新型沉沙实验模型设计

　　摘要：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。

　　关键词：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。