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【摘 要】 本文通过分析常规沉沙池与新型水沙分离装置的泥沙处理范围措施等，以实现节能减排、环保性处理泥沙的目标，为水沙分离提供了更多的思路，对类似的工程设计、施工及运行管理有一定的参考价值。
【关键词】 沉沙池;粒径;排沙;过滤
一、前言
河流中一般都存在着泥沙运动，从河流中引水势必涉及到随引水而来的泥沙问题[1]。泥沙问题主要指泥沙的侵蚀、输移和淤积的过程，水利工程主要解决泥沙输移和淤积对水工建筑物造成的危害[2]。
二、引水防沙的措施
1、直线形沉沙池
直线形沉沙池可分为单室、双室、多室以及带有侧渠的沉沙池。
单室沉沙池适用于供水量小于15～20m3/s的情况，其缺点是冲洗时须将上部闸孔关闭，停止向渠道供水，以免将搅起的泥沙带进渠道。双室沉沙池是沉沙池的每个沉淀室只通过总干渠流量的一半，当其中一个沉淀室冲洗时，另一个沉淀室则通过超额流量，这时沉沙池冲洗时间必须选在灌区需水最小时进行。多室沉沙池是其中一个沉淀室冲洗时，其余的沉淀室应该通过全部流量。多室沉沙池可以保证连续供水，冲沙所需流量相对较少。带有侧渠的沉沙池冲洗时可由侧渠供水，使灌区用水连续，但水流含沙量较大。
2、曲线形沉沙池
曲线形沉沙池是山溪性多泥沙河流上引水渠首常用的二级排沙处理设施，可对引入进水口的推移质泥沙进行第二次处理。曲线形沉沙池主要由90°内角的宽阔弯曲渠段、进出口渐变段、多个冲沙廊道和集中排沙明渠组成。正常运行时，连续不断地将推移质输向凸岸，通过冲沙廊道和排沙明渠将泥沙排出。
曲线形沉沙池的工作原理是利用弯道环流理论将水沙进行分离，主要处理粒径5～80mm的推移质，沉沙池一般需耗用20%～30%的引水量进行冲沙，用水量多，冲沙时间比较长。
3、排沙涡管
排沙涡管是指在河床上或渠道底部利用螺旋流排除水流底部推移质泥沙的管道。研究和原型试验表明：排沙涡管内的螺旋流强度与主槽流速、涡管开口宽度及主槽之间的夹角有关。仅当排沙涡管与主槽之间的角度为30°左右、渠道水流的Fr=0.7～0.8时，排沙效果较好，对于急流渠道Fr=3.46～9.42的排沙涡管，排沙效果较差。在实际工程中，细颗粒的泥沙在输移过程中容易随水流越过涡管开口流向下游，而颗粒较粗的卵石等则容易掉入管内淤积、卡堵，因此排沙涡管在工程应用中仍受到一定的限制。
4、排沙漏斗
1984年，新疆农业大学周著等人对环流室引水工程水流结构和排沙机理进行了系统的分析研究，改造获得了新型排沙设施“排沙漏斗”。
排沙漏斗的工作原理主要是利用了三维立轴型螺旋流的特性，空气漏斗周围形成的强排沙能力的漩涡是排沙的关键。含沙水流沿圆周壁切向进入漏斗室后，受边界的约束和由于水平悬板、调流墩等调流装置引发多种形式的副流作用，产生具有较高强度的環流。部分水流由漏斗底部的中心输沙底孔排出，使水体在漏斗室的中心区产生自由漩涡。由高强度的环流、自由漩涡等因素的耦合，便形成了稳定的三维立轴型螺旋流来进行水沙分离。在螺旋流的运动中，推移质和悬移质泥沙在水中的运动特性、沉降路径、输移距离等都各不相同。依据泥沙粒径大小先后沉降输移至排沙底孔，由输沙廊道排出。对粒径为0.5mm至数十厘米的粗沙及卵石，排除率可达100%;对粒径为0.05mm～0.5mm的细沙，排除率可达90%。排沙耗水量约占引水总量的5%。
5、圆中环沉沙排沙过滤池
