CN114370035B - 导片式排沙漏斗 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种导片式排沙漏斗。导片式排沙漏斗中立柱对调流悬板形成支撑，在立柱上安装有导片。导片改变了漏斗室底部高浓度含沙水流的流向，由于导片导流作用，原先沿立柱内侧所在圆周及其附近做圆周运动的挟沙水流运动路径被改变，在导片和惯性力的共同作用下挟沙水流能够快速进入漏斗中心的螺旋流区域进行螺旋运动。受空气涡旋转作用，螺旋流区域内的泥沙不易淤积于底板或随溢流逃逸，只能从排沙底孔排出。导片式排沙漏斗减少了立柱内侧的漏斗室底板的泥沙淤积量，提高了底孔排沙率，有效解决了现有排沙漏斗技术因设置立柱而引起的漏斗室底板淤积严重致使排沙漏斗工程随运行时间的增长截沙率和排沙率降低的问题。

Description

导片式排沙漏斗

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种导片式排沙漏斗。

背景技术

在西北内陆地区的多沙河流域，常常需要在灌区的引水干渠、水库、水电站上游修建二级排沙设施对泥沙进行预处理，以减少泥沙给农业生产和水利工程带来的危害。排沙漏斗(即漏斗式全沙排沙技术)有效地缓解了河渠泥沙淤积的难题。排沙漏斗因其较好的截沙率和低排沙耗水率，而被广泛应用于水力发电、排螺治湖、河道清淤疏浚等领域。

排沙漏斗是一种利用三维立轴螺旋流实现水沙分离的二级排沙设施。含沙水流自切向进水涵洞进入漏斗室内，经过旋流分离后表层含沙量较低的“清水”经悬板溢出，沉入池底的泥沙经漏斗室中心的排沙底孔排出。例如，中国专利文献CN1157358A中公开了一种排沙漏斗。该排沙漏斗在在漏斗室的壁上设置调流悬板，调流悬板为水平放置的90度至180度圆心角的扇形形状。但是，在工程实践中表明，排沙漏斗调流悬板为水平放置的90°至180°圆心角的扇形形状，呈水平布置，径向宽度与漏斗直径成正比，悬板面积较大，运行过程中发现调流悬板上泥沙落淤量远远超出设计荷载，导致结构承载力不满足，斜拉钢丝断裂，结构失稳。

为了解决调流悬板上泥沙淤积超载及淤积不均匀的问题，在现有技术中对排沙漏斗的结构作了进一步的优化设计。例如，中国专利文献CN111270657B中公开的一种排沙漏斗。该排沙漏斗中改进后的调流悬板的近心端和远心端连线(即锥面母线)与水平面形成的夹角为大于0°且小于等于45°，整个调流悬板中间高且两端低。溢出水流仅仅从调流悬板较低的两端流经改进后的调流悬板表面，调流悬板表面中间区域不过水，改进后的调流悬板实际过水宽度小于调流悬板宽度，湿周远小于现有技术的排沙漏斗。改进后的调流悬板湿周小，流速大，不易发生淤积。

但是，上述改进调流悬板后的排沙漏斗在工程实践中仍然存在缺陷。例如，在处理高浓度且以悬移质为主的含沙水流时，排沙漏斗直径很大，因调流悬板宽度与直径成正比，故悬板宽度增加。为防止悬板塌落，工程实践中采用了在调流悬板下方设置多排立柱支撑悬板，以保证悬板结构稳定。但大量试验结果表明，加设立柱后虽然有效保证了悬板的稳定性，却出现了漏斗室锥底淤积严重、排沙底孔的泥沙排出率减少、随运行时间增长排沙漏斗截沙率降低的现象。

因此，优化排沙漏斗的结构形式，有效解决现有排沙漏斗技术因加设立柱后漏斗室泥沙淤积严重及排沙底孔的泥沙排出率低的问题、提高排沙效率成为了进一步推广排沙漏斗技术应用亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：为解决加设立柱后排沙漏斗室底板淤积严重，致使排沙漏斗工程随运行时间的增长截沙率和底孔排沙率降低的问题，本发明提出了优化排沙漏斗结构的技术方案，具体如下。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：一种导片式排沙漏斗，包括漏斗室、调流悬板、立柱和导片，所述调流悬板位于漏斗室内，所述立柱对调流悬板形成支撑，所述立柱的顶端与调流悬板相连，所述立柱的底端与漏斗室相连，所述导片与立柱相连。所述导片与立柱的外径所在的同心圆的切线方向具有夹角。

