沉沙池进口设施试验研究成果及论文的主要结论简析

沉沙池是清除悬移质泥沙的最有效手段之一。试验研究和运行经验均表明沉沙工作的有效性常取决于沉沙室中的流速均匀分布之程度。沉沙池的进口设施对此则具有决定性作用。

我们在试验室进行了沉沙池进口设施的试验研究^[1]，模型代表位于水利枢纽中的一个沉沙室。为了研究其最不利的工作条件，把沉沙池引水水流与河道水流间的夹角选取为90°。在所设置模型上所取得的试验成果，也可应用于其他夹角小于90°的侧向引水的沉沙池，因为后者所需的调匀进口水流流速分布的设施，较前者更简单且便宜。

研究证明侧向引水由于急剧改变了河道水流方向，在沉沙池的进口区域会形成回流和出现环流，即使在拦河闸坝不过流泄水的条件下，当河道水流流速（vP）和沉沙池水流流速（vOT）的比值相对较小时，即相当于在试验中取其比值在1.0～1.4之间时，回流区也会扩展延伸到沉池室内。而当拦河坝泄流时，的比值达到2.8，观测到沉沙池中的回流尺度可达到沉沙室宽度的3/4和室长的1/2。此时，沉沙池的有效性急剧下降，试验证明，水流将挟带全部小于0.35mm的泥沙颗粒进入引水渠。可见，进口不设均流设施，根本无法保证将有害的较粗的泥沙颗粒沉淀在沉沙室内，因为工程设计中的粗粒泥沙沉降计算是在均匀水流条件下进行的，没有考虑到沉沙室内有回流存在。

在沉沙池进口常采用不同的设施，以达到均流的目的，其中以导流墙和均流栅最为有效。

试验结果表明：在大跨度的分流引水建筑物上设置分隔导流墙，是侧向引水时改善水力学工况的最有效措施。导流墙可缩小回流范围，并将其加以离解和分散，因而在一定程度上，加大了引水口的过流能力并使环流弱化。为了使导流墙工作有效，宜在引水建筑物底槛的首部设置导流墙，在结构上尽可能缩小墙体宽度，并选取便于水流绕行的墙体外形轮廓。设置导流墙后，进水口处回流区的尺度则取决于导墙之间的宽度。导流墙的最佳工况是在以下试验条件下得到的：b=0.5h，l=（0.5～1.0）h；这里b为导流墙间的宽度，l为导流墙的长度，h为水流深度。

应该指出，导流墙只是将进水水流分成了一系列具有不同流速的水流，故在墙下游观测到沿宽度上的流速分布是不均匀的。因此，在进水口只设置导流墙，还不能保证使沉池室中的流速分布能够得到实质性的改善。但是导流墙为设置均流栅创造了良好的条件，使装置均流栅的工程大为简化。

均流栅是能使沉沙室的水流流速得到均匀化的最有效的手段。均流栅可促使水流迅速分流到沉沙室的全部宽度上，使回流区清除，并使环流作用弱化。设置均流栅可使沉沙室中的流速分布达到沉沙设计所允许的范围内。

影响均流栅的均流作用有效性的因素有：栅体的布设位置、均流栅的杆构件的横截面形状及其尺度、水流被栅体束缩的程度、均流栅设置的列数及列间距离、以及不同栅列的杆构件间的相互布设位置状况等。

近年来，在许多已建水电站（如萨姆高尔梯级电站、奇尔奇克梯级电站、苏胡姆电站、艾兹明电站以及波如查电站），以及在建的和正在设计中的电站上，均采用均流栅以调匀沉沙池中的流速。然而在现有的文献里，对于均流栅的构建还没有可靠的导则和规定，并且对于已采用的均流栅结构也还没有足够的科学数据以供设计均流栅应用。

我们的研究成果表明：设置均流栅的最佳位置是沉沙池进口的扩散段到沉沙工作段之间的过渡段。为了易于清污，均流栅体以采用垂直的杆件结构较好。再者，用垂直杆件构成的均流栅在匀流作用方面的效果也较好。

