【工程案例】你知道灌区“圆中环”水沙分离沉沙池原理吗？

节水灌溉工程在新疆经过十几年的推广使用，到2013年底全疆节水灌溉累计推广3720万亩，农户已深深认识节水滴灌种植带来的各种好处。按照国家《水利发展规划》等文件，“十二五”期间将重点完成大、中型灌区续建配套和节水改造任务，在节水灌溉工程建设中各种灌水器对水质均有一定的要求。本文针对灌区渠首水沙处理建筑物“圆中环”沉沙池进行分析说明，该水沙分离沉沙池由新疆呼图壁县水利水电勘察设计所发明，并在新疆阿勒泰、昌吉等地州建设使用。本文以新疆阿勒泰地区青河县阿魏灌区渠首“圆中环”水沙分离沉沙池进行介绍说明。

青河县阿魏灌区规划节水灌溉面积26万亩，是新疆近期27项牧民定居水源骨干工程。该水沙分离沉沙池位于灌区前5公里的引水渠道上，为灌区节水灌溉用水提供水沙处理，保障田间系统的安全运行。水沙分离沉沙池各部分尺寸为：引水渠道长20m，宽5.5m，高3m；进水涵洞宽4m，高1.2m；冲沙涵洞断面尺寸宽3m，高2.2m；进水渠道宽5.5m。“圆中环”水沙分离沉沙池内堰半径为35m。

“圆中环”水沙分离沉沙池设计的各项参数为：粒径大于0.05mm的水沙去除率>99%，冲沙时间为813s，有效容积为19106.43m3，最大泥沙沉积量为8462.3m3。正常工作状态下，最大水深5.46m，最小水深为3.26m，冲沙水流最大流速为7.1m/s。

一、“圆中环”水沙分离沉沙池的结构形式

该水沙分离沉沙池的结构型式为：在水沙分离沉沙池进水口前端修建矩形引水渠，引水渠结合沉沙池底，利用引水闸门控制形成雍高水位，引水渠道后顺水流方向修建有压进水涵洞，通至池中心的圆形出水口，涵洞末端设一孔冲沙闸，闸口外接环形冲沙道，冲沙道的末端，设置一孔泄沙闸，闸后接排沙渠道通向下游河道。水沙分离沉沙池由中心出水孔向四周为锥形螺旋面，从中心出水孔向池外测渐变。锥面四周为环形冲沙道，其外侧为沉沙池内溢流墙体。溢流墙外缘为环形进水渠，由浅至深渐变，通向下游引水干渠（如下图）。

【工程案例】你知道灌区“圆中环”水沙分离沉沙池原理吗？

二、“圆中环”水沙分离沉沙池的运行原理

“圆中环”水沙分离沉沙池是一种新型的沉沙池，是利用环流引水、重力沉沙的原理，采用连续引水、间歇冲沙的工作方式。在设计中，根据水流水沙特性，结合沉沙池底，在沉沙池前修建深窄式矩形引水渠道，形成雍高水位，以满足池中心圆形出水口的自由水头。水流进入关闭冲沙闸的有压涵洞后，在压力作用下，挟沙水流由沉沙池中心的圆形出水口呈辐射状进入沉沙池，在水位上升过程中泥沙逐渐沉积在冲沙道中，水沙分离后的水逐渐装满整个沉沙池，当水位达到沉沙池内侧墙壁高度即溢流面高度时，水从溢流面跌入外侧的环形进水渠，在出水口汇集，最后进入引水干渠，泥沙在池内沉积。

三、“圆中环”式水沙分离沉沙池的运行管理工作程序

（一）正常时工作状况

首先关闭“圆中环”水沙分离沉沙池内冲沙闸和池外泄沙闸，打开引水闸，水流由池体上游矩形引水渠进入池内有压涵洞，水头在冲沙闸的阻挡下，形成势能，从池中心出水口流出，并向四周扩散，从而降低池内水体流速，泥沙在重力作用下降沉积，下达到沉淀的效果。当水量超过池内容积时，水流由内环墙体顶面向外环引水渠溢流，汇流后进入下游渠道。

（二）冲沙时工作状况

1、确定池体内水沙的沉积量。

方法：可用花杆由内环边侧向池体内探测池下的深度。

确定冲沙的标准：一般池内工作水深不得小于池深的60%，当最小工作水深小于3.26m时应该冲洗池内泥沙。

2、冲沙操作过程

（1）打开池外泄沙闸，整个池体内水位快速下降，锥面淤沙与水体混合，形成夹沙水流，在大流速水体的带动下排出池体，进入下游通道。

（2）当池体内进水量与冲沙闸排水量相当时，即原池体内积水全部排空，可同时打开池内冲沙闸对环形冲沙道淤沙进行冲排。

（3）当池中心出水孔四周锥面剩余淤沙较多时，可关闭池内冲沙闸（池外泄沙闸始终为打开状态），使水流由中心孔流出，对四周锥面的淤沙再次进行冲排，至到锥面水沙基本冲洗完为止。

（4）环形冲沙道内的剩余泥沙，主要为首次冲排的剩余量和锥面二次冲排后的泥沙量，可再次打开池内冲沙闸，进行第二次冲排。

以上冲沙步骤可根据池内的泥沙量反复、循环操作，直至泥沙冲洗干净。值得注意的是每次开启、关闭的各闸门大小跟水体泥沙分离、沉降、冲洗有很大的关系，应严格按照设计的操作规程执行。每个灌溉期末应及早排空水沙分离沉沙池内的积水，把泥沙冲洗干净，严防池内建筑物的冻胀破坏。

新疆大、中型灌区节水建设改造中修建“圆中环”水沙分离沉沙池，可以有效减少其后各级渠道、管道水体的泥沙含量，起到防止泥沙沉积堵塞渠道、管道的作用。与常规其它过滤沉淀装置相比，该沉沙池扩大了泥沙处理的粒径范围；靠自由水头进行泥沙分离、冲洗，不需要其它机械设备，达到节能减排的目标；在实际运行中工作人员只按照管理顺序开关闸门，大大减轻劳动强度；经过新疆几个地方的实践检验本“圆中环”水沙分离沉沙池是一种环保、高效的水沙分离建筑物。

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