新型异向流沉沙池结构优化研究

付海林 李琳

摘要：

为获得二级泥沙处理设施——新型异向流沉沙池的较优结构参数组合，采用正交试验的方法，以进流量、薄板间距、泥沙通道宽度、沉沙箱单元宽度为因素，根据L9（34）标准正交表确定试验工况并开展试验。基于试验结果，应用极差分析获得各因素对沉沙池泥沙截除率影响的权重顺序为：进流量>薄板间距>泥沙通道宽度>沉沙箱单元宽度。应用层次分析法获得了各因素水平的较优组合，含沙浓度为5 kg/m3时，较优组合为：进流量135 L/h，薄板间距20 mm，泥沙通道宽度1 mm，沉沙箱单元宽度30 cm，泥沙截除率为72.7%；含沙濃度为15 kg/m3时，较优组合参数为：进流量135 L/h，薄板间距10 mm，泥沙通道宽度5 mm，沉沙箱单元宽度30 cm，泥沙截除率为98.8%。研究结果对新型异向流沉沙池的工程设计具有一定的指导意义。

关 键 词：

异向流沉沙池； 结构设计； 层次分析法； 正交试验； 支持向量机

中图法分类号： S275.6

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.028

0 引 言

西北内陆干旱半干旱地区河流普遍具有水少沙多、汛期含沙量高、泥沙级配分布广的特点，部分河水中的泥沙浓度可达每数十甚至数百kg/m3［1-3］，若不经处理直接引水入库、引水发电、引水灌溉，会造成水库淤积、水电站机组磨损、灌渠淤积及灌水设备报废等问题［4-7］。因此，在多沙河流地区修建引水发电及引水灌溉工程时，需要配套修建一级、二级拦沙排沙建筑物对泥沙进行处理。目前工程中广泛应用的二级泥沙处理设施为传统的条形或箱式沉沙池，国内外诸多学者对其开展了大量研究和应用，结果表明传统沉沙池对大粒径的泥沙去除效果较明显。但对于含细颗粒泥沙的水流，如一些粒径小于0.03 mm的泥沙占含沙总量40%以上的河流［8-9］，传统沉沙池拦沙排沙效果并不理想，未去除的泥沙会堵塞后续用水系统中的过滤器和微灌设备，给农业灌溉和生产造成不利影响，而若为了去除细颗粒泥沙而扩大沉沙池规模，又往往受到土地面积的限制。为了进一步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，国内外学者陆续研发了新型的泥沙处理设施，如斜板沉沙池［10］、斜管沉沙池［11］、分离鳃［12］等。相关研究表明，新型泥沙处理设施相较于传统沉沙池而言，占地面积小，对细颗粒泥沙的沉降效率高，但沉沙池的斜板或斜管内易积存泥沙、排沙耗水量大、造价高［13-17］；分离鳃应用于泥沙动水沉降时截除率降低，且其结构形式不便于清淤与维修［18-20］。

基于目前工程中二级泥沙处理设施的应用现状及存在的问题，笔者所在课题组研发了一种新型水沙分离装置——新型异向流沉沙池［21］（专利号：ZL202011376457.4）。该装置可实现高效率、低能耗、无淤积、自清洗、绿色无污染的细颗粒泥沙预处理。李琳等［22］探明并揭示了该装置高效沉沙的机理，确定了薄板最佳布置倾角。但目前该沉沙池的泥沙截除率和结构参数（进流量大小、薄板间距、泥沙通道宽度及沉沙箱单元宽度）间的响应关系尚不明确，工程应用时缺乏设计依据。因此，本文通过系统试验和理论分析相结合的方法对新型异向流沉沙池结构参数对泥沙截除率的影响及其较优参数组合开展研究，建立泥沙截除率计算模型，为该沉沙池结构设计优化和工程应用提供理论依据。

1 试验方法及过程

1.1 新型异向流沉沙池工作原理

新型异向流沉沙池（见图1）由有压进水管、有压进水箱、沉沙箱、薄板、集沙箱、排沙管和无压出水池组成，水沙混合物自有压进水管流入进水箱，进水箱内设有隔水挡板将进水箱和集沙箱分隔，使泥沙沉降过程不受进流干扰。水沙混合物在沉沙箱内实现异向水沙分离，分离后的“清水”沿沉沙池顶部及左边墙向上游流动进入出水池，通过清水出流通道由溢流槽排出；泥沙则沉降于薄板上（每个沉沙箱单元内置有多层且沿长度和宽度方向倾斜布置）并沿薄板表面滑动进入右边墙处的泥沙通道，随即在泥沙通道自由沉降至底板，最终汇入集沙箱内，在泥沙通道的自由沉降过程会形成“沙帘”现象。集沙箱顶部设有盖板，防止集沙箱内泥沙二次悬浮。图1所示为沉沙池宽度固定时将沉沙箱分为两个单元的情况（黑色箭头表示水流流向，红色箭头表示泥沙沉降路径），设每个单元宽度为D，泥沙通道宽度为C（薄板低端与右边墙形成的间距），薄板间距为B（两薄板间的垂直距离）。

