i为进入漏斗的总流量；Q_i为排沙流量；Z_h为悬板的高度；h_p为漏斗边墙处的水深；r为漏斗室的半径；i为漏斗室径向坡度；d₅₀为泥沙的中值粒径；ω₀为中值粒径泥沙的沉速；υ为水的运动粘滞系数；g为重力加速度。

现有技术一的缺点：

泥沙的综合排除率是实际工程论证的重要因素之一，反映含沙量的变化。但实际运行中细颗粒泥沙对于工程运行影响不大，特定粒径以上(有害粒径)的泥沙对于工程运行危害较大，需要重点去除，因此预测和论证中有害粒径泥沙的去除效果极为关键。目前的计算方法中通过式(1)可以估算出特定水沙条件下排沙漏斗的泥沙综合排除效率，但是无法提供分组泥沙的排除效率，无法预估有害粒径的去除效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种计算排沙漏斗排沙效率的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的计算排沙漏斗排沙效率的方法，包括步骤：

A、确定排沙漏斗中的水沙条件：

收集河流水体悬移质含沙量和泥沙级配数据，确定进入排沙漏斗的水体含沙量和泥沙级配，根据排沙漏斗流态试验或计算结果，或者参照相同体型排沙漏斗的流速分布确定排沙漏斗中水流的平均流速；

B、计算排沙漏斗中的分组饱和含沙量：

根据收集到的泥沙级配信息和对工程运行有害的分界粒径值，将泥沙颗粒按照粒径大小分成若干组，其中有一组的粒径分界必须与有害粒径分界值相同，如果原粒径级配中的粒径分界没有分界有害粒径，则需要根据原级配进行现行插值后重新分组，原级配中与该分组相关的级配重新调整，与粒径组调整无关的粒径级配可以保留原级配；

C、泥沙排除效率计算：

沉沙漏斗中水流和泥沙都是通过漏斗的中下部进入的，基于泥沙运动的基本规律，只有小于饱和含沙量的泥沙才能从底部悬浮、掺混后从漏斗上沿排出，而从漏斗底部排出的泥沙则是实际含沙量与漏斗中水流饱和含沙量的差值，因此排沙漏斗泥沙分组排除效率计算方法为：

排沙漏斗泥沙综合排除效率计算方法为：

排沙漏斗分组泥沙排除难度计算方法为：

上式中，E_t为综合排沙效率；E_k为单组泥沙排沙效率；E_k为分组泥沙排除难度，其值越大则该组泥沙越难排除；C_s分别为排沙漏斗入口含沙量；P_k为进入排沙漏斗的泥沙级配。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的计算排沙漏斗排沙效率的方法，可以根据进入排沙漏斗的含沙量、泥沙级配和排沙漏斗中的平均流速3个要素预测排沙漏斗建成后实际的泥沙排除率，可以提供细致全面的排沙漏斗泥沙排除效果信息。

附图说明

图1为现有技术中典型排沙漏斗的结构示意图。

图2为图1的A-A剖面结构示意图。

图3为图1的B-B剖面结构示意图。

图4为本发明实施例提供的计算排沙漏斗排沙效率的方法流程示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的计算排沙漏斗排沙效率的方法，其较佳的具体实施方式如图4所示：

包括步骤：

A、确定排沙漏斗中的水沙条件：

收集河流水体悬移质含沙量和泥沙级配数据，确定进入排沙漏斗的水体含沙量和泥沙级配，根据排沙漏斗流态试验或计算结果，或者参照相同体型排沙漏斗的流速分布确定排沙漏斗中水流的平均流速；

B、计算排沙漏斗中的分组饱和含沙量：

根据收集到的泥沙级配信息和对工程运行有害的分界粒径值，将泥沙颗粒按照粒径大小分成若干组，其中有一组的粒径分界必须与有害粒径分界值相同，如果原粒径级配中的粒径分界没有分界有害粒径，则需要根据原级配进行现行插值后重新分组，原级配中与该分组相关的级配重新调整，与粒径组调整无关的粒径级配可以保留原级配；

C、泥沙排除效率计算：

沉沙漏斗中水流和泥沙都是通过漏斗的中下部进入的，基于泥沙运动的基本规律，只有小于饱和含沙量的泥沙才能从底部悬浮、掺混后从漏斗上沿排出，而从漏斗底部排出的泥沙则是实际含沙量与漏斗中水流饱和含沙量的差值，因此排沙漏斗泥沙分组排除效率计算方法为：

排沙漏斗泥沙综合排除效率计算方法为：

排沙漏斗分组泥沙排除难度计算方法为：

上式中，E_t为综合排沙效率；E_k为单组泥沙排沙效率；E_k为分组泥沙排除难度，其值越大则该组泥沙越难排除；C_s分别为排沙漏斗入口含沙量；P_k为进入排沙漏斗的泥沙级配。

所述步骤C中：

如果计算得到的E_k<0，则E_k＝0.这是因为只有当含沙量大于饱和含沙量时才会有泥沙淤积排出，否则不会有泥沙淤积排出排沙漏斗，也不会有底部的泥沙被冲刷补充进入水流。

