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1、水利工程定期冲洗式沉沙池泄空冲洗计算摘要：水利工程定期冲洗沉沙池，一般为双室或多室交替运行，当其中某池室的沉沙容积淤满，出池含沙量达不到设计标准时，应停止该室沉沙运行，及时冲洗。泄空冲洗是定期冲洗式沉沙池的一种特殊冲洗方式。一般情况下，沉沙池停止淤积运行之初，池内尚存有一定数量的水体，如及时开启冲沙闸泄空，可利用这部分水体挟带池内尚未充分浓缩固结的泥沙出池。大禹渡等沉沙池泄空冲洗原型观测和模型试验排沙效果表明，沉沙池泄空冲洗不仅冲洗效果好，而且可节省冲洗水量。验证结果表明，由水沙平衡条件给出的式(5)和式(6)分别用于计算与本文类似条件的沉沙池泄空冲洗排沙量及冲洗历时是合理的。泄空冲洗计算关键

2、是合理选择平均排沙含量Scp及可泄空排出的淤积泥沙干密度s。 关键词：沉沙池 定期冲洗 泄空冲洗 原型观测 模型试验 1 问题的提出水利工程定期冲洗式沉沙池，一般为双室或多室交替运行，当其中某池室的沉沙容积淤满，出池含沙量达不到设计标准时，应停止该池室的沉沙运行，及时冲洗，并同时启用已冲洗完的另一池室运行。沉沙池工作段的冲洗具有冲洗历时长，耗水量大的特点。处理高含沙量水流的双室或多室沉沙池，其单室冲洗历时必须小于沉沙运行历时，才能满足正常供水要求。所以，冲洗效率直接关系到沉沙池的布置，以及引渠设计流量。当沉沙池为泵站供水时，由于冲洗效率受冲洗流量制约，冲洗流量又影响到泵站装机容量、机组选型和布

3、置，以及耗水费用等。在处理高含沙量水流的沉沙池设计中，上述问题十分突出，故研究冲洗效率是工程设计中的一个现实问题。泄空冲洗是水利工程定期冲洗式沉沙池的一种特殊冲洗方式。一般情况下，沉沙池停止淤积运行之初，池内尚存有一定数量的水体，如及时开启冲沙闸泄空，可利用这部分水体挟带池内尚未充分浓缩固结的泥沙出池，此过程称之为沉沙池泄空冲洗。大禹渡、阳武河、禹门口等沉沙池泄空冲洗原型观测和模型试验排沙效果证明，沉沙池泄空冲洗不仅冲洗效果好，而且可节省一定的冲洗水量。当前已有一些关于水库泄空排沙的研究成果，但对水利工程定期冲洗式沉沙池的泄空冲洗尚缺研究。为解决工程设计中的应用问题，作者以沉沙池原型观测资料为

4、依据，并结合模型试验成果对定期冲洗式沉沙池泄空冲洗计算进行了分析研究。2 沉沙池淤积形态和冲洗过程沉沙运行时，浑水进入沉沙池后，随着过流断面沿程扩大，流速沿程递减，粗粒泥沙逐渐沉落，首端淤积三角洲形态逐渐形成，顶坡较缓，前坡较陡，洲面逐渐向下游推进。前坡慢慢调平，直到沉沙容积淤满。据阳武河和大禹渡沉沙池原型观测，汛期淤积洲面平均坡降分别为0.0029和0.0015，阳武河非汛期洲面坡降为0.0016。据多室(厢)交替运行实践，当池室的沉沙容积淤满时，应及时关闭其进口闸门，停止供水，开启冲沙闸门进行冲洗。沉沙池原型观测，模型试验以及运行实践表明，沉沙池冲洗过程一般可分为泄空冲洗、溯源冲洗和沿程冲