其中，该导片改变了漏斗室底部高浓度含沙水流的流向，由于导片导流作用，原先沿立柱内侧所在圆周及其附近做圆周运动的挟沙水流运动路径被改变，在导片和惯性力的共同作用下挟沙水流能够快速进入漏斗中心的螺旋流区域进行螺旋运动。受空气涡旋转作用，螺旋流区域内的泥沙不易淤积于底板或随溢流逃逸，只能从排沙底孔排出。导片式排沙漏斗减少了立柱内侧的漏斗室底板的泥沙淤积量，提高了底孔排沙率。

作为优选，导片靠近漏斗室中心的一侧呈平面或圆弧面状，导片远离漏斗室中心的一侧为平面或圆弧面状。

作为优选，立柱沿排沙底孔的轴线呈圆弧状分布，导片与立柱相连。位于立柱底端的导片使原来沿立柱内侧所在圆周及其附近做圆周运动的挟沙水流改变了运动路径，在导片和惯性力作用下挟沙水流快速进入漏斗中心的螺旋流区域进行螺旋运动，缩短了其在漏斗内的运动路径，受空气涡旋转作用，螺旋流区域内的泥沙不易淤积于底板或随溢流逃逸，只能从排沙底孔排出。因此，加设导片后立柱内侧的漏斗室底板的泥沙淤积量减少，底孔排沙率增加。

作为优选，导片式排沙漏斗包括进水涵洞、边墙、溢流堰和侧槽，进水涵洞连接在漏斗室的上部，且与漏斗室的外圆周相切，漏斗室的底部开有排沙底孔，排沙底孔连接有排沙廊道，边墙连接在漏斗室上部形成第一圆弧段包围结构，溢流堰连接在漏斗室上部形成第二圆弧段包围结构，溢流堰的高度低于边墙的高度，侧槽连接在溢流堰一侧，侧槽与边墙形成第三圆弧段包围结构，侧槽上开有引水渠道口。

作为优选，侧槽由底板、端板和侧板拼接而成，底板的一端与漏斗室的侧壁相连，侧板连接在底板的另一端，端板将边墙和侧板连接在一起形成侧槽的侧壁包围结构，引水渠道口位于侧板上。

本发明提供的一种导片式排沙漏斗与现有技术相比，具有如下突出的实质性特点和显著进步：

该导片式排沙漏斗在立柱上设置导片，导片改变了漏斗室底部高浓度含沙水流的流向，由于导片导流作用，原先沿立柱内侧所在圆周及其附近做圆周运动的挟沙水流运动路径被改变，在导片和惯性力的共同作用下挟沙水流能够快速进入漏斗中心的螺旋流区域进行螺旋运动。受空气涡旋转作用，螺旋流区域内的泥沙不易淤积于底板或随溢流逃逸，只能从排沙底孔排出。导片式排沙漏斗减少了立柱内侧的漏斗室底板的泥沙淤积量，提高了底孔排沙率，有效解决了现有排沙漏斗技术因设置立柱而引起的漏斗室底板淤积严重致使排沙漏斗工程随运行时间的增长截沙率和排沙率降低的问题。

附图说明

图1是本发明实施例中一种导片式排沙漏斗的立体结构示意图；

图2是图1中导片式排沙漏斗的内部结构示意图；

图3是图1的俯视图；

图4是图3中A-A处的剖视图。

附图标记：进水涵洞1、边墙2、立柱3、导片4、排沙底孔5、调流悬板6、溢流堰7、侧槽8、漏斗室9、引水渠道口10、第一圆弧段包围结构11、第二圆弧段包围结构12、第三圆弧段包围结构13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

如图1-4所示的一种导片式排沙漏斗，用以优化处理悬移质含沙水流的排沙漏斗技术。该导片式排沙漏斗在立柱上设置导片，该导片改变了漏斗室底部高浓度含沙水流的流向，由于导片导流作用，原先沿立柱内侧所在圆周及其附近做圆周运动的挟沙水流运动路径被改变，在导片和惯性力的共同作用下挟沙水流能够快速进入漏斗中心的螺旋流区域进行螺旋运动。受空气涡旋转作用，螺旋流区域内的泥沙不易淤积于底板或随溢流逃逸，只能从排沙底孔排出。导片式排沙漏斗减少了立柱内侧的漏斗室底板的泥沙淤积量，提高了底孔排沙率。综上，导片可有效改善现有排沙漏斗技术因调流悬板下方增加立柱支撑系统而引起的漏斗室淤沙增加、排沙底孔泥沙排出率降低的问题。