圆中环沉沙排沙过滤池位于呼图壁河青年渠首工程下游，属于呼图壁县城镇工业园区供水工程配套项目。该设计采用一种新型的水沙分离装置系统，它是兼顾圆中环沉沙排沙池和过滤池的优点而开发的一种新型的水工建筑物，利用动态水流自身的能量进行水沙的分离，达到沉沙、排沙、过滤多功效的目的[3]。其对粒径为0.16mm以上的泥沙沉降率达100%，对粒径为小于0.075mm的泥沙沉降率达82.4%;沉沙池排沙时采用间歇式冲沙，排出的沙量占池内总淤积量的95%。沉沙、排沙效果好，排沙速度快，排沙耗水量小，能更大范围的处理推移质、悬移质泥沙和较小漂浮物[4]。
该装置系统结构主体为圆型沉沙池，出水环堰位于圆型沉沙池的中部，内设控制水位的溢流筒，前接进水廊道，后接冲沙廊道。进水廊道和冲沙廊道断面均为矩形。冲沙廊道末端左侧设冲沙闸。溢流筒下接矩形排水廊道，其末端右侧设排沙闸。圆型沉沙池底部为螺旋状倒锥体池底，沿池底设一斜坡环形沉沙冲沙道，前接冲沙闸，后通排沙闸。圆型沉沙池边墙顶部内侧设32个过滤槽，外侧为环形汇流槽。过滤槽内设过滤料，出水口为环形溢流侧堰。汇流槽末端设有叠环出水口。圆型沉沙排沙过滤池结构从外到内可分为进水闸井、矩形进水廊道、环形汇流槽、溢流侧堰、过滤槽、沉沙池倒锥体池底、环形沉沙冲沙道、中心出水环堰、溢流筒、冲沙廊道、环流冲沙闸、排沙闸、叠环出水口和出水闸井等部分。为保证连续供水，圆中环沉沙排沙池设双管双池，一池工作，一池备用。其工程平面布置示意图见图1。
图1
其沉沙、排沙、过滤工作原理为：当含有悬移质泥沙或悬浮物的原水从进水闸井进入矩形进水廊道后，通过中心出水环堰溢出，即第一道处理措施：沉沙。沉沙后的水体流入沉沙池倒锥体池底，即第二道处理措施：沉沙。池内水位上升后，水流由过滤槽下部侧面进水口进入集水箱，随着池内水位升高，集水箱内水位随之升高，在过滤槽与沉沙池水位差作用下，水流依次流过筛网和过滤层，即第三道处理措施：滤沙。水流经过滤后由溢流侧堰流入环形汇流槽，最后清水经叠环出水口进入取水管道。工程运行时，由于工业用水的波动性，池内水位可能会发生变化，当水位高于规定水位时，溢流筒可将多余水量通过排水冲沙廊道排入河道。原水进入进水廊道后，由于溢流作用原水中的较大颗粒泥沙停留于中心出水环堰底部，而较细颗粒泥沙沉积于倒锥体池底环形沉沙冲沙道，漂浮物留于池内水面。原水中的悬浮物则被滤留在断径砂过滤槽孔板网架下部，形成絮凝团结构，在重力作用下沉入槽底。当滤料被淤堵到一定程度，需要对过滤料及过滤槽下部集水箱进行冲洗，32个过滤槽可不停地轮换冲洗，不影响正常供水。冲洗时，先关闭过滤槽进水口，再打开排污管闸阀，即可利用过滤槽内水流的重力由上而下对滤料及集水箱底部进行冲洗，洗去过滤料孔隙内及槽箱内的积沙及污物。反复数次，直到将滤料层及其下部集水箱冲洗干净为止，即第四道处理措施：排污。当沉沙池需要排沙时，先打开排水冲沙廊道末端右侧排沙闸及冲沙廊道末端左侧冲沙闸，水流旋转，形成高速环流，可迅速将池底环形道上的泥沙排出池外，即第五道处理措施：排沙。
三、结束语
据全国含沙量分布观测资料统计，全国河流从山地和丘陵带走的泥沙每年约35×108t，年平均含沙量为1.29kg/m3，随着社会的不断进步和工农业的不断发展，城镇和农村人口对于引水的水质要求也越来越高。在目前水资源需求日益增大的情况下，人们必须合理的利用现有的水资源，如何使高含沙水流通过水沙分离装置获取工农业用水已成为一项十分重要的任务。
参考文献：
[1]V.A.范诺尼.泥沙工程[M].北京：水利出版社，1981.
[2]王光谦.河流泥沙研究进展[J].泥沙研究，2007（2）：64-74.
[3]刘宝星.圆中环沉沙排沙过滤池水工模型试验研究与数值分析[D].新疆农业大学，2013.