5、洗三个阶段。冲沙闸开启后，池内部分尚未充分浓缩固结的泥沙被泄空水流挟带出池的过程为泄空冲洗阶段。泄空冲洗结束后，及时开启进口闸门，逐厢引水冲洗。冲洗过程中，前坡产生强烈的冲刷，并逐渐向上游发展，直到前后坡统一形成一个坡降，此过程称为溯源冲刷阶段。当前后坡的坡度统一后出现由上至下的冲刷，此过程称沿程冲洗阶段，沿程冲洗历时较长，冲冼效率低于前两个阶段。一般当淤积物冲洗去95%左右，冲洗过程可终止，并按运行要求调度各闸门启闭。3 泄空冲洗3.1 泄空冲洗特点和效果当沉沙池工作段的沉沙容积淤满，刚刚停止沉沙运行、池内部分泥沙尚未充分浓缩固结时，及时打开冲沙闸门，利用池内水位快速下降而使部分淤积泥沙被冲

6、刷下泄，就沉沙池而言，此过程称泄空冲洗。泄空冲洗的特点是发展速度快、强度大，可在较短时间内将池内部分淤积干密度较小的泥沙排出池外。泄空过程中，排沙含沙量一般是由小变大，即开始泄空时，出池含沙量较小，随着冲刷的发展，出池含沙量逐渐增大，当水位接近淤沙面时(此过程中，泥沙淤积面也不断发生变化，并形成新的洲面)，冲刷发展更加剧烈。图1和图2分别为1992年由大禹渡沉沙池原型观测所得到的沉沙池泄空冲洗淤积面变化和含沙量及泄空流量变化过程线。阳武河沉沙池和禹门口沉沙池的观测也表明类似的过程。图1 大禹渡沉沙池实测泄空冲洗淤积面变化(1992.9.9)Measured sedimentation prof

7、ile variation with emptying flush in Dayudu settling basin图2 大禹渡沉沙池泄空冲洗排沙含沙量、流量过程线(原型观测时间1992.9.9)Hydrographs of flow and sediment concentration during the period of emptying flush in Dayudu settling basin沉沙池泄空冲洗的效果与淤积泥沙的物理特性有关。原型观测及模型试验资料表明，在淤沙尚未充分固结、干密度较小(这部分泥沙大多集中在池末端)，及时利用池内蓄水量泄空排沙，排沙效果非常显著。据大禹渡

8、、禹门口、阳武河等沉沙池原型观测和模型试验资料统计，沉沙池泄空冲洗过程中，平均排沙含量达200500kg/m3，最高排沙含沙量可达7001000kg/m3以上，可排出的沙量约占总淤积量的25%50%，可见排沙效果显著。表1为大禹渡、阳武河、禹门口等沉沙池泄空冲洗原型观测和模型试验排沙效果的统计结果。表中阳武河沉沙池的排沙效果不明显，可能是由于淤积后放置一段时间才冲洗的原因。表1 各沉沙池泄空冲洗排沙效果统计Sediment discharge effect of emptying flush in the settling basins沉沙池名称观测条件池内总淤积量VZ(m3)泄空排沙量VC(

9、m3)排沙量效果VC/VZ(%)观测时间大禹渡原型观测(1)11050687862.21992.9.9大禹渡原型观测(2)10046665966.31992.9.26阳武河原型观测200010051982.6.4禹门口模型试验(1)252073929.31983.10禹门口模型试验(2)244776031.11985.69禹门口模型试验(3)217568031.31986.69禹门口模型试验(4)239575531.51988.79 注：禹门口沉沙池模型试验均为单厢试验3.2 泄空冲洗计算3.2.1 水力学计算沉沙池泄空冲洗过程中，其泄空流量主要通过调节冲沙闸门开度来控制，闸门开度的选择应满足

10、最大下泄流量不大于闸后排沙廊道设计过流能力的要求。当闸门开度一定时，泄空流量的大小与闸前水头大小有关，泄空开始时的流量较大，随着池内水位不断下降，泄空流量逐渐减小，并由闸孔出流过渡到堰流，此时，即可认为泄空冲洗基本结束。当闸门开度一定时，泄空流量可按闸孔出流计算，即(1)式中 e为闸门开启高度(m)；b为单孔闸净宽(m)；n为闸孔孔数，一般n=1；H0为包括行近流速水头的闸前水头(m)；为垂直收缩系数；为闸孔自由出流的流量系数；s淹没系数。泄空过程中各时段平均流量可近似按下式计算，即Qcpj=Qi+Qi+1/2(2)式中Qcpj为j时段平均流量(m3/s)；Qi为由式(1)计算的泄空过程j时段