1.2 试验装置、材料及方案

本次研究采用的沉沙池装置长96 cm、宽30 cm、高110 cm，薄板的倾角α为60°，β为45°（α为薄板沿沉沙箱单元宽度方向的倾角，β为薄板沿沉沙池长度方向的倾角）。以进流量A、薄板间距B、泥沙通道宽度C和沉沙箱的单元宽度D为影响因素，选择L9（34）的标准正交表［23］确定试验工况，各影响因素及取值见表1。表中沉沙箱单元宽度是指沉沙池宽度不变（试验中固定为30 cm），沉沙箱被均分成不同数量的单元时每一单元的宽度，如沉沙箱被分成3个单元时，其对应的沉沙箱单元宽度为10 cm。

该沉沙池主要应用于南疆地区的河流泥沙处理，该区域主要河流汛期的平均含沙浓度为5 kg/m3，最大含沙浓度不超过15 kg/m3，细颗粒泥沙含量高，且以小于0.075 mm的泥沙为主［24］。因此，结合实际河流中的泥沙特征及工程当中对泥沙拦截的需求，试验中水流含沙浓度Sv选定为5 kg/m3和15 kg/m3，试验用泥沙级配曲线如图2所示，其中粒径小于0.075 mm的颗粒占80%，颗粒中值粒径d50为0.029 mm。

2 结果及讨论

2.1 水沙分离现象分析

图3为试验进行2 h、含沙浓度为15 kg/m3时，不同试验组次的水沙分离现象。图3（a），（b）为试验组次1、3下的水沙分离现象，进流量均为135 L/h。图3（a）中清浑交界面位于进水池1/2高处，图3（b）中清浑交界面与进水池盖板齐平。由两小图中出水池的局部放大图可知，虽然清浑交界面高低有差异，但两组出水池中水的透明度相差无几。这说明，沉沙池中薄板间距越小，池中的清浑交界面越低，相同时间泥沙沉降速度越快。这是因为薄板间距越小，薄板越多，湿周越大，水流流速越小，越有利于泥沙沉降，泥沙沉降路径随薄板间距减小而缩短，经过较短的时间沉降至薄板后以较大的滑动速度运动至泥沙通道后排出。

试验组次4～9的试验现象类似，故图3（c），（d）中仅列出了试验组次4和5的试验现象，进流量均为540 L/h。从图3（c），（d）中可以看到，由于进流量较大，两沉沙池均未出现清浑交界面，沉沙箱内的水沙分离现象无明显差异，这是因为流量增大，紊动强度增大，泥沙更易随水流向上运动。另外发现，进流量较大时，沉沙池内出现了“沙帘”现象，如图3（c），（d）所示。对比可知试验组次5的“沙帘”相较试验组次4的更密集，说明泥沙通道宽度过小不利于薄板上的泥沙快速排出，且会降低沉沙池的截除效率。这是因为泥沙通道过小易被堵塞，会阻碍泥沙在通道内的沉降，同时当泥沙淤积在通道无法及时排出时，会出现沉降下来的泥沙再次悬浮并随水流溢出的现象。当泥沙通道宽度增加后，堵塞现象消失，有利于泥沙的及时排出，提高了沉沙池的拦沙排沙效率。

2.2 极差分析

基于正交试验结果（见表2）的泥沙截除率极差分析结果列于表3中。表中Ki1表示第i因素1水平下所对应试验指标和的平均值，以此类推。极差Ri反映了第i因素水平变动时试验指标的变动幅度。Ri越大，说明该因素对试验指标的影响越大。

由表3可知，在不同含沙浓度的试验工况下，各因素对泥沙截除率的影响因素主次顺序一致。按对泥沙截除率影响作用大小排序，进水口流量的极差最大，其次是薄板间距、泥沙通道宽度和沉沙箱单元宽度，故各因素对泥沙截除率的影响主次顺序为A>B>C>D。