[4]刘宝星，侍克斌等.圆中环沉沙排沙过滤池水工模型试验研究[J].水力发电学报，2013（4）：82-87.
【关键词】 沉沙池;粒径;排沙;过滤
一、前言
河流中一般都存在着泥沙运动，从河流中引水势必涉及到随引水而来的泥沙问题[1]。泥沙问题主要指泥沙的侵蚀、输移和淤积的过程，水利工程主要解决泥沙输移和淤积对水工建筑物造成的危害[2]。
二、引水防沙的措施
1、直线形沉沙池
直线形沉沙池可分为单室、双室、多室以及带有侧渠的沉沙池。
单室沉沙池适用于供水量小于15～20m3/s的情况，其缺点是冲洗时须将上部闸孔关闭，停止向渠道供水，以免将搅起的泥沙带进渠道。双室沉沙池是沉沙池的每个沉淀室只通过总干渠流量的一半，当其中一个沉淀室冲洗时，另一个沉淀室则通过超额流量，这时沉沙池冲洗时间必须选在灌区需水最小时进行。多室沉沙池是其中一个沉淀室冲洗时，其余的沉淀室应该通过全部流量。多室沉沙池可以保证连续供水，冲沙所需流量相对较少。带有侧渠的沉沙池冲洗时可由侧渠供水，使灌区用水连续，但水流含沙量较大。
2、曲线形沉沙池
曲线形沉沙池是山溪性多泥沙河流上引水渠首常用的二级排沙处理设施，可对引入进水口的推移质泥沙进行第二次处理。曲线形沉沙池主要由90°内角的宽阔弯曲渠段、进出口渐变段、多个冲沙廊道和集中排沙明渠组成。正常运行时，连续不断地将推移质输向凸岸，通过冲沙廊道和排沙明渠将泥沙排出。
曲线形沉沙池的工作原理是利用弯道环流理论将水沙进行分离，主要处理粒径5～80mm的推移质，沉沙池一般需耗用20%～30%的引水量进行冲沙，用水量多，冲沙时间比较长。
3、排沙涡管
排沙涡管是指在河床上或渠道底部利用螺旋流排除水流底部推移质泥沙的管道。研究和原型试验表明：排沙涡管内的螺旋流强度与主槽流速、涡管开口宽度及主槽之间的夹角有关。仅当排沙涡管与主槽之间的角度为30°左右、渠道水流的Fr=0.7～0.8时，排沙效果较好，对于急流渠道Fr=3.46～9.42的排沙涡管，排沙效果较差。在实际工程中，细颗粒的泥沙在输移过程中容易随水流越过涡管开口流向下游，而颗粒较粗的卵石等则容易掉入管内淤积、卡堵，因此排沙涡管在工程应用中仍受到一定的限制。
4、排沙漏斗
1984年，新疆农业大学周著等人对环流室引水工程水流结构和排沙机理进行了系统的分析研究，改造获得了新型排沙设施“排沙漏斗”。
排沙漏斗的工作原理主要是利用了三维立轴型螺旋流的特性，空气漏斗周围形成的强排沙能力的漩涡是排沙的关键。含沙水流沿圆周壁切向进入漏斗室后，受边界的约束和由于水平悬板、调流墩等调流装置引发多种形式的副流作用，产生具有较高强度的環流。部分水流由漏斗底部的中心输沙底孔排出，使水体在漏斗室的中心区产生自由漩涡。由高强度的环流、自由漩涡等因素的耦合，便形成了稳定的三维立轴型螺旋流来进行水沙分离。在螺旋流的运动中，推移质和悬移质泥沙在水中的运动特性、沉降路径、输移距离等都各不相同。依据泥沙粒径大小先后沉降输移至排沙底孔，由输沙廊道排出。对粒径为0.5mm至数十厘米的粗沙及卵石，排除率可达100%;对粒径为0.05mm～0.5mm的细沙，排除率可达90%。排沙耗水量约占引水总量的5%。
5、圆中环沉沙排沙过滤池
圆中环沉沙排沙过滤池位于呼图壁河青年渠首工程下游，属于呼图壁县城镇工业园区供水工程配套项目。该设计采用一种新型的水沙分离装置系统，它是兼顾圆中环沉沙排沙池和过滤池的优点而开发的一种新型的水工建筑物，利用动态水流自身的能量进行水沙的分离，达到沉沙、排沙、过滤多功效的目的[3]。其对粒径为0.16mm以上的泥沙沉降率达100%，对粒径为小于0.075mm的泥沙沉降率达82.4%;沉沙池排沙时采用间歇式冲沙，排出的沙量占池内总淤积量的95%。沉沙、排沙效果好，排沙速度快，排沙耗水量小，能更大范围的处理推移质、悬移质泥沙和较小漂浮物[4]。