11、初流量(m3/s)；Qi+1为由式(1)计算的泄空过程j时段末流量(m3/s)。泄空平均流量可近似按下式计算(3)式中Qcp为冲洗过程平均流量(m3/s)；tj为j时段长(h)；n为由泄空总历时划分的时段数。3.2.2 泄空冲洗排沙量及历时估算(1) 泄空排沙水流含沙量确定原型观测和模型试验资料表明，沉沙池泄空冲洗过程中的排沙含沙量是随水位下降的冲刷强度变化而变化，目前尚缺理论计算方法，设计中一般是通过模型试验或利用已建沉沙池运行观测资料统计分析来确定的。笔者根据原型观测和模型试验资料，采用泄空过程中冲洗流量与含沙量变化加权平均法，进行沉沙池泄空冲洗过程平均含沙量统计计算，即(4)式中 Scp

12、为冲洗过程平均排沙含沙量(kg/m3)；Sj为j时段平均排沙含沙量(kg/m3)。由大禹渡、禹门口、阳武河等沉沙池3次原型观测和4次模型试验资料统计分析得到沉沙池泄空冲洗平均排沙含沙量为200500kg/m3，统计成果见表2。表2 各沉沙池泄空冲洗平均排沙含沙量统计Mean sediment concentration discharged by emptying flush in the settling basins沉沙池名称观测条件平均排沙含沙量(kg/m3)最大排沙含沙量(kg/m3)观测时间大禹渡原型观测(1)5009001992.9.9大禹渡原型观测(2)4608001992.9.

13、26阳武河原型观测2004001982.6.4禹门口模型试验(1)2806701983.10禹门口模型试验(2)2806001985.69禹门口模型试验(3)2507001986.69禹门口模型试验(4)2848731988.79(2) 泄空排沙量和历时计算泄空冲洗的排沙量为泄空前池内静水位以下水量在泄流过程中可带出的淤沙体积。设池内淤积洲面以上至静水位间的水量为Vw，可带出淤沙体积为Vc，根据平衡条件可得出泄空过程中的沙量平衡方程式(Vw+Vc)Scp=Vcs1000整理得Vc=VwScp/1000s-Scp(5)式中Vc为泄空冲洗排出的淤沙体积(m3)；s为可排出的淤积泥沙干密度(t/m3

14、)；Scp为泄空冲洗平均排沙含沙量(kg/m3)。根据泄空过程中排出的水、沙总体积和平均泄空流量可得泄空冲洗历时tc的计算公式tc=Vw+Vc/3600Qcp(6)式中平均流量Qcp可按式(3)计算。3.3 泄空冲洗排沙量及历时验证计算3.3.1 验证资料用大禹渡、阳武河、禹门口等沉沙池泄空冲洗原型观测和模型试验资料进行验证。各沉沙池泄空冲洗的水沙条件见表3。表3 各沉沙池泄空冲洗水沙条件Water-sand condition for emptying flush in the settling basins沉沙池名称及观测条件淤积面以上水量Vw(m3)池内总淤积量VZ(m3)排沙平均流量Q

15、cp(m3/s)平均排沙含沙量Scp(kg/m3)观测时间大禹渡原观(1)5570110501.15001992.9.9大禹渡原观(2)6560100461.84601992.9.26阳武河原观35020001.332001982.6.4禹门口模型(1)1663252012801983.10禹门口模型(2)1653244712801985.69禹门口模型(3)1730217512501986.69禹门口模型(4)1725239522841988.793.3.2 验证计算(1) 计算参数选取验证计算的沉沙池泄空冲洗排沙含沙量Scp，对不同的沉沙池按表3所列平均排沙含沙量分别取值。原型观测和模型试