如图1结合图2所示，一种导片式排沙漏斗包括进水涵洞1、边墙2、漏斗室9、调流悬板6、溢流堰7和侧槽8。进水涵洞1连接在漏斗室9的上部，且与漏斗室9的外圆周相切。漏斗室9的底部开有排沙底孔5。排沙底孔5连接有排沙廊道。边墙2连接在漏斗室9上部形成第一圆弧段包围结构11。溢流堰7连接在漏斗室9上部形成第二圆弧段包围结构12。溢流堰7的高度低于边墙2的高度。侧槽8连接在溢流堰7一侧。侧槽8与边墙2形成第三圆弧段包围结构13。侧槽8上开有引水渠道口10。

如图4所示，调流悬板6位于漏斗室9内。立柱3对调流悬板形成支撑。立柱3的顶端与调流悬板6相连。立柱3的底端与漏斗室9相连。导片4与立柱3相连。导片4靠近漏斗室9中心的一侧呈圆弧面状。导片4远离漏斗室9中心的一侧为平面状。导片4与立柱3的外径所在的同心圆的切线方向具有夹角。

其中，立柱3用于对调流悬板6的悬空部分形成支撑，导片4改变了漏斗室底部高浓度含沙水流的流向，在立柱和导片内侧区域(靠近漏斗中心)，该导片改变了漏斗室底部高浓度含沙水流的流向，由于导片导流作用，原先沿立柱内侧所在圆周及其附近做圆周运动的挟沙水流运动路径被改变，在导片和惯性力的共同作用下挟沙水流能够快速进入漏斗中心的螺旋流区域进行螺旋运动。受空气涡旋转作用，螺旋流区域内的泥沙不易淤积于底板或随溢流逃逸，只能从排沙底孔排出。导片式排沙漏斗减少了立柱内侧的漏斗室底板的泥沙淤积量，提高了底孔排沙率。

例如，调流悬板水平放置，在处理高浓度的含沙水流时，为了提高泥沙的截除率，可增大排沙漏斗的直径来降低漏斗室内流速，调流悬板的宽度随排沙漏斗的直径增大而相应增加。如此一来，调流悬板的自身重量增加，需要在调流悬板的下方布置立柱对调流悬板形成支撑，进而确保调流悬板安全稳定。但是，增设立柱系统对漏斗室内的螺旋流场产生局部干扰，局部水头损失增加，使旋流流速降低，空气涡旋转速度和螺旋流强度减弱，泥沙沉降至漏斗室底板后淤积于底板，很难经排沙底孔排出。为了在增加立柱保证悬板水平布置稳定的同时减少漏斗室淤沙，提出在立柱上设置导片，该导片改变了漏斗室底部高浓度含沙水流的流向，由于导片导流作用，原先沿立柱内侧所在圆周及其附近做圆周运动的挟沙水流运动路径被改变，在导片和惯性力的共同作用下挟沙水流能够快速进入漏斗中心的螺旋流区域进行螺旋运动。受空气涡旋转作用，螺旋流区域内的泥沙不易淤积于底板或随溢流逃逸，只能从排沙底孔排出。导片式排沙漏斗减少了立柱内侧的漏斗室底板的泥沙淤积量，提高了底孔排沙率，有效解决了现有排沙漏斗技术因设置立柱而引起的漏斗室底板淤积严重致使排沙漏斗工程随运行时间的增长截沙率和排沙率降低的问题。

如图2所示，侧槽8由底板、端板和侧板拼接而成。底板的一端与漏斗室9的侧壁相连。侧板连接在底板的另一端。端板将边墙2和侧板连接在一起形成侧槽8的侧壁包围结构。引水渠道口10位于侧板上。