所述步骤B中：

依据河流动力学基本理论，某一粒径泥沙的在水流中的饱和含沙量的计算方法为：

根据物质守恒定律，则水体中全部粒径组泥沙的饱和含沙量为：

上式中，S_(ωk)*为分组水流挟沙力；K为挟沙力系数；m为挟沙力指数；U为排沙漏斗中的平均流速；g为重力加速度；h为水深或水力半径；ω_k为第k组泥沙的沉速；n为泥沙分组数量；β_*k为挟沙力级配，其值按照下式计算：

式中，P_bk为与水体发生交换的底沙级配；α_k为系数，取为1.0。

本发明的计算排沙漏斗排沙效率的方法，可以根据进入排沙漏斗的含沙量、泥沙级配和排沙漏斗中的平均流速3个要素预测排沙漏斗建成后实际的泥沙排除率。弥补了现有技术的缺点，可以提供细致全面的排沙漏斗泥沙排除效果信息。

本发明在泥沙运动力学基本原理的基础上针对排沙漏斗提出简单易行且较为准确的排沙效率计算方法，为充分论证排沙漏斗在工程上的应用效果提供坚实的基础；计算出特定水流条件下不同含沙量水体通过排沙漏斗后的含沙量、不同粒径泥沙排除的难易程度以及不同粒径泥沙的含沙量的变化值；计算出不同水流条件对于泥沙排除效率的影响，提出适合特定泥沙级配和含沙量的水流条件，为排沙漏斗设计提供依据；基本原理可靠，计算方法简单实用，可以准确地给出排沙漏斗论证和设计过程中的关键参数，为水利水电工程引水防沙工程措施论证提供新的技术途径。

具体实施例：

该排沙漏斗泥沙排除效率计算方法的具体技术内容如下：

(1)确定排沙漏斗中的水沙条件

收集河流水体悬移质含沙量和泥沙级配数据，确定进入排沙漏斗的水体含沙量和泥沙级配。根据排沙漏斗流态试验或计算结果，或者参照相同体型排沙漏斗的流速分布确定排沙漏斗中水流的平均流速。

(2)计算排沙漏斗中的分组饱和含沙量

根据收集到的泥沙级配信息和对工程运行有害的分界粒径值，将泥沙颗粒按照粒径大小分成若干组，其中有一组的粒径分界必须与有害粒径分界值相同。如果原粒径级配中的粒径分界没有分界有害粒径，则需要根据原级配进行现行插值后重新分组。原级配中与该分组相关的级配重新调整，与粒径组调整无关的粒径级配可以保留原级配。

依据河流动力学基本理论，某一粒径泥沙的在水流中的饱和含沙量的计算方法为

根据物质守恒定律，则水体中全部粒径组泥沙的饱和含沙量为

其中，S_(ωk)*为分组水流挟沙力；K为挟沙力系数；m为挟沙力指数；U为排沙漏斗中的平均流速；g为重力加速度；h为水深或水力半径；ω_k为第k组泥沙的沉速；n为泥沙分组数量；β_*k为挟沙力级配，其值按照下式计算

其中，P_bk为与水体发生交换的底沙级配；α_k为系数，取为1.0。

(3)泥沙排除效率计算

沉沙漏斗中水流和泥沙都是通过漏斗的中下部进入的，基于泥沙运动的基本规律，只有小于饱和含沙量的泥沙才能从底部悬浮、掺混后从漏斗上沿排出，而从漏斗底部排出的泥沙则是实际含沙量与漏斗中水流饱和含沙量的差值，因此排沙漏斗泥沙分组排除效率计算方法为

排沙漏斗泥沙综合排除效率计算方法为

排沙漏斗分组泥沙排除难度计算方法为

其中，E_t为综合排沙效率；E_k为单组泥沙排沙效率；E_k为分组泥沙排除难度，其值越大则该组泥沙越难排除；C_s分别为排沙漏斗入口含沙量；P_k为进入排沙漏斗的泥沙级配。

如果计算得到的E_k<0，则E_k＝0.这是因为只有当含沙量大于饱和含沙量时才会有泥沙淤积排出，否则不会有泥沙淤积排出排沙漏斗，也不会有底部的泥沙被冲刷补充进入水流。

本发明技术方案带来的有益效果：

采用排沙排沙漏斗作为沉沙设施具有耗水率低，占用空间小、建设和运行维护费用低等优点，是一种较好的沉沙方式，但是由于排沙漏斗中的水沙运动状态复杂，已有的技术手段难以准确模拟和预测水沙输移过程及其排沙效率，导致排沙漏斗在工程应用中存实际排沙效果存不确定性，给工程运行带来一定的风险，同时也限制了排沙漏斗的应用场景和范围。

本发明依据水力学及河流动力学基本原理和排沙漏斗中水沙的特殊运动形式，提出了一种计算排沙漏斗排沙效率的方法，可以给出不同粒径的泥沙排除率、全沙的综合排除率、通过排沙漏斗后的含沙量以及不同粒径泥沙的排除难度，可用于水电工程发电引水防沙、水利工程灌溉引水防沙等工程的沉沙方案论证中，增加了工程沉沙方式的选择范围，降低了工程运行风险，具有广泛的应用前景，可以为水利水电工程建设减少投资和维护费用，经济效益潜力巨大。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。