16、验资料表明，沉沙池内可在泄空冲洗过程中排出的淤积泥沙干密度一般在0.91.0t/m3，计算中取=0.9t/m3。(2) 冲洗排沙量验证由式(4)计算的各沉沙池泄空冲洗过程中可排出的沙量见表4。表4 各沉沙池计算与实测泄空排沙量比较Comparison between calculated and recorded sediment concentrationdischarged by emptying flush in the settling basins排沙体积大禹渡原观(1)大禹渡原观(2)阳武河原观禹门口模试(1)禹门口模试(2)禹门口模试(3)禹门口模试(4)计算排沙量Vc(m3)6

17、9636858100751747665795实测排沙量Vs(m3)6878665989739760680755相对误差(%)1.222.9011.001.061.742.265.03(3) 冲洗历时验证由式(5)计算的各沉沙池泄空冲洗历时结果见表5。表5 各沉沙池计算与实测泄空冲洗历时比较Comparison between calculated and recorded flushing duration in the settling basins冲洗历时大禹渡原观(1)大禹渡原观(2)阳武河原观禹门口模试(1)禹门口模试(2)禹门口模试(3)禹门口模试(4)计算tc(h)3.142.04

18、0.090.670.670.670.34实测ts(h)3.102.200.080.640.600.620.35相对误差(%)1.277.8412.004.4810.447.462.944 成果分析及结束语以上泄空冲洗排沙量及冲洗历时计算结果表明，由水沙平衡条件给出的式(5)和式(6)分别用于计算与本文类似条件的沉沙池泄空冲洗排沙量及冲洗历时是合理的。泄空冲洗计算关键是合理选择平均排沙含量Scp及可泄空排出的淤积泥沙干密度。根据上述原型观测和模型试验成果，建议在无资料的情况下，与本文类似条件的沉沙池，平均冲沙单宽流量在0.160.33m3/sm、淤积泥沙中值粒径在0.050.4mm时，平均排沙含

19、沙量Scp按250300kg/m3取值，干密度s可按0.91.0t/m3取值。有条件时可通过模型试验进一步验证。劳德诺又道：“当时我问师父：林家这辟邪剑法威力很大么？青城派为甚么这样用心修习？师父不答，闭眼沉思半晌，才道：德诺，你入我门之前，已在江湖上闯荡多年，可曾听得武林之中，对福威镖局总镖头林震南的武功，如何评论？我道：武林中朋友们说，林震南手面阔，交朋友够义气，大家都买他的帐，不去动他的镖。至于手底下真实功夫怎样，我不大清楚。师父道：是了！福威镖局这些年来兴旺发达，倒是江湖上朋友给面子的居多。你可曾听说，余观主的师父长青子少年之时，曾栽在林远图的辟邪剑下？我道：林林远图？是林震南的父亲？

20、师父道：不，林远图是林震南的祖父，福威镖局是他一手创办的。当年林远图以七十二路辟邪剑法开创镖局，当真是打遍黑道无敌手。其时白道上英雄见他太过威风，也有去找他比试武艺的，长青子便因此而在他辟邪剑法下输了几招。我道：如此说来，辟邪剑法果然是厉害得很了？师父道：长青子输招之事，双方都守口如瓶，因此武林中都不知道。长青子前辈和你师祖是好朋友，曾对你师祖说起过，他自认这是他毕生的奇耻大辱，但自忖敌不过林远图，此仇终于难报。你师祖曾和他拆解辟邪剑法，想助他找出这剑法中的破绽，然而这七十二路剑法看似平平无奇，中间却藏有许多旁人猜测不透的奥妙，突然之间会变得迅速无比。两人钻研了数月，一直没破解的把握。那时我刚