如图3所示，立柱3沿排沙底孔5的轴线呈圆弧状分布。导片4位于立柱3的底端。如此设置，呈圆弧状分布的多根立柱3，有利于更加均匀地对调流悬板6实施支撑。位于立柱3底端的导片4改变了漏斗室底部高浓度含沙水流的流向，由于导片导流作用，原先沿立柱内侧所在圆周及其附近做圆周运动的挟沙水流运动路径被改变，在导片和惯性力的共同作用下挟沙水流能够快速进入漏斗中心的螺旋流区域进行螺旋运动。受空气涡旋转作用，螺旋流区域内的泥沙不易淤积于底板或随溢流逃逸，只能从排沙底孔排出。导片式排沙漏斗减少了立柱内侧的漏斗室底板的泥沙淤积量，提高了底孔排沙率。

本发明实施例中提供的一种导片式排沙漏斗，高浓度的含沙水流从进水涵洞进入漏斗室内。含沙水流在漏斗室内进行旋流运动，实现水沙分离。含沙水流中的大部分泥沙经漏斗室底部的排沙底孔排入排沙廊道排出。漏斗室中的上层清液即含沙浓度较低的水流，沿着调流悬板，经溢流堰流入侧槽中，最后通过引水渠道口进入引水渠道中。

为了进一步验证立柱增设导片后，对排沙漏斗排沙效率的改善效果，进行了针对立柱是否设置导片的两种情况在多种水流工况下的测试试验，探究在排沙漏斗立柱上加设导片后在不同进流含沙浓度时排沙漏斗底板淤积质量的变化。两种排沙漏斗在不同进流量和进流含沙浓度下进行试验，分别测量了无导片和设置导片后排沙漏斗底板上的泥沙淤积质量、调流悬板上的泥沙淤积质量以及进、出口水流的含沙浓度、流量，并根据每个工况对应的含沙浓度和流量计算了泥沙截除率、排沙耗水率和底孔出沙率。

排沙漏斗的进口流量分别为0.83l/s、1.66l/s和2.07l/s，进口处水流的含沙浓度分别为6kg/m³、9kg/m³，试验中每个工况下漏斗运行1.5h后停水。

泥沙总截除率由如下公式计算得出：

其中，η为泥沙总截除率，Q_w为进口流量，Q₀为溢流出口流量，S_w为进流含沙浓度、S₀为溢流口出沙浓度。

排沙耗水率由如下公式计算得出：

其中，λ为排沙耗水率，Q_d为排沙底孔流量，Q_w为进口流量。

底孔排沙率由如下公式计算得出：

其中，μ为底孔排沙率，Q_d为排沙底孔流量，S_d为底孔出口含沙浓度，Q_w为进口流量，S_w为进流含沙浓度。

为了更好地比较立柱上是否设置导片两种情况下，漏斗室底板以及调流悬板上淤积泥沙质量的变化，设置φ、两个参数来分别表示漏斗室底板上淤积泥沙质量的相对变化量，以及调流悬板上淤积泥沙质量的相对变化量。上述两个参数的计算表达式如下所示：

其中，φ为立柱安装导片后漏斗室底板上淤积泥沙质量相对于立柱未安装导片时漏斗室底板上淤积泥沙质量的相对变化量，M₂为立柱安装导片漏斗室底板上淤积泥沙烘干后的质量，M₁表示立柱未安装导片漏斗室底板上淤积泥沙烘干后的质量；为立柱安装导片后调流悬板上淤积泥沙质量相对于立柱未安装导片时调流悬板上淤积泥沙质量的相对变化量，m₂为立柱安装导片调流悬板上淤积泥沙烘干后的质量，m₁表示立柱未安装导片调流悬板上淤积泥沙烘干后的质量。

