摘要：漏斗式全沙排沙设施是一种排沙耗水量小，截沙率高的泥沙处理技术，并已在工程实际应用中取得了良好的效果。本文通过其清、浑水流场特性分析表明，漏斗室内部水流特性有利于水沙分离和泥沙的排除。
关键词：漏斗式 螺旋流 模型试验 原型观测 1 漏斗式全沙排沙技术 漏斗式全沙排沙设施作为一种高效、节水、经济的泥沙处理技术，已成功用于灌溉、发电、工业及人畜引水等诸多领域的泥沙处理，取得了良好的经济效益和社会效益，已建或待建部分工程见表1。 表1 部分已建和正建工程列表 | List of some sand funnel projects |
| 序号 | 工程名称 | 引水渠流量(m3/s) | 漏斗室直径(m) | 备注 |
| 1 | 新疆迪那河引水干渠排沙漏斗工程 | 25 | 20 | 1988年建成 | 2 | 新疆托克逊县青年渠排沙漏斗工程 | 6 | 12 | 1992年建成 | 3 | 新疆八一钢铁公司引水暗渠排沙漏斗工程 | 1.7 | 9 | 1996年建成 | 4 | 新疆昌吉县蔬菜基地引水渠排沙漏斗工程 | 0.5 | 5 | 1996年建成 | 5 | 新疆和静县解放二渠排沙漏斗工程 | 13.5 | 14 | 1996年建成 | 6 | 新疆霍城县胜利渠排沙漏斗工程 | 0.03 | 2.4 | 1996年建成 | 7 | 新疆玛纳斯县塔西河二级电站排沙漏斗工程 | 4 | 0.9 | 1996年建成 | 8 | 新疆阿克陶县吾依他克电站排沙漏斗工程 | 14.6 | 26 | 1997年建成 | 9 | 新疆奇台县达板河引水干渠排沙漏斗工程 | 12 | 12 | 1997年建成 | 11 | 新疆头屯河干渠改造排沙漏斗工程 | 10 | 12 | 1988年建成 | 12 | 新疆玛纳斯县红山嘴电厂引水渠排沙漏斗工程 | 60 | 30 | 1998年建成 | 13 | 湖南洞庭湖挖泥船排出口泥浆脱水排沙漏斗工程 | 0.28 | 3.69 | 1998年建成 | 14 | 新疆巴音沟河引水干渠排沙漏斗工程 | 45 | 14 | 正在修建 | 15 | 新疆金沟河引水干渠排沙漏斗工程 | 30 | 14 | 正在修建 | 16 | 新疆玛纳斯河团结电站排沙漏斗工程 | 4 | 9 | 正在修建 | 17 | 四川省伊乌湖电站排沙漏斗工程 | 7 | 15 | 正在修建 |
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含沙水流沿切线方向进入漏斗室，由于漏斗室边壁的约束以及悬板等调流装置的影响，为三维立轴型螺旋流，在实际运行中水、沙、气掺混流动，其流场非常复杂，目前通过模型试验、原型观测以及数值计算相结合等方法基本探明了其水流特性[１～２]。 2 试验研究 2.1 试验模型 试验模型尺寸为：漏斗室直径150cm；排沙底孔直径5.5cm；漏斗底坡1/10；进水涵洞断面为矩形；悬板长度包含中心角180°，顶部溢流，下部设置调流墩。试验布置了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ等八个测试断面。模型及测试断面布置如图1所示。 2.2 漏斗室水流特性 清水流场测试结果表明，漏斗室水流为三维螺旋流，由切向、径向和轴向三个方向的流速耦合而成，三方向流速在漏斗水流运动中分别起着不同作用：切向流速维持漏斗螺旋流的环流强度；方向向下的轴向流速有利于泥沙的沉降，促使水沙分离；径向流速促使泥沙向排沙底孔输移。 2.3 泥沙对漏斗室流场的影响 分析清、浑水流场资料得知，无论是清水流场还是浑水流场，切向流速沿径向的分布规律和径向流速沿轴向的分布规律基本上是一致的[３]。泥沙对漏斗室流场的影响主要体现在切向流速沿轴向分布规律和径向流速沿径向的分布规律上。 | 
| 图1 漏斗式全沙排沙设施示意图 | Sketch of the sand funnel structure | 1.进水涵洞 2.漏斗室 3.引水渠 4.悬板 5.漏斗底孔 6.调流墩 7.排沙道 |
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图2～5绘出了清、浑水情况下，切向流速沿轴向和径向流速沿径向的分布规律。 如图2和图3所示，泥沙对于切向流速在轴向的分布影响是明显的，特别在内区，浑水情况下切向流速在轴向分布更为均匀。随半径的增大，在漏斗室外区，清、浑水的流速分布规律则趋于一致。 
| 图2 Ⅱ断面切向流速沿轴向分布 | Tangential velocity distribution in vertical in section Ⅱ |
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| 图3 Ⅳ断面切向流速沿轴向分布 | Tangential velocity distribution in vertical in section Ⅳ |