21、入师门，还只是个十来岁的少年，在旁斟茶侍候，看得熟了，你一试演，便知道这是辟邪剑法。唉，岁月如流，那是许多年前的事了。”林平之自被青城派弟子打得毫无招架之功，对家传武功早已信心全失，只盼另投明师，再报此仇，此刻听得劳德诺说起自己曾祖林远图的威风，不由得精神大振，心道：“原来我家的辟邪剑法果然非同小可，当年青城派和华山派的首脑人物尚且敌不过。然则爹爹怎么又斗不过青城派的后生小子？多半是爹爹没学到这剑法的奥妙厉害之处。” 只听劳德诺道：“我问师父：长青子前辈后来报了此仇没有？师父道：比武输招，其实也算不得是甚么仇怨。何况那时候林远图早已成名多年，是武林中众所钦服的前辈英雄，长青子却是个刚出道的小道

22、士。后生小子输在前辈手下，又算得了甚么？你师祖劝解了他一番，此事也不再提了。后来长青子在三十六岁上便即逝世，说不定心中放不开此事，以此郁郁而终。事隔数十年，余沧海忽然率领群弟子一起练那辟邪剑法，那是甚么缘故？德诺，你想那是甚么缘故？“我说：瞧着松风观中众人练剑情形，人人神色郑重，难道余观主是要大举去找福威镖局的晦气，以报上代之仇？师父点头道：我也这么想。长青子胸襟极狭，自视又高，输在林远图剑底这件事，一定令他耿耿于怀，多半临死时对余沧海有甚么遗命。林远图比长青子先死，余沧海要报师仇，只有去找林远图的儿子林仲雄，但不知如何，直挨到今日才动手。余沧海城府甚深，谋定后动，这一次青城派与福威镖局可要有

23、一场大斗了。“我问师父：你老人家看来，这场争斗谁胜谁败？师父笑道：余沧海的武功青出于蓝而胜于蓝，造诣已在长青子之上。林震南的功夫外人虽不知底细，却多半及不上乃祖。一进一退，再加上青城派在暗而福威镖局在明，还没动上手，福威镖局已输了七成。 倘若林震南事先得知讯息，邀得洛阳金刀王元霸相助，那么还可斗上一斗。德诺，你想不想去瞧瞧热闹？我自是欣然奉命。师父便教了我几招青城派的得意剑法，以作防身之用。” 陆大有道：“咦，师父怎地会使青城派剑法？啊，是了，当年长青子跟咱们祖师爷爷拆招，要用青城派剑法对付辟邪剑法，师父在旁边都见到了。”劳德诺道：“六师弟，师父他老人家武功的来历，咱们做弟子的不必多加推测。师

24、父又命我不可和众同门说起，以免泄露了风声。但小师妹毕竟机灵，却给她探知讯息，缠着师父许她和我同行。我二人乔扮改装，假作在福州城外卖酒，每日到福威镖局去察看动静。别的没看到，就看到林震南教他儿子林平之练剑。小师妹瞧得直摇头，跟我说：这哪里是辟邪剑法了？这是邪辟剑法，邪魔一到，这位林公子便得辟易远避。”在华山群弟子哄笑声中，林平之满脸通红，羞愧得无地自容，寻思：“原来他二人早就到我局中来窥看多次，我们却毫不知觉，也真算得无能。” 劳德诺续道：“我二人在福州城外耽不了几天，青城派的弟子们就陆续到了。最先来的是方人智和于人豪二人。他二人每天到镖局中踹盘子，我和小师妹怕撞见他们，就没再去。 那一日也是真

25、巧，这位林公子居然到我和师妹开设的大宝号来光顾，小师妹只好送酒给他们喝了。当时我们还担心是给他瞧破了，故意上门来点穿的，但跟他一搭上口，才知他是全然蒙在鼓里。这纨裤弟子甚么也不懂，跟白痴也差不了甚么。便在那时，青城派中两个最不成话的余人彦和贾人达，也到我们大宝号来光顾” 陆大有鼓掌道：“二师哥，你和小师妹开设的大宝号，当真是生意兴隆通四海，财源茂盛达三江。你们在福建可发了大财哪！”那少女笑道：“那还用说么？二师哥早成了大财主，我托他大老板的福，可也捞了不少油水。”众人尽皆大笑。劳德诺笑道：“别瞧那林少镖头武功稀松平常，给咱们小师妹做徒儿也还不配，倒是颇有骨气。余沧海那不成材的小儿了余人彦瞎了眼

