CN112604327B

CN112604327B - 一种沉沙池

Info

Publication number: CN112604327B
Application number: CN202011376457.4A
Authority: CN
Inventors: 李琳; 谭义海; 张军; 付海林
Original assignee: Xinjiang Agricultural University
Current assignee: Xinjiang Agricultural University
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2021-06-29
Anticipated expiration: 2040-11-30
Also published as: CN112604327A

Abstract

本发明提供一种新型沉沙池，包括进水箱、隔水挡板、集沙箱、沉沙箱、出水池和溢流槽，隔水挡板将进水箱和沙箱隔开，隔水挡板底部留有泥沙进流槽，沉沙箱内布置若干斜板单元。含沙水流自进水管进入进水箱内，在沉沙箱中实现水沙分离，沉到斜板上的泥沙一部分通过泥沙通道落入池底；另一部分泥沙则先沿斜板长边方向滑向斜板始端，后经排沙孔流入集沙箱，最终两部分都流入集沙箱，清水则沿着沿斜板高端与沉沙箱左边墙形成的沟槽流入出水池，再经清水出流通道排出。发明可有效提高泥沙沉降效率和排出率，大大减少了排沙耗水率。

Description

一种沉沙池

技术领域

本发明属于悬移质细颗粒泥沙的高浊度含沙水流的动态水力沉沙池排沙领域，具体涉及一种沉沙池。

背景技术

水利水电工程中广泛应用沉沙池对含沙水流进行泥沙处理，工程实践和研究表明常规的直线型沉沙池在低流速下对入池的推移质泥沙截除效率高，处理效果好。当来流量大、含沙量高且以悬移质为主时，沉沙效率较低。要提高悬移质泥沙的沉降效率需增加沉沙池容积，占地面积大，工程造价高。为此，国内外许多研究人员以提高高浓度含细沙水流中细颗粒泥沙的沉降效率，减小占地面积为目标，陆续提出了斜板沉沙池、斜管沉沙池、垂向异重流混合流体分离鳃等占地面积小沉淀效率高的沉淀池。但斜板沉沙池斜板上易积存泥沙，且由于水流挟沙能力下降，斜板上的淤沙很难冲洗，排沙耗水量大；斜管沉沙池中斜管数量大，造价高，且其材料本身易老化需勤更换,费用较高，对原水浊度适应性较差，排泥较困难；垂向异重流混合流体分离鳃用于泥沙的静水沉降时，泥沙沉降效率高于普通沉沙池，但是当其应用于泥沙的动水沉降时，其沉降效率和泥沙截除率降低，且其结构形式不便于清淤与维修。因此，寻求一种对含细颗粒泥沙的高浓度含沙水流水沙分离效率和排沙效率高、排沙耗水率低、占地面积相对小(保证相同泥沙截除率时，与常规沉沙池占地面积相比相对小)的沉沙池尤为迫切。

发明内容

发明目的：为解决现有沉沙池处理高浓度以细颗粒为主的含沙水流时沉沙池排沙道淤积严重、排沙率低、沉降效率低、排沙耗水率高的问题，提出一种沉沙池。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种沉沙池，包括进水箱、隔水挡板、集沙箱、沉沙箱、出水池和溢流槽，所述隔水挡板将进水箱和沙箱隔开，所述隔水挡板底部留有泥沙进流槽，所述沉沙箱内布置若干斜板单元。所述隔水挡板将进流与集沙箱隔开，避免沉降在集沙箱内的泥沙受进流扰动再次悬浮。

作为优选，所述斜板单元包括沿沉沙箱宽度和长度均倾斜的斜板，所述斜板的形状为平行四边形，每个斜板沿长度方向的高端和低端与该单元的两侧边墙固定连接，自下而上第一块斜板长度延至隔水挡板，且略低于隔水挡板顶部；防止斜板上的泥沙滑落入有压进水箱，并防止集沙箱内的泥沙沿竖直方向向上再次进入沉沙箱；其他斜板长度自沉沙箱始端延伸至出水池末端，并与末端边墙保持一定间距，该间距为经沉沙箱分离后的清水的出流通道；沿高度方向每个斜板单元间内分离后的清水沿着斜板高端与顺水流方向左侧墙形成的锐角沟槽流入无压出水池。