在研究均流栅在调匀流速方面的有效性时，前人进行的研究工作中，局限于作出水流的流速分布图和水流的等流速线图，而没有建立任何的定量指标。经研究分析采用能反映沉沙池流速分布特性的无尺度数，即水流运动能量系数α，作为比较和判别沉沙池进口布置及整流设施效果和沉沙工作状况的定量判别指标。α用以下表达式来确定

式中：u为测点流速；v为有效断面平均流速；w为有效断面面积。

水流运动能量系数α既能充分反映水流流速的分布特征，又是一个无尺度数，因之采用α作为均流设施及沉沙池工作状况的定量判别指标是合理的。研究结果表明：沉沙池有效沉沙工作状况下的α值不应大于1.1。

通过试验研究取得了以下成果：

（1）均流栅的束流系数，是影响均流栅调整水流流速分布的最重要的因素；这里，s为杆构件的宽度；b为杆构件布置间距。

试验结果表明均流栅有最佳束流系数存在，对于不同断面形式的杆件其值各异。对于一列由断面为正方形的杆件和一列由角铁杆件构成的均流栅的最佳束流系数k值都约为0.5（见图1）。

试验中在沉沙池进口入流最不利的情况下（这时均流栅前的水流运动能量系数α值达到5），当设置有一列均流栅时，得到束流系数k与栅后的水流运动能量系数α2之间存在以下关系：

1）由截面为正方形的杆件所构成的均流栅有

2）由角铁杆件构成的均流栅（角脊迎对着来流方向）有

图1　均流栅的束流系数k和水流运动能量系数α的关系

1—一列由正方形断面（2.5cm×2.5cm）杆件构成的均流栅；2—一列由2cm×2cm角铁杆件构成的均流栅（角铁的脊角迎对着水流方向）

（2）均流栅杆件的断面形状对于调匀水流流速分布也具有重要意义。对于由断面为正方形的杆件、圆形杆件和角铁杆件构成的均流栅进行了试验。可以认为：在低束流系数值（k≤0.33）的情况下，圆形杆件栅较由正方形杆件或角铁杆件构成的均流栅的整流效果差。在高束流系数值（k≥0.6）的情况下，由圆形杆件构成的均流栅的整流效果最好，与低束流系数值的情况恰好相反。试验证明，在束流系数值居中（k=0.45）的情况下，圆形杆件构成的均流栅及由角铁杆件构成的均流栅（角脊迎流）则具有最佳的整流效果。

对于具有相同束流系数k值的均流栅，因其构成杆件的断面形状不同，而出现整流作用的差异，可作如下的解释：即这些均流栅，虽然在结构上系按照相同的束流系数k值构建而成，但是当水流穿过栅体时，由于各类不同断面形状杆件，因水流绕流杆件而形成的侧向压缩水流的状态之间是有差异的（见图2），故各均流栅的实际束流系数kφ的表达式应为

图2　水流穿越均流栅杆件时的绕流特征示意图(www.xing528.com)

s—杆件宽度；b—杆件间距；bc—杆件间的水流流束宽度

式中：bc=bε；sφ=s+b（1-ε）；ε为侧向束流系数。

在采用同一束流系数k的情况下，对于正方形杆件均流栅和角铁杆件均流栅的实际束流系数kφ值较圆形杆件栅的实际束流系数kφ值要大，因为前者的杆件具有棱角突起外形的缘故。因此，为了得到同样的均流效果，圆形杆件均流栅应较正方形（及长方形）杆件栅的杆件布置得稠密一些。在此应该指出，设置及构建均流栅最好还是采用正方形杆件及角铁杆件，因为这样，栅体杆件的配置密度要稀疏一些，均流栅被污物堵塞的情况也会少些。

（3）当沉沙室内的平均流速达到40cm/s时，野外实用均流栅杆件的断面尺寸宜不超过15 cm，因为具有巨型截面的杆件对于调匀水流流速的有效性较低，这类巨型截面杆件会严重破坏水流结构，形成具有较大能量而长时间不能耗散的流束。