2.3 层次分析法分析

为了检验上述模型的精度，用表2中的试验组次7和文献［22］中的试验数据对泥沙截除率进行预测，具体结果见表6。由表6可知，不同含沙浓度时绝对误差范围分别为：0.46%～8.85%（5 kg/m3）、3.52%～9.40%（11 kg/m3）、1.76%（15 kg/m3），绝对误差均小于10%，模型较稳定，预测精度较高。

基于以上回归模型，计算了表1中各因素及其水平下全面组合共计81组数据的泥沙截除率，计算结果见图4。图4中试验组次1～27、28～54、55～81的进流量分别为135 L/h、540 L/h和1 080 L/h。通过图4可得：沉沙池的截除率随着进流量增加而下降，当进流量一定时，随着各组次沉沙池结构尺寸的变化，泥沙截除率会随之变化。在所有预测值中，含沙浓度为5 kg/m3和15 kg/m3时泥沙截除率的最大值分别为72.7%和98.8%，相应的较优结构参数组合与层次分析法选出的最佳水平组合工况一致，即含沙浓度为5 kg/m3时，较优组合为：进流量135 L/h、薄板间距20 mm、泥沙通道宽度1mm、沉沙箱单元宽度30 cm；当含沙浓度为15 kg/m3时，较优组合为：进流量135 L/h、薄板间距10 mm、泥沙通道宽度5 mm、沉沙箱单元宽度30 cm。

3 结 论

本文基于正交试验法对新型异向流沉沙池结构参数开展了优化研究，并结合极差分析法、层次分析法和支持向量机模型对试验结果进行了分析，主要得到如下结论：

（1） 新型异向流沉沙池各因素对泥沙截除率的影响权重顺序为：进流量>薄板间距>泥沙通道宽度>沉沙箱单元宽度。进流含沙浓度为5 kg/m3时，各参数较优水平组合为：进流量135 L/h、薄板间距20 mm、泥沙通道宽度1 mm、沉沙箱单元宽度30 cm；进流含沙浓度为15 kg/m3时，各参数较优水平组合为：进流量135 L/h、薄板间距10 mm、泥沙通道宽度5 mm、沉沙箱单元宽度30 cm。

（2） 基于试验结果建立了以泥沙截除率为因变量，进流量、薄板间距、泥沙通道宽度和沉沙箱单元宽度为自变量的SVM回归模型，不同含沙浓度时拟合优度（R2）分别为：0.999 9（5 kg/m3）和0.999 9（15 kg/m3），对应MSE分别为：1.19×10-4和5.57×10-5。经过检验，本文提出的SVM回归模型的绝对误差均小于10%，模型较稳定，预测精度高。

工程设计时，若待处理泥沙粒径级配与本次试验所用泥沙级配接近，可以不同含沙浓度下较高泥沙截除率时的较优参数水平组合作为新型异向流沉沙池的标准单元；当实际工程所需处理流量远大于本次试验采用的流量时，可并联多个沉沙池标准单元以满足实际处理流量的要求。若待处理泥沙的粒径小于本次试验所用泥沙，可进行相关模型试验确定出标准单元的沉沙池长度，其他尺寸保持不變。

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（编辑：胡旭东）

Abstract：

To obtain a better set of structural parameters of new anisotropic flow sedimentation tank，a type of secondary sediment treatment facility，the orthogonal test were carried out.The flow rate，spacing between two plates，the width of sediment channel，and the unit width of sedimentation box were selected as factors.According to the L9 （34） standard orthogonal table，the test conditions were determined and the test was carried out.In view of the test results，the weight order of each factor on sediment trapping efficiency was obtained by range analysis from large to small： the flow rate，spacing between two plates，the width of sediment channel，the unit width of sedimentation box.The better combination of each factor level was obtained by the analytic hierarchy process method.When the inlet sediment concentration was 5kg/m3，the better combination was： flow rate of 135 L/h，spacing between two plates of 20mm，width of sediment channel of 1mm，unit width of sedimentation box of 30 cm，and trapping efficiency was 727%.When the inlet sediment concentration was 15kg/m3，the better combination was： flow rate of 135 L/h，spacing between two plates of 10 mm，width of sediment channel of 5 mm，unit width of sedimentation box of 30 cm，and trapping efficiency was 988%.The research results can provide guidance for the design of the new anisotropic flow sedimentation tank.

Key words：

anisotropic flow sedimentation tank；structure design；analytic hierarchy process method；orthogonal experiment；support vector machine