作为优选，斜板低端长边每隔一定距离设置一个狭长的矩形排沙槽，该排沙槽为部分泥沙自斜板下滑运动后沉降至单元底板的泥沙通道；其余部分泥沙经过单元的第一块斜板始端与隔水挡板衔接处的排沙孔流入集沙箱，单元底板与单元内的多层斜板平行。沉沙箱内的单元的个数和斜板的间距由待处理泥沙浓度和最小沉降粒径的大小决定。若需要处理较大流量，可将若干个沉沙池串联

作为优选，所述溢流槽用于导出经沉沙箱分离后的清水，所述进水箱是顶部加盖的有压进水箱，进水箱内布置多个矩形泥沙导流鳞片，隔水挡板底部留有矩形泥沙进流槽

作为优选，所述进水口与泥沙进流槽之间布置泥沙导流鳞片。在泥沙导流鳞片与泥沙进流槽的共同作用下，将进水箱中的沉积泥沙导入集沙箱。

本发明同时提出使用上述沉沙池处理含砂水流的方法，含沙水流自进水管进入进水箱内，在沉沙箱中实现水沙分离，沉到斜板上的泥沙一部分通过泥沙通道落入池底；另一部分泥沙则先沿斜板长边方向滑向斜板始端，后经排沙孔流入集沙箱，最终两部分都流入集沙箱，打开排沙阀门将集沙箱中泥沙排入回水池中；清水则沿着沿斜板高端与沉沙箱左边墙形成的沟槽流入出水池，再经清水出流通道排出。

有益效果：本发明通过提出沉沙池结构，可有效提高泥沙沉降效率和排出率，大大减少了排沙耗水率：

1.本发明中采用的进水箱与沉沙箱顶部加顶盖，减少水体的蒸发及二次污染，隔水挡板的设置将进流与集沙箱隔开，不会使沉降在集沙箱内的泥沙受进流扰动再次进入沉沙箱。

2.与其他类型沉沙池相比，本发明中集沙箱与进水箱相邻，冲沙底孔以上的水头即为进水水头，冲沙时无沿程水头损失，冲沙水头大，流速大，排沙耗时短，排沙耗水率低，冲沙过程对沉沙池的连续运行影响很小。

3.本发明中采用的沉沙箱，其内沿宽度方向被分割成多个单元，且双向倾斜的斜板上布置有狭长的矩形排沙槽，使泥沙的自由沉降距离和沿斜板表面下滑路径缩短，使斜板表面不易淤积泥沙。沉沙箱底板采用逆坡双向倾斜式布置，使得沉降至底板的泥沙能够快速滑落到集沙箱中，不会在底板上出现泥沙淤积。泥沙的沉降和下滑通道与水流的出流通道不同，提高了泥沙的处理效率。

除以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外。为使本发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述。

附图说明

图1是本发明实施例的上向流沉沙池的正三轴视图(为了清楚看清内部结构，去除了右边墙)；

图2是图1的俯视图

图3是图1沿水流方向的视图；

图4是本发明实施例中上向流沉沙池的模型尺寸图；

图5是图4的俯视图；

图6是泥沙颗粒级配曲线；

图7是泥沙浓度5kg/m³在各级流量下泥沙截除率；

图8是泥沙浓度11kg/m³在各级流量下泥沙截除率；

图9是泥沙浓度5kg/m³在不同流量浓度下的排沙耗水率W值；

图10是泥沙浓度11kg/m³在不同流量浓度下的排沙耗水率W值；

图11是本实施例的上想流沉沙池与分离鳃模型水沙分离效率曲线；

图中：1进水箱，2隔水挡板，3集沙箱，4沉沙箱，5出水池，6溢流槽，7泥沙导流鳞片，8排沙孔，9斜板，10连接体，11挡板，12泥沙进流槽，13泥沙通道，14清水出流通道，15排沙阀门。

具体实施方式

实施例：

本实施例的上向流沉沙池如图1、图2和图3所示，主要由进水箱1、隔水挡板2、集沙箱3、沉沙箱4、出水池5和溢流槽6组成。沉沙箱4包含多层斜板9。

含沙水流自进水管进入有压进水箱1内，在沉沙箱4中实现水沙分离，沉到斜板9上的泥沙一部分通过泥沙通道13落入池底；另一部分泥沙则先沿斜板9长边方向滑向斜板始端，后经排沙孔8流入集沙箱3，最终两部分都流入集沙箱3，打开排沙阀门15 将集沙箱3中泥沙排入排沙廊道中；清水则沿着沿斜板9高端与沉沙箱4左边墙形成的沟槽流入出水池5，再经清水出流通道14排出。