（4）当沉沙池进口水流条件较差时，设置一列均流栅尚不足以保证达到调匀水流流速分布的需求。试验成果可以证明，只要设置两列均流栅后，即使是在最不利的进流条件下，也可以使沉沙池中的水流达到允许的、足够均匀的流速分布状态。例如，在设置两列由尺寸为2cm×2cm的角铁杆件（束流系数k=0.45）构成的均流栅后，测得的栅后水流运动能量系数α为1.04，而在未加设均流栅时，水流的α值约为5。

在设置两列均流栅（单列栅的束流系数k=0.45）的情况下，两列栅体上的杆件，最好彼此之间能呈互相错位的布置，而栅列间的距离p以不小于8倍的杆件宽度s为宜，即p＞8s，因为随着栅列间距离的减小，水头损失会增大，且均流栅的匀速能力也会随之降低。在使用具有低值束流系数（k=0.33或更小）杆件的均流栅时，栅列间的距离可以减小到4s。

（5）对于水电站沉沙池的均流栅还必须考虑到其所引起的水头损失Δh。譬如，通常在拦污栅上均采用断面为加长形的杆件，而对于均流栅则不必如此。这是因为均流栅的设置是为了通过用栅体阻滞水流，而使水流沿沉沙池断面的宽度上重新加以分布。而加长形断面的杆件，只会增加一些水头损失，而无力促成有利于在沉沙池中形成更好的流速分布。

上面已经指出，均流栅杆件的最优断面形式当属正方形的和角铁式的，但在文献中还设有可靠的数据用来确定这类杆件的水头损失。试验结果表明，均流栅的阻力系数随着其束流系数的增大而增大，而均流栅的阻力系数又依其杆构件的断面形状而变化，其中又以圆形断面杆件的束流系数值为最小。因此，我们认为，在确定均流栅水头损失的公式中应包括有束流系数项，与杆件形状有关的系数，以及流速水头等项目，公式形式如下

在试验成果的基础上，我们求得不同断面杆件均流栅的水头损失公式中的与杆件断面形状有关的系数a和指数n的数值如下：

在图3上可以看出，试验数据点群与选取的公式符合情况良好。

图3　正方形杆件均流栅的阻力系数ζ与束流系数k的关系

根据试验结果，当需设置两列均流栅时，两列均流栅的杆件之间，互相呈错位排列时的阻力系数值要较其互呈顺位排列时的阻力系数值为大。栅列间的距离愈近时，杆件间呈错位与顺位排列之间的阻力系数的差别值愈大。当栅列间的距离p大于杆件宽度s的8倍时，也就是时，对于有两列均流栅的组合体，不论其所用的是圆形杆件或正方形杆件还是角铁杆件，也不论两列栅的杆件之间是呈错位还是顺位排列，这类两列栅组合体的综合阻力系数值实际上互相间是很接近的，故而在实际应用中，可以取

式中：ζ2为两列栅组合体的综合阻力系数；ζ1为单个栅体的阻力系数。

而当和束流系数值接近于0.5时，两列栅体的综合阻力系数ζ2则依照下式计算

式中：c、f、k1为与均流栅杆件断面形状和两列栅体杆件间之排列布置状况有关的常数。

对于由正方形杆件构成的栅体，其两列栅的杆件间呈错位布置时，则c=0.586，f=1.92，k1=0.982；而当其杆件间呈顺位排列时，则c=1.416，f=2.06，k1=-0.36。

对于由圆形杆件构成的栅体，当其两列栅的杆件间呈错位分布时，有c=1.565，f=1.975，k1=0.292；而在顺位布置情况下，则c=1.824，f=2.01，k1=-0.032。

图4　两列均流栅的比值与栅间距离p的关系（以正方形杆件宽度b=2.5cm，束流系数=0.45的均流栅的试验成果为例）

1—杆件呈错位布置；2—杆件呈顺位布置

图4所示曲线系按式（2）求得，试验点数据也标在图4上。

为了检验模型试验成果应用到野外工程实体上的可能性，我们进行了不同比尺的模型试验。试验结果表明，无尺度数α在不同比尺的模型上近乎保持为常数，而水头差则依模型比尺的不同而相应变化。故此可以认为，我们在模型试验中所取得的数据，可以依照常规的水工模型相似律（即重力相似定律），通过计算转换应用到实体工程中去。