摘要：本文对涡管排沙技术进行简要分析，并提出排沙设计方法，包括选择涡管的位置、明确涡管布设渠道水力要素、设置涡管尺寸以及截沙率和挟沙力计算等方面，最后通过开展水槽实验和模拟实验等方式，为排沙工程的建设和开展积累经验，使排沙工程获得更加理想的效果。
关键词：引水渠道；涡管排沙；工程施工
引言
对于新疆等地来说，由于地形起伏较大且坡度较陡，泥砂粒较粗，难免有一些粗粒径的泥砂进入渠道之中，长此以往，大量堆积后形成干渠影响灌溉。对此，涡管排沙技术应运而生，该工程具有成本较低、结构简易、能力较强等特征，适用于引水渠道的泥砂处理，具有良好的应用效果，可实现大范围推广。
1.涡管排沙概述
部分地区拥有山溪性河流，坡度较陡，流速湍急，一些粗颗粒泥砂混入其中，即便在入渠之前进行分级处理，仍然难免有一些粒径混入到水轮机之中，加速气蚀的产生。在以往的工作中，采用引水防沙枢纽的方式阻碍泥砂进入引水渠之中，但由于枢纽上下游河床的淤积高度不断增加、管理不到位等因素，仍然有些泥砂趁虚而入，影响设备的运行效率和使用寿命。对此，涡管排沙技术应运而生，此种技术具有成本较低、结构简易、能力较强等特征，受到用户的一致欢迎。该技术的运行原理为：当渠中水流进入涡管时，对管内水体产生冲击形成动量矩，使其以自身为轴旋转，与纵向水流共同形成螺旋流，使管内存积的泥砂被卷起，随着水体做螺旋运动，由于水流的冲击力超过输送能力，因此可将涡管中的泥砂顺利排出，因此与其他排沙方式相比具有较大优势[1]。
2.引水渠道涡管排沙设计方法
目前，涡管排沙技术的应用范围逐渐扩大，但设计方法仍然存在缺陷，在水力计算中不但要明确水力参数和尺寸，还要通过泥砂计算截沙率、挟沙能力，二者之间存在制约关系，因此只可采用经验和实验相结合的方式，对输沙特性进行确定。如若与设计要求不相符合，则可通过改变部分断面或底坡参数的方式来实现，直至取得精准结果。通过上述分析，涡管排沙的设计可采取以下方法：
（1）选择涡管的位置，尽量将涡管设置在渠道底部，与排沙明渠相连，需要具备较大的纵坡，为泥砂顺利排入河道提供便利，因此涡管还要设置在尽量接近河道的位置，使河床和渠底有一定的落差；
（2）明确涡管布设渠道水力要素。通常情况下，动力渠道较窄，如若加大涡管的开口大小，则可使渠底被抬高，下边坡变为矩形；如若调整段的长度适中，且调整前后面积的变化不为明显，则可看成水面线几乎不发生改变，只有水深和底宽发生变化；如若断面的变化程度较大，则应根据非均匀流对水面曲线进行计算，明确涡管铺设时的水力要素；
（3）设置涡管尺寸。在渠道中水量较为宝贵，在分流比的设置上应较低，渠道中流速较慢，根据水力学原理对涡管的尺寸进行设置，在满足实际需求的情况下，选取较大的整数，且不可超过5—7D，如若过长则与出口端距离较远，很容易出现淤积；
（4）截沙率和挟沙力计算。在截沙率计算中，如若E超过1，则E的数值为100%，如若E不超过0，则E的数值为0；在挟沙力计算中，根据理论来看，可按照每1m3泥砂消耗的水量为依据，对排沙指标进行计算；
（5）悬移物沿着垂线方式分布，上方的含沙量较小，粒径较细，下方的含沙量较大，粒径较粗，具有较强的规律性。在流速分布方面，表面流速较大，渠底流速为零[2]；
3.引水渠道涡管排沙实验分析
在涡管之中，水流的类型为螺旋流，如若通过数学模型对排沙运动进行描述较为困难，因此可通过实验对排沙的水力、特性进行研究，在本文中通过水槽实验和模型实验两种方式进行分析。
3.1水槽实验
该实验主要对涡管分流比的影响因素进行分析，通过计算涡管尺寸，测定不同条件下截沙率和挟沙能力。其中，分流比的计算方式如下：
式中，QT代表的是涡管分流量，Q代表的是渠道内的流量；分流量的计算公式为：
式中，A代表的是涡管断面面积，h代表的是渠道深度；△y代表的是涡管中心与开口间的距离；
代表的是涡管流量系数，在本实验中，该系数值为0.60—0.70之间，主要受到螺旋流强度、涡管长度的影响。
在截沙率计算方面，主要是相同时间内涡管中截获的沙量与总沙量的比例，可用以下公式表示：
式中，E代表的是截沙率；GS代表的截获沙量；G代表的是总体来沙量。
在挟沙力计算方面，主要是指周围不出现泥砂淤积的情况下，涡管内部水流挟带的总泥砂量，可用以下公式表示：
式中，S代表的是挟沙力；GS代表的是内部水流量；QT代表的是管内分流量。
3.2模拟实验
以某电站为例，该电站渠道的流量为56m3/s，底部宽度为1m，边坡系数为1.75，底部的坡度为1/1300，水深为3.8m。渠道的入口在经过长期运行后排沙效果已经不够理想，导致渠道内部淤积严重，水轮机受到严重磨损。对此，可引入涡管排沙技术，首先开展模型实验，比例尺为1：20，模型涡管为3.75cm，分别在60°和90°两个方面设置，将渠道底部位置改为矩形，使管道的开口长度延长。通过本次实验，探究出水深、排沙归路和涡管水流运动。在垂直方向设置涡管时，螺旋流的强度达到最佳。在整体实验过程中，分流比为4.5%，截沙率超过90%。在使用间歇排沙的过程中，当涡管被淤泥填满后或者在管的上方已经存在一定厚度的淤泥时，只要将涡管的阀门开启，便可在水流的冲击力下将涡管冲开，使排沙功能恢复正常[3]。
根据上述模拟实验，采用50cm模型涡管，开口宽度为30cm，在90°的方向开展工作。该工艺应用初期，渠道水位开始显著降低，这意味着渠道中的淤泥正常被逐渐排出，在此过程中，渠道中不断出现卵石滚动的声响；该工艺应用一个月后，渠道中的矩形段磨损深度超过40cm，为了工作持续开展将其更换为条石衬砌。通过本次实验表明，涡管排沙具有良好的应用效果，且排沙分流比受涡管尺寸的影响，在本次模拟实验中，由于只应用50cm的涡管，因此分流比仅为2%。
结论：综上所述，涡管排沙技术具有较强的排沙能力，在实际应用中运行管理方便，适用于山溪河流引水渠道的泥砂处理。在本文的研究中，采用模拟实验的方式证明引水渠道涡管排沙工程切实可行，具有良好的应用效果，可在更多领域得到广泛应用。
参考文献：
[1]张开泉，刘焕芳. 涡管分水排沙规律的研究及其工程应用[J]. 泥沙研究，2017（4）：3-14.
[2]张开泉. 水电站引水渠道上的涡管排沙工程[J]. 石河子大学学报（自然科学版），2018（z2）：40-42.
[3]张开泉，刘焕芳. 涡管排沙的研究及应用述评[J]. 水资源与水工程学报，2017（2）：41-46.
论文作者:石歆瑶
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/12
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