具体而言，含沙水流自进水管进入顶部加盖的有压进水箱1内，进水箱内布置多个矩形泥沙导流鳞片7，进水箱顶部加盖。隔水挡板2底部留有高为1cm的矩形泥沙进流槽12，中间间隔为0.5cm，在隔水挡板2作用下，进流与集沙箱3隔开，不会使沉降在集沙箱3内的泥沙受进流扰动再次悬浮，且在泥沙导流鳞片7与泥沙进流槽12的共同作用下，将进水箱中的沉积泥沙导入集沙箱3中。

进流在沉沙箱4中实现水沙分离，沉沙箱4顶部加盖，沉沙箱4内被隔板11分割成多个斜板单元，每个斜板单元内由多个斜板9的将沉沙箱4沿着高度和宽度方向分割成数个独立的沉降空间。以单个单元为例说明其具体形式：斜板9轮廓形状为平行四边形，每个斜板9沿长度方向的高端和低端与该单元的两侧边墙经连接体10固定连接，连接体10令斜板9与右边墙之间形成狭长孔，作为泥沙通道13。

斜板9双向倾斜，即沿沉沙箱4宽度和长度方向均倾斜一定角度，沿宽度向右边墙倾斜，沿长度向进水方向倾斜，自下而上第一块斜板9长度延至隔水挡板2，且略低于隔水挡板2顶部，防止斜板9上的泥沙滑落入有压进水箱1，并防止集沙箱3内的泥沙沿竖直方向向上再次进入沉沙箱4，其他斜板9长度自沉沙箱4始端延伸至无压出水池 5末端，并与末端边墙保持一定间距，该间距为经沉沙箱4分离后的清水的出流通道14；沿高度方向每个斜板单元间内分离后的清水沿着斜板高端与左侧墙(顺水流方向，左手边为左边墙)形成的锐角沟槽流入无压出水池5；斜板9低端长边每隔一定距离设置一个狭长的矩形排沙槽，该排沙槽为部分泥沙自斜板下滑运动后沉降至单元底板的泥沙通道13；其余部分泥沙经过单元的第一块斜板始端与隔水挡板2衔接处的排沙孔8流入集沙箱3；单元底板与单元内的多层斜板9平行。经沉沙箱4分离后的清水从与出水池5 连接的溢流侧槽6流出，斜板9顶端布置挡板11，将出水池5分隔成一定数量的矩形孔口，隔开各斜板的顶部溢流并引导至清水出流通道14，避免顶部短流。沉沙箱4内的单元的个数和斜板的间距由待处理泥沙浓度和最小沉降粒径的大小决定。若需要处理较大流量，可将若干个沉沙池串联。

集沙箱3的形状为棱锥体，有利于泥沙排出，箱底部与排沙管相连，排沙管上装有阀门，按间歇式排沙运行，具体为：当泥沙淤积高程与排沙孔8高程相同时，打开排沙阀门15，利用集沙箱3内的水头冲沙，冲沙过程中无需关闭进水管阀门。由于进水箱1 与集沙箱3水头相同，在该水头作用下可实现快速排沙，排沙完毕后关闭排沙阀门15。

上向流沉沙池模型尺寸如图4和图5所示，模型外轮廓、隔水挡板及溢流槽均采用厚度为10mm的透明亚克力板制作，沉沙箱内斜板、泥沙导流鳞片和连接体为厚度4mm 的不透明PVC板。进水管和排沙管直径为2.5cm，有压进水箱长20cm，宽26.5cm，高 81cm，异形隔水挡板是将一块长为26.5cm，高为81cm的矩形，截去一个上底28cm、下底71cm，高23.5cm的直角梯形后的部分，直角梯形上底靠近左边墙；排沙孔是直径为6cm的四分之一圆；集沙箱棱台高10cm，上底是边长2.5cm的正方形，下底是宽10cm、长26.5cm的矩形；沉沙箱长50cm，宽26.5cm，高71cm，底板与沉沙箱宽度和长度方向的倾角分别为α＝60°和β＝45°；双向倾斜斜板为平行四边形，短边长53cm，第一层斜板长边141.42cm，其他斜板长边127.28cm，短边与两长边的夹角分别为39.2°和 50.8°；连接体短边长1cm，长边5cm，短边与两长边的夹角分别为39.2°和50.8°；无压出水池是下底91cm，上底71cm、高20cm的直角梯形；等腰梯形溢流槽布置在出水池顶部，上底8cm，下底2cm，高5cm，槽深3cm。清水通道1.5cm，泥沙下沉通道0.5cm。

