重力沉沙过滤池模型试验研究

２０１６年１２月　泥沙研究　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｅｄｉｍｅｎｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　第６期　

文章编号：０４６８．１５５Ｘ（２０１６）０６－００１９－０６　

重力沉沙过滤池模型试验研究　

戚印鑫　，耿凡坤　，刘亚丽　，孙娟　

（１．新疆水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐８３００４９；２．新疆农业大学，新疆乌鲁木齐８３００５２）　

摘要：为了满足高效节水面积快速发展的需要，地表水将逐步取代地下水作为主要供水水源，地表水需要解决　泥沙处理问题。河水滴灌重力沉沙过滤池是新近发明的一种沉沙池，该系统利用沉淀池和过滤网的有机结合　进行除沙和清除水中杂质。通过物理模型试验，对重力沉沙过滤池中各部位的水深、流速、含沙量、泥沙粒径　等进行测试分析，得到了沉沙池中泥沙分布规律和除沙效率，系统总的除沙效率达到５４％以上，其中过滤网　除沙效率为８％左右。虽然过滤网除沙效率有限，但其处理水中杂质效果明显。综合试验成果得到了给定流　量下的重力沉沙过滤池最优结构尺寸。通过模型试验对已建工程提出了结构优化建议。　关键词：重力沉沙过滤池；除沙效率；结构尺寸优化　中图分类号：ＴＶ１４９．２　文献标识码：Ａ　Ｄ０Ｉ：１０．１６２３９／ｉ．ｃｎｋｉ．０４６８—１５５ｘ．２０１６．０６．００４　

近年来，以滴灌为主的微灌农业蓬勃发展，目前微灌在新疆农业高效节水灌溉面积中占６５％以　上…，“十三五”期间新疆每年发展高效节水滴灌面积２０万ｈｍ　，到２０２０年末将达到２８７万ｈｍ　以　上　。国务院２０１４年发布的关于实行最严格水资源管理制度的意见中，明确水资源开发利用总量、用　

水效率、水功能区限制纳污“三条红线”，其中要求到２０２０年农田灌溉水有效利用系数提高到０．５５以　上　，同时严禁超采地下水。为此，滴灌水源逐步以地表水作为主要供水水源是今后滴灌水源发展的　

趋势。新疆地表径流主要来源于山川融雪和夏季暴雨洪水，此时又是灌溉高峰期，河道中水流泥沙含量　很大，洪水期河水含沙量都在５ｋｇ／ｍ　以上　。试验表明，水源中大于０．６５～１．Ｏｋｇ／ｍ　以上泥沙含量　的水流就容易淤堵滴灌带滴头　，造成滴灌带供水能力显著降低或报废。为此，对河水中泥沙的有效　

处理是保证灌溉系统正常工作的首要工作。目前对泥沙的处理有水库沉降泥沙、灌区上游沉沙池处理　泥沙、滴灌系统首部砂石过滤器和网式过滤器除沙等多种除沙方式和除沙设备。基于此，在科研人员不　

断的探索研究下，重力沉沙过滤池应运而生。河水滴灌重力沉沙过滤池为定期冲洗式沉沙过滤池，由引　

渠、上游联接段、进口闸、沉淀池、溢流堰、清水池、集污槽、下游联接段、排沙闸等部分组成　。其主要　工作原理是河水从引渠进入条形沉淀池，经过初步沉淀后，表层水通过溢流侧堰不锈钢滤网二次过滤和　沉淀，之后清水进入滴灌系统，沉淀池泥沙利用水流自动冲洗。２０１３年和２０１４年作者对呼图壁和玛纳　斯四座重力沉沙过滤池进行了两年的现场跟踪试验研究　，初步得到了重力沉沙过滤池中流速、含沙　

量分布情况，同时发现了一些相关问题。为了比较全面系统分析研究河水重力沉沙过滤池，得到可以推　广的工程参数，必须掌握多种不同的含沙量、不同的结构尺寸、不同的滤网铺设方式等条件下的沉沙过　

滤效果实测数据。为此，希望通过室内模型试验解决已建重力沉沙过滤池存在的部分问题，并提供一定　的设计指导参数。　

收稿日期：２０１６—０２—２６　基金项目：国家科技支撑计划项目（２０１１ＢＡＤ２９Ｂ０５）；自治区科研院所基本科研经费资助项目（ＫＹ２０１５０９１）　作者简介：戚印鑫（１９７５一），男，新疆乌鲁木齐人，高级工程师，工程硕士，主要从事水利工程规划设计和水工模型试验研究。　Ｅ－ｍａｉｌ：３７６１１２８１２＠ｑｑ．ｃｏｍ　通讯作者：耿凡坤。Ｅ—ｍａｉｌ：１５４６６２８２１６＠ｑｑ．ｔｏｍ　