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| 图4 Ⅱ断面(水深2cm)径向流速沿径向分布 | Radial velocity distribution along radial direction in section Ⅱ(water depth=2cm) |
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| 图5 Ⅱ断面(水深14cm)径向流速沿径向分布 | Radial velocity distribution along radial direction in section Ⅱ(water depth=14cm) |
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如图4及图5所示，泥沙对于径向流速沿径向分布的影响较大，并且主要表现在漏斗室的底部，即泥沙对于径向流速在径向的影响只限于漏斗室底部某一水深范围内，该范围的大小与断面位置以及泥沙粒径有关，有待进一步深入研究。 由上述清、浑水流场对比分析可见，泥沙对漏斗室流场的影响集中体现在漏斗室内区和漏斗室底部，也就是说，漏斗室内区水流和底部水流受泥沙影响显著，或者说漏斗室内区和底部水流泥沙含量大，说明漏斗螺旋流确实具有使泥沙沉积并且向漏斗底孔输移的水流特性，因此排沙漏斗在处理水流泥沙上取得了很好的效果，也进一步证实前面关于清水流场特性的分析是正确的。 2.4 截沙率 作者对于不同粒径的泥沙在单级流量下进行了截沙率的模型试验，结果表明，泥沙粒径越大其截沙率越高，即粗颗粒泥沙便于处理，对于粒径d＞1mm的泥沙，漏斗式全沙排沙设施能100%的排除。而对于较细的泥沙，在实验室内，对不同粒径的泥沙采用一定的加沙量在漏斗式全沙排沙设施上游渠道进行人工投沙，将漏斗底孔的水流导入一厢形沉沙池进行人工收沙，将其与上游投沙的总重量相比即得漏斗式全沙排沙设施的截沙率。试验结果如表2，表中资料表明，对于粒径大于0.125mm的泥沙的截沙率大于80%，完全能够满足实际工程应用。 表2 不同粒径泥沙情况下的截沙率 | Test data of sand interception rate for different grain size |
| 泥沙直径(mm) | 0.300～0.200 | 0.200～0.150 | 0.150～0.125 | 0.125～0.105 | 0.105～0.093 | 0.093～0.074 | <0.074 |
| 截沙率(%) | 87.47 | 88.97 | 80.75 | 73.15 | 60.04 | 48.59 | 26.68 |
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2.5 排沙耗水率 模型试验测试得出的漏斗排沙耗水率平均为3%。 [Page] 3 工程应用 3.1 工程概况 红山嘴水力发电厂位于新疆玛纳斯河中游出山口红山嘴区域河段的东岸，是典型的无调节、径流式梯级引水式电站，目前由四座电站组成，二级电站总装机容量4×3200kw，设计年发电量4800万kwh，引水渠长11.3km，设计引水流量56m3/s。由于玛纳斯河是一条多泥沙河流，红山嘴电厂又座落于沙量最大，泥沙运动最活跃的出山口中游多少河段上，泥沙危害是几十年来长期困扰水电厂引水与发电生产的最大顽症，由于渠道泥沙淤积，渠道输水能力降低，达不到设计引水能力，同时，大量泥沙进入压力前池，给机组造成磨损，致使机组发电效率降低，且每年投入大量的经费进行机组维修。为了解决泥沙淤积、磨损问题，在二级引水渠0+900处修建了漏斗式全沙排沙工程。 排沙工程主要设计数据为：漏斗室直径为30m；进水涵洞高1.8m，宽5.6m；漏斗室底坡为1/10；底孔直径为1.5m等不同五种；悬板长度包含中心角为180°，下设调流墩；漏斗室最大进流量约为引水渠总流量的60%。 表3 红山嘴水力发电厂二级电站引水渠泥沙颗粒组成 | Sand granulometric composition of approach channel |
| 颗粒组成 | 粒径(mm) | 占泥沙比例(%) | 累计占泥沙比例(%) |
| 极细泥沙 | 0.002～0.010 | 12.10 | 12.10 | 细沙 | 0.010～0.250 | 23.90 | 36.00 | 中沙 | 0.100～0.250 | 39.40 | 75.40 | 粗沙 | 0.250～1.000 | 24.60 | 100 |