对上向流沉沙池进行了系列试验，试验中采用泥沙中值粒径d₅₀＝0.021mm，最大粒径为0.075mm的黄土进行试验。泥沙颗粒级配曲线如图6所示。从图中可以看出，粒径小于0.075mm的泥沙占100％，小于0.051mm的泥沙占87.7％，小于0.025mm的泥沙占56％，小于0.011mm的泥沙占28.7％，小于0.0056mm的泥沙占15.1％，小于 0.0016mm的泥沙占4.6％。

试验在五个不同流量0.0125l/s、0.025l/s、0.05l/s、0.075l/s、0.1l/s，两个不同浑水含沙浓度5kg/m³、11kg/m³下进行试验。

通过量测进、出口含沙浓度，按照泥沙截除率的计算公式(1)计算出上向流沉沙池的泥沙截除率。

式中：η为泥沙截除率；S_进为进水池内水流含沙浓度，kg/m³；S_出为溢流槽流出的水流含沙浓度，kg/m³。

图7和图8为在各级流量和含沙浓度下上向流沉沙池泥沙截除率情况。由图可以看出，含沙浓度为5kg/m³和11kg/m³时处理相同流量下泥沙截除率相近，当处理流量为0.0125l/s时，在动水条件下该沉沙池的截除率分别为88.53％(含沙浓度为5kg/m³)和70.84％(含沙浓度为11kg/m³)；当流量增大约10倍至0.1l/s时，在动水条件下对于0.075mm以下的泥沙颗粒截除率仍可达到39.11％(含沙浓度为5kg/m³时)和33.05％(含沙浓度为11kg/m³时)。《水利水电工程沉沙池设计规范》(SL/T 269-2019)规定用于灌溉引水处理的沉沙池设计最小沉降粒径不宜大于0.05mm，大于等于设计最小沉降粒径的泥沙沉降率宜取80％-85％。实际工程中沉沙池一般取0.05mm为最小沉降粒径，对小于0.05mm以下的泥沙不做处理要求，工程实践表明对于高浓度含细颗粒泥沙(粒径小于0.05mm)较多的河流而言，其流域内的灌区即使在修建了沉沙池的情况下引水灌溉渠道内仍然会产生比较严重的淤积。通过本实验发现，本发明对粒径以小于0.05mm以下的泥沙为主的高浓度水沙混合物能进行较好的分离，处理效率高。

排沙耗水率计算公式为式(2)。

式中：m₀为排沙耗水质量，m_T为经历T(泥沙淤满集沙箱时间)时间后，上向流沉沙池所处理的水量。图9和图10为在各级流量和含沙浓度下上向流沉沙池排沙耗水率的变化情况。

从图9和图10可以看出，泥沙浓度为5kg/m3时，在泥沙截除率达到88.53％(此时处理流量为0.0125l/s)，沉沙池的排沙耗水率为5.58％，当泥沙截除率为39.11％(此时处理流量为0.1l/s)，沉沙池的排沙耗水率为0.57％，浓度为11kg/m3时，除了0.0125l/s 流量下的排沙耗水率为14.05％，其他都未超过7％。

为比较垂向流体分离鳃与上向流沉沙池在动水沉降中的水沙分离效率，将上向流沉沙池在含沙浓度11kg/m³、流量0.36m³/h(0.1l/s)的试验数据与张继领(文献：动水条件下含沙量对分离鳃水沙分离效率的影响，水电能源科学，2019年10月)等人研究的垂向流体分离鳃在含沙浓度10kg/m³、流量0.3m³/h时的动水沉降试验数据进行对比，得到表1。

表1分离鳃与上向流沉沙池的水沙分离效率对比

动水沉降试验中分离鳃的长宽高分别为0.2m、0.1m、1m，则体积：

V₁＝L₁×B₁×H₁＝0.2×0.1×1＝0.02m³

上向流沉沙池沉沙箱体积：

V₂＝L₂×B₂×H₂＝0.1×0.5×0.4＝0.02m³

由表1及计算结果可知，在沉降区体积相同、试验流量、含沙浓度相似的情况下，在30min、60min、90min三个时间点下的上向流沉沙池的水沙分离效率是动水沉降中分离鳃的1.7—3.88倍，可看出在其他条件相似的泥沙动水沉降试验中，上向沉沙池的水沙分离效率明显优于分离鳃。且由图11两模型的水沙分离效率曲线显示，在泥沙动水沉降试验中，90min内，上向流沉沙池分离效率曲线一直高于分离鳃水沙分离效率曲线，在相同时刻下两曲线差值显著，可知上向流沉沙池的沉降效率显著高于动水沉降下的分离鳃沉降效率。综上所述，在泥沙动水沉降试验中，本发明的水沙分离效率和沉降效率明显高于分离鳃。