１９　１物理模型试验　

１．１试验准备工作　

根据试验场地大小、泵房水循环出力及浑水搅拌系统供沙能力，初步确定试验设计流量０．０５ｍ　／ｓ，　

浑水含沙量最大２．０ｋｇ／ｍ　。由此，依据规范和地标　有关公式计算重力沉沙过滤池池长、池宽，沉淀　池底坡，溢流堰宽度，过滤网长度等参数。通过计算得到沉淀池长度２７．０３ｍ、池宽１．５ｍ，底坡１．１４％，　溢流堰宽度３．９５ｍ，过滤网斜长１．８ｍ。为了更准确反映研究成果，本次模型试验比尺采用　＝１进行　

制作。试验中重力沉沙过滤池尺寸为：沉沙池长２５．Ｏｍ，池宽１．５ｍ，池深０．８ｍ，底坡１％；溢流堰宽　

５．Ｏｍ；过滤网斜长２．Ｏｍ；清水池长２５ｍ，池宽０．７５ｍ。工作流量０．０５ｍ　／ｓ，平均流速０．０５６ｍ／ｓ；滤网角　度３８。，滤网目数１００目。沉淀池进口设置调流板，桩号位置０＋００处。　为了得到不同含沙量下的最优沉淀池长度、溢流侧堰长度、过滤网铺设面积等成果，试验中选取沉　淀池长度２５ｍ、２０ｍ、１５ｍ，溢流堰长度５ｍ、３ｍ、２ｍ，通过组合后可以得到２５—２、２０—３、１５—５等９种运行　

工况。模型试验布置见图１。图１中在进行２０ｍ和１５ｍ沉淀池长度的试验时，只要将沉淀池末尾冲沙　闸门前移５ｍ和１０ｍ即可实现；对３ｍ和２ｍ的溢流堰试验，通过封堵靠近上游侧一部分溢流堰后即可。　

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ｑ　Ｂ．Ｂ剖面　

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图Ｉ　重力沉沙过滤池模型试验图及测点分布　Ｆｉｇ．１　Ｍｏｄｅｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｆ　ｇｒａｖｉｔｙ　ｓａｎｄ　ｆｉｌｔｅｒ　ｔａｎｋ　

为了测试沉沙池中不同位置的水深、流速、含沙量、颗粒级配等试验数据，将模型各断面按桩号进行　划分，下文的试验数据表中不同的桩号与不同的池长和堰宽相对应。测点分布为：沉淀池分为左右池室　

测试，测点在横断面上布设在距离池壁０．４ｍ位置，左右测点间距０．７ｍ；清水池和集污槽在横断面正中　

布设一个测点。在垂向的测点位置，对于流速位于水　

面以下０．１ｍ、１／２水深处、２／３水深处；对于含沙量位　薹０　

于水面以下０．１ｍ、１／２水深处、距离池底０．１ｍ处；溢　流堰垂向位于１／２水深处。　

１－２模型沙的选取　童　

模型沙采用与呼图壁河和玛纳斯河内级配比较　

一致的泥沙进行模拟　。根据不同比例的配置，最终　

按照１：２的沙、土质量百分数配置而成，其级配曲线　与实际河道中的泥沙粒径比较相符。模型沙颗粒级　

配曲线见图２。　

２０　一・一　署嚣　村沉沙　

…．¨・。雾楚誓磊毳寥村沉　一沙土１：１配置　＋沙土１：２配置　十沙土１：３配置　

１　０．１　０　０ｌ　０　０Ｏｌ　颗粒直径／ｍｍ　图２模型沙级配曲线　Ｆｉｇ．２　Ｍｏｄｅｌ　ｓａｎｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｉｚｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　

０　古　１．３设计流量、含沙量的选取　按照重力沉沙过滤池结构尺寸初选试验流量和含沙量。由于浑水配置的泥沙量很大，流量过大浑水　

搅拌系统浑水量跟不上，同时参考地方标准　：控制面积６６６—２　Ｏ００ｈｍ　，采用双向内、外斜跨式重力沉沙　

过滤池；控制面积小于１万亩，宜采用多个单向斜跨式重力沉沙过滤池，每个单向斜跨式重力沉沙过滤池　控制面积在５３．３３—８６．６７ｈｍ　。确定本次试验河水设计流量０．０５ｍ　／ｓ。根据２０１３—２０１４年现场试验的初　步成果分析，重力沉沙过滤池除沙率在５０％～６０％左右，为此试验中含沙量根据试验要求及现场试验沉沙　