实验结果如表1和表2所示。

表1进口处水流含沙浓度为6kg/m³时立柱上有无导片结果对照

表2进口处水流含沙浓度为9kg/m³时立柱有无导片结果对照

结合表1和表2可以看出，进口处水流含沙浓度为6kg/m³时，进口流量分别为0.83l/s、1.66l/s(设计流量)、2.07l/s，立柱安装导片后漏斗室淤积泥沙质量相对于立柱未安装导片时漏斗室淤积泥沙质量的相对变化量分别减少了16.6％、2.61％、16.48％，立柱安装导片后调流悬板上淤积泥沙质量相对于立柱未安装导片时调流悬板上淤积泥沙质量的相对变化量分别减少16.29％、2.07％、12.89％；进口处水流含沙浓度为9kg/m³时，进口流量分别为0.83L/s、1.66L/s(设计流量)、2.07L/s，立柱安装导片后漏斗室锥底上淤积泥沙质量相对于立柱未安装导片时漏斗室锥底上淤积泥沙质量的相对变化量分别减少了27.83％、15.75％、37.21％，立柱安装导片后调流悬板上淤积泥沙质量相对于立柱未安装导片时调流悬板上淤积泥沙质量的相对变化量分别减少18.92％、6.1％和30.77％。显然，立柱加装导片后，漏斗室底板和调流悬板上的淤积泥沙质量都明显减少，并且随着进流含沙浓度的增大，漏斗室和悬板表面的淤积质量的减幅明显增大。从表中还可以看出，各级进口浓度下加设导片前、后排沙漏斗在小于和等于设计流量时截除率、排沙耗水率变幅不大。

当进流量超过设计流量运行时，截除率有所降低、排沙耗水率略有减少，如进口含沙浓度为9kg/m³、流量2.07L/s时，截除率由28.1％降低至23.18％，减幅约为5％。这是因为排沙漏斗在进流量超过设计流量下运行时由于其紊动强度大，导致截除率低于设计流量运行工况；加设导片后螺旋流强度和水流紊动强度增加，帮助泥沙沉降的轴向流速和输移泥沙的径向流速都受到了水流紊动作用的影响，致使截除率有所减小。考虑实际工程在运行过程中，一旦出现超过设计流量运行的工况，表明河道来水量大，水流挟带泥沙量大，进入漏斗室后单位时间内泥沙沉降量大，使漏斗室容积减小，随流运动的泥沙在漏斗室内的停留时间减少，溢出量增大，截除率降低。实施例结果表明加设导片后紊动强度增加可有效防止泥沙大量淤积在漏斗室内，如进口处水流含沙浓度为9kg/m³、流量2.07L/s超出设计流量时，立柱安装导片后漏斗室底板上淤积泥沙质量相对于立柱未安装导片时漏斗室底板上淤积泥沙质量的相对变化量减少了37.21％，而截除率仅降低了约5％。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种导片式排沙漏斗，其特征在于，包括漏斗室、调流悬板、立柱和导片，所述调流悬板位于漏斗室内，所述立柱对调流悬板形成支撑，所述立柱的顶端与调流悬板相连，所述立柱的底端与漏斗室相连，所述导片与立柱相连，所述导片位于立柱的底端；

其中，所述导片用于改变漏斗室底部含沙水流的流向，由于导片导流作用，原先沿立柱内侧所在圆周及其附近做圆周运动的挟沙水流运动路径被改变，在导片和惯性力的共同作用下，挟沙水流能够快速进入漏斗中心的螺旋流区域进行螺旋运动，受空气涡旋转作用，螺旋流区域内的泥沙只能从排沙底孔排出。

2.根据权利要求1所述的导片式排沙漏斗，其特征在于：所述导片靠近漏斗室中心的一侧呈平面或圆弧面状，所述导片远离漏斗室中心的一侧为平面或圆弧面状。

3.根据权利要求1所述的导片式排沙漏斗，其特征在于，所述导片与立柱的外径所在的同心圆的切线方向具有夹角。

4.根据权利要求1所述的导片式排沙漏斗，其特征在于，所述立柱沿排沙底孔的轴线呈圆弧状分布，所述导片与立柱相连。

5.根据权利要求1所述的导片式排沙漏斗，其特征在于，所述导片式排沙漏斗包括进水涵洞、边墙、溢流堰和侧槽，所述进水涵洞连接在漏斗室的上部，且与漏斗室的外圆周相切，所述漏斗室的底部开有排沙底孔，所述排沙底孔连接有排沙廊道，所述边墙连接在漏斗室上部形成第一圆弧段包围结构，所述溢流堰连接在漏斗室上部形成第二圆弧段包围结构，所述溢流堰的高度低于边墙的高度，所述侧槽连接在溢流堰一侧，所述侧槽与边墙形成第三圆弧段包围结构，所述侧槽上开有引水渠道口。

6.根据权利要求5所述的导片式排沙漏斗，其特征在于，所述侧槽由底板、端板和侧板拼接而成，所述底板的一端与漏斗室的侧壁相连，所述侧板连接在底板的另一端，所述端板将边墙和侧板连接在一起形成侧槽的侧壁包围结构，所述引水渠道口位于侧板上。