本发明为上向流沉沙池提供了隔水挡板和逆坡双向倾斜式的思路与方法，解决了常规沉沙池泥沙淤积于池内，不便清理的问题且清淤耗水率大的问题。具体实现该技术方案的方法和途径很多，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，对附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种沉沙池，包括进水箱、隔水挡板、集沙箱、沉沙箱、出水池和溢流槽，所述隔水挡板将进水箱和沙箱隔开，所述隔水挡板底部留有泥沙进流槽，所述沉沙箱内布置若干斜板单元，其特征在于：

所述斜板单元包括沿沉沙箱宽度和长度均倾斜的斜板，所述斜板的形状为平行四边形，每个斜板沿长度方向的高端和低端与该单元的两侧边墙固定连接，自下而上第一块斜板长度延至隔水挡板，且略低于隔水挡板顶部，其他斜板长度自沉沙箱始端延伸至出水池末端，并与末端边墙保持一定间距，该间距为经沉沙箱分离后的清水的出流通道。

2.根据权利要求1所述的一种沉沙池，其特征在于：斜板低端长边每隔一定距离设置一个狭长的矩形排沙槽，该排沙槽为部分泥沙自斜板下滑运动后沉降至单元底板的泥沙通道，单元底板与单元内的多层斜板平行。

3.根据权利要求1所述的一种沉沙池，其特征在于：所述溢流槽用于导出经沉沙箱分离后的清水。

4.根据权利要求1所述的一种沉沙池，其特征在于：所述进水箱是顶部加盖的有压进水箱，进水箱内布置多个矩形泥沙导流鳞片，隔水挡板底部留有矩形泥沙进流槽。

5.根据权利要求4所述的一种沉沙池，其特征在于：所述进水口与泥沙进流槽之间布置泥沙导流鳞片。

6.使用如权利要求1所述的沉沙池处理含沙水流的方法，其特征在于：含沙水流自进水管进入进水箱内，在沉沙箱中实现水沙分离，沉到斜板上的泥沙一部分通过泥沙通道落入池底；另一部分泥沙则先沿斜板长边方向滑向斜板始端，后经排沙孔流入集沙箱，最终两部分都流入集沙箱，打开排沙阀门将集沙箱中泥沙排入排沙廊道中；清水则沿着沿斜板高端与沉沙箱左边墙形成的沟槽流入出水池，再经清水出流通道排出。

7.根据权利要求6所述的处理含砂水流的方法，其特征在于：

含沙水流自进水管进入顶部加盖的有压进水箱内，在泥沙导流鳞片与隔水挡板泥沙进流槽的共同作用下，将进水箱中的沉积泥沙导入集沙箱中；

进流在沉沙箱中实现水沙分离，沉沙箱内由多个斜板单元将沉沙箱沿着高度和宽度方向分割成数个独立的沉降空间；

每个单元内斜板轮廓形状为平行四边形，每个斜板沿长度方向的高端和低端与该单元的两侧边墙固结，斜板沿沉沙箱宽度和长度两个方向均倾斜；

自下而上第一块斜板长度延至隔水挡板，且略低于隔水挡板顶部，防止斜板上的泥沙滑落入有压进水箱，并防止集沙箱内的泥沙沿竖直方向向上再次进入沉沙箱；

其他斜板长度自沉沙箱始端延伸至无压出水池末端，并与末端边墙保持一定间距，该间距为经沉沙箱分离后的清水的出流通道；沿高度方向每个斜板单元间内分离后的清水沿着斜板高端与左侧墙形成的锐角沟槽流入无压出水池；

斜板低端长边每隔一定距离设置一个狭长的矩形排沙槽，该排沙槽为部分泥沙自斜板下滑运动后沉降至单元底板的泥沙通道；其余部分泥沙经过单元的第一块斜板始端与隔水挡板衔接处的排沙孔流入集沙箱；单元底板与单元内的多层斜板平行，经沉沙箱分离后的清水从与出水池连接的溢流侧槽流出。