26、睛，向小师妹动手动脚，口出调笑之言，那林公子居然伸手来抱打不平” 林平之又是惭愧，又是愤怒，寻思：“原来青城派处心积虑，向我镖局动手，是为了报上代败剑之辱。来到福州的其实远不止方人智等四人。我杀不杀余人彦，可说毫不相干。” 他心绪烦扰，劳德诺述说他如何杀死余人彦，就没怎么听进耳去，但听得劳德诺一面说，众人一面笑，显是讥笑他武功甚低，所使招数全不成话。只听劳德诺又道：“当天晚上，我和小师妹又上福威镖局去察看，只见余观主率领了侯人英、洪人雄等十多个大弟子都已到了。我们怕给青城派的人发觉，站得远远的瞧热闹，眼见他们将局中的镖头和趟子手一个个杀了，镖局派出去求援的众镖头，也都给他们治死了，一具具尸首都

27、送了回来，下的手可也真狠毒。当时我想，青城派上代长青子和林远图比剑而败，余观主要报此仇，只须去和林震南父子比剑，胜了他们，也就是了，却何以下手如此狠毒？那定是为了给余人彦报仇。可是他们偏偏放过了林震南夫妻和林平之三人不杀，只是将他们逼出镖局。林家三口和镖局人众前脚出了镖局，余观主后脚就进去，大模大样的往大厅正中太师椅上一坐，这福威镖局算是教他青城派给占了啦。”陆大有道：“他青城派想接手开镖局了，余沧海要做总镖头！”众人都是哈哈一笑。 劳德诺道：“林家三口乔装改扮，青城派早就瞧在眼里，方人智、于人豪、贾人达三人奉命追踪擒拿。小师妹定要跟着去瞧热闹，于是我们两个又跟在方人智他们后面。到了福州城南山

28、里的一家小饭铺中，方人智、于人豪、贾人达三个露脸出来，将林家三口都擒住了。 小师妹说：林公子所以杀余人彦，是由我身上而起，咱们可不能见死不救。我极力劝阻，说道咱们一出手，必定伤了青城、华山两家的和气，何况余观主便在福州，我二人别要闹个灰头土脸。”陆大有道：“二师哥上了几岁年纪，做事自然把细稳重，那岂不扫了小师妹的兴致？” 劳德诺笑道：“小师妹兴致勃勃，二师哥便要扫她的兴，可也扫不掉。当下小师妹先到灶间中去，将那贾人达打得头破血流，哇哇大叫，引开了方于二人，她又绕到前面去救了林公子，放他逃生。”陆大有拍手道：“妙极，妙极！我知道啦，小师妹可不是为了救那姓林的小子。她心中却另有一番用意。很好，很好

29、。”那少女道：“我另有甚么用意？你又来胡说八道。”陆大有道：“我为了青城派而挨师父的棍子，小师妹心中气不过，因此去揍青城派的人，为我出气，多谢啦”说着站起身来，向那少女深深一揖。那少女噗哧一笑，还了一礼，笑道：“六猴儿师哥不用多礼。”那手拿算盘的人笑道：“小师妹揍青城弟子，确是为人出气。是不是为你，那可大有研究。挨师父棍子的，不见得只你六猴儿一个。”劳德诺笑道：“这一次六师弟说得对了，小师妹揍那贾人达，确是为了给六师弟出气，日后师父问起来，她也是这么说。”陆大有连连摇手，说道：“这这个人情我可不敢领，别拉在我身上，教我再挨十下八下棍子。”那高个儿问道：“那方人智和于人豪没追来吗？”那少女道：“怎么没追？可是二师哥学过青城派的剑法，只一招鸿飞冥冥，便将他二人的长剑绞得飞上了天。只可惜二师哥当时用黑布蒙上了脸，方于二人到这时也不知是败在我华山派18