该装置系统结构主体为圆型沉沙池，出水环堰位于圆型沉沙池的中部，内设控制水位的溢流筒，前接进水廊道，后接冲沙廊道。进水廊道和冲沙廊道断面均为矩形。冲沙廊道末端左侧设冲沙闸。溢流筒下接矩形排水廊道，其末端右侧设排沙闸。圆型沉沙池底部为螺旋状倒锥体池底，沿池底设一斜坡环形沉沙冲沙道，前接冲沙闸，后通排沙闸。圆型沉沙池边墙顶部内侧设32个过滤槽，外侧为环形汇流槽。过滤槽内设过滤料，出水口为环形溢流侧堰。汇流槽末端设有叠环出水口。圆型沉沙排沙过滤池结构从外到内可分为进水闸井、矩形进水廊道、环形汇流槽、溢流侧堰、过滤槽、沉沙池倒锥体池底、环形沉沙冲沙道、中心出水环堰、溢流筒、冲沙廊道、环流冲沙闸、排沙闸、叠环出水口和出水闸井等部分。为保证连续供水，圆中环沉沙排沙池设双管双池，一池工作，一池备用。其工程平面布置示意图见图1。
图1
其沉沙、排沙、过滤工作原理为：当含有悬移质泥沙或悬浮物的原水从进水闸井进入矩形进水廊道后，通过中心出水环堰溢出，即第一道处理措施：沉沙。沉沙后的水体流入沉沙池倒锥体池底，即第二道处理措施：沉沙。池内水位上升后，水流由过滤槽下部侧面进水口进入集水箱，随着池内水位升高，集水箱内水位随之升高，在过滤槽与沉沙池水位差作用下，水流依次流过筛网和过滤层，即第三道处理措施：滤沙。水流经过滤后由溢流侧堰流入环形汇流槽，最后清水经叠环出水口进入取水管道。工程运行时，由于工业用水的波动性，池内水位可能会发生变化，当水位高于规定水位时，溢流筒可将多余水量通过排水冲沙廊道排入河道。原水进入进水廊道后，由于溢流作用原水中的较大颗粒泥沙停留于中心出水环堰底部，而较细颗粒泥沙沉积于倒锥体池底环形沉沙冲沙道，漂浮物留于池内水面。原水中的悬浮物则被滤留在断径砂过滤槽孔板网架下部，形成絮凝团结构，在重力作用下沉入槽底。当滤料被淤堵到一定程度，需要对过滤料及过滤槽下部集水箱进行冲洗，32个过滤槽可不停地轮换冲洗，不影响正常供水。冲洗时，先关闭过滤槽进水口，再打开排污管闸阀，即可利用过滤槽内水流的重力由上而下对滤料及集水箱底部进行冲洗，洗去过滤料孔隙内及槽箱内的积沙及污物。反复数次，直到将滤料层及其下部集水箱冲洗干净为止，即第四道处理措施：排污。当沉沙池需要排沙时，先打开排水冲沙廊道末端右侧排沙闸及冲沙廊道末端左侧冲沙闸，水流旋转，形成高速环流，可迅速将池底环形道上的泥沙排出池外，即第五道处理措施：排沙。
三、结束语
据全国含沙量分布观测资料统计，全国河流从山地和丘陵带走的泥沙每年约35×108t，年平均含沙量为1.29kg/m3，随着社会的不断进步和工农业的不断发展，城镇和农村人口对于引水的水质要求也越来越高。在目前水资源需求日益增大的情况下，人们必须合理的利用现有的水资源，如何使高含沙水流通过水沙分离装置获取工农业用水已成为一项十分重要的任务。
参考文献：
[1]V.A.范诺尼.泥沙工程[M].北京：水利出版社，1981.
[2]王光谦.河流泥沙研究进展[J].泥沙研究，2007（2）：64-74.
[3]刘宝星.圆中环沉沙排沙过滤池水工模型试验研究与数值分析[D].新疆农业大学，2013.
[4]刘宝星，侍克斌等.圆中环沉沙排沙过滤池水工模型试验研究[J].水力发电学报，2013（4）：82-87.