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3.2 原型观测 1998年6月至9月，新疆石河子红山嘴水力发电厂委托石河子水文水资源勘测大队对红山嘴水力发电厂漏斗式全沙排沙工程进行原型观测，并要求对排沙工程进行水文评价。 3.2.1 原型观测水文评价内容 (1)测定漏斗式全沙排沙工程在不同流量下的耗水量及耗水率； (2)分别测定漏斗式全沙排沙工程在不同时段不同来沙来水情况下的截沙率，尤其是对0.10～0.25mm和0.25～1.00mm粒径泥沙的截沙率。 3.3.2 原型观测结果 关于排沙耗水量以及截沙率的原型观测数据分别见表4和表5。 表4 漏斗式全沙排沙工程排沙耗水率 | Water consumption of the sand funnel project |
| 观测时间 | 漏斗下游引水渠流量 | 排沙明渠流量 | 漏斗上游引水渠流量 | 排沙耗水率 | 漏斗底孔直径 | (1998年) | (m3/s) | (m3/s) | (m3/s) | (%) | (m) |
| 7月6日 | 55.9 | 1.64 | 57.5 | 2.85 | 1.50 | 10日 | 52.8 | 1.60 | 54.4 | 2.94 | 1.50 | 17日 | 61.0 | 1.61 | 62.6 | 2.57 | 1.50 | 20日 | 54.7 | 1.50 | 56.2 | 2.67 | 1.50 | 24日 | 58.6 | 1.63 | 60.2 | 2.71 | 1.50 | 27日 | 60.1 | 1.58 | 61.7 | 2.56 | 1.50 | 31日 | 57.5 | 1.51 | 59.0 | 2.56 | 1.50 | 8月3日 | 55.3 | 1.61 | 56.9 | 2.83 | 1.50 | 7日 | 63.7 | 1.75 | 65.5 | 2.67 | 1.50 | 10日 | 62.7 | 1.66 | 64.4 | 2.58 | 1.50 | 14日 | 64.5 | 1.82 | 66.3 | 2.76 | 1.50 | 9月3日 | 59.5 | 1.65 | 61.2 | 2.70 | 1.50 | 3日 | 62.0 | 1.68 | 63.7 | 2.64 | 1.50 | 4日 | 57.3 | 1.74 | 59.0 | 2.95 | 1.50 | 5日 | 56.3 | 1.82 | 58.1 | 3.13 | 1.50 | 6日 | 56.7 | 1.71 | 58.4 | 2.93 | 1.50 | 23日 | 31.3 | 0.55 | 31.9 | 1.72 | 0.60 | 平均 | 57.1 | 1.59 | 58.7 | 2.71 | |
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表5 漏斗式全沙排沙工程不同粒径泥沙截沙率 | Sand interception rate of the sand funnel project |
| 观测时间(1998年) | 观测位置 | 断面输沙率(kg/s) | 不同粒径泥少截沙率(%) |
| 0.10～0.25mm | 0.25～0.50mm | 0.50～1.00mm |
| 第一组 | 引水渠上游断面 | 934.50 | 69.30 | 95.40 | 100.00 | 8月7日 | 引水渠下游断面 | 478.30 |
| 第二组 | 引水渠上游断面 | 693.30 | 72.20 | 95.80 | 100.00 | 8月10日 | 引水渠下游断面 | 321.40 |
| 第三组 | 引水渠上游断面 | 711.10 | 78.10 | 96.70 | 100.00 | 8月14日 | 引水渠下游断面 | 259.20 |
| 第四组 | 引水渠上游断面 | 113.60 | 79.50 | 96.90 | 100.00 | 9月3日 | 引水渠下游断面 | 38.70 |
| 第五组 | 引水渠上游断面 | 82.28 | 72.00 | 95.80 | 100.00 | 9月3日 | 引水渠下游断面 | 38.30 |
| 第六组 | 引水渠上游断面 | 113.70 | 69.20 | 95.30 | 100.00 | 9月4日 | 引水渠下游断面 | 58.34 |
| 第一组 | 引水渠上游断面 | 200.10 | 73.90 | 96.10 | 100.00 | 8月7日 | 引水渠下游断面 | 86.81 |
| 第一组 | 引水渠上游断面 | 249.72 | 78.60 | 96.80 | 100.00 | 8月7日 | 引水渠下游断面 | 89.19 |
| 平均值 | 74.10 | 96.10 | 100.00 |
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通过分析漏斗式全沙排沙工程实际运行测试资料可以得出如下结论：①平均耗水量为电站引水流量的2.71%；②粒径大于 | 