过滤池除沙效率，选用１．０—２．５ｋｇ／ｍ　之间。　

２试验成果分析　

为了认识沉淀池、过滤网的除沙效果，沉沙池各部分结构的水沙分离效率及最优布置型式，需要测　

试沉沙池中不同位置的水深、流速、含沙量、颗粒级配等试验数据，并进行综合分析。　２．１水深和流速　试验测试了沉淀池内、溢流堰上、清水池内的水深。重点是观测溢流堰上水深，比较不同工况下的　溢流堰上水深，求得在河水流过大部分或全部滤网面积水流时的堰上水深，由此得到的水深可以做为堰　

上最优水深，其对应的滤网面积也是较优的过滤网面积。　

水深成果如图３所示。图中工况ｌ５—２是沉淀池长度１５ｍ、溢流堰宽度２ｍ组合在一起的运行工　况，其他运行工况以此类推。图中桩号分别代表沉淀池、清水池内的不同断面位置。由图可见，沉沙池　

中不同位置的水深基本相同，水流比较平顺，没有大的水位落差。图３（ａ）是在１５ｍ沉淀池长度、三种溢　流堰宽的工况下，沉淀池内和溢流堰上的水深，堰宽越小、沉淀池内和溢流堰上水深越大，其中沉淀池内　

水深相差０．０２ｍ，溢流堰上水深相差０．Ｏ１～０．０２ｍ之间。图３（ｂ）是在３ｍ溢流堰宽、三种沉淀池长度　的运行工况下，沉淀池内和清水池内的水深图，图中水深基本相同。水深主要与溢流侧堰宽度成反比　

关系。　

Ｏ．８０　Ｏ　７５　吕　廷ｏ　７０　０　６５　【ａ）１５－２１３１３上仇　斑’旭冈利堰上水　

一一一—，一一一一－，一一一一●一一　．一　一　●＝——ｊ；ｊ｜昌ｌ　——・一沉淀池１５－２—一・一沉淀池１５一：　。—＿．　沉淀池１５－５—　一堰Ｉ５－２　—　堰１５．３—．．．一堰１５－５　乓　送　８０　７５　７０　６５　６０　５５　５０　４５　４０　（ｂ）１５／２０／２５—３Ｉ况下沉淀池和清水池内水深　＿１．－－．　－．　Ａ　．，＿一一一一▲　—－・一沉淀池１５－３—－・　一沉淀池２０．３　一一．．一沉淀池２５．３—　一清１５－３　—　清２０．３　一一．．一清２５—３　

０　２　４　６　８　１０　１２　１４　０　５　１０　１５　２０　２５　沉淀池桩号，ｍ　溢流堰和清水池桩号／ｍ　

图３重力沉沙过滤池不同位置水深　Ｆｉｇ．３　Ｆｌｏｗ　ｄｅｐｔｈ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ｇｒａｖｉｔｙ　ｓａｎｄ　ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ　ｔａｎｋ　

根据流态观测，在溢流侧堰是２—３ｍ时，过滤网上过流面积较大，能够比较充分利用过滤网，即是　

较优的过滤网面积。图４是不同运行工况下的沉沙池内各部位流速成果。从图４（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）中看出，沉　

淀池中水流经过调流板后流速迅速降低，之后很长一段距离流速基本不变，始终在０．０５—０．１ｍ／ｓ之间，直　到溢流堰位置，流速又开始缓慢减小。基于此，可以将沉淀池内的流速分为三个阶段：流速迅速降低阶　段、流速恒定阶段、流速缓慢降低阶段。溢流堰上三个测点的流速基本一样，２ｍ宽侧堰时流速在０．７ｍ／　Ｓ左右，３ｍ宽时０．６ｍ／ｓ左右，５ｍ宽时０．４～０．５ｍ／ｓ左右。可以看出，随着侧堰宽度的增加，流速在逐　

渐降低。在流量恒定的情况下，侧堰变窄造成水深加大，流速相应增大。侧堰流速增大对泥沙的沉降有　

一定的影响。图４（ｄ）中清水池内流速在０．２～０．４ｍ／ｓ之间，尤其出口流速较大，工程实际中应控制其　

流速在０．１ｍ／ｓ以下较好。　

２．２　含沙量　含沙量是试验测试的主要内容，根据试验安排，共测试了２７种含沙量运行情况，即每种运行工况下　

渠道进口配置了３种含沙量，小含沙量１．Ｏｋｇ／ｍ　左右，中等含沙量１．３ｋｇ／ｍ　左右，大含沙量１．８ｋｇ／ｍ　左右。限于篇幅，表１仅列出了１５ｍ、２０ｍ、２５ｍ沉淀池长度和３ｍ溢流堰宽组合的运行工况。为对比分　

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