[发明专利]一种含沙水源滴灌用沉沙池及其优化方法

权利要求书

1.一种含沙水源滴灌用沉沙池，其特征在于：它包括沿水流方向依次设置的稳流消能段、过滤段、静水沉沙段和集水段；

所述稳流消能段为一长条形渠道，其两侧相对设置有若干调流齿，两侧的各所述调流齿间隔交替设置，且沿水流方向具有一定的倾斜角度；

所述过滤段为弧形过滤渠道，连接所述稳流消能段和宽于所述稳流消能段的静水沉沙段；

所述静水沉沙段为长条形渠道，所述静水沉沙段的底面设置成逆坡的形式，沿水流方向逐渐变高，所述逆坡上沿水流方向并排设置有若干斜板，各所述斜板拼接成一层覆盖在所述逆坡的上表面，所述斜板的表面沿水流方向设置呈拱形结构，相邻两所述斜板之间形成倒三角形的沉沙池；在所述静水沉沙段的底面泥沙沉积处设置有若干涡管，各所述涡管沿截断水流的方向横向设置，从所述静水沉沙段内的一侧倾斜通向另一侧，所述涡管底部的高度低于所述斜板和逆坡的表面，所述涡管的顶部沿涡管轴向开设有一条形口，所述涡管的两端均设置有一副池；

所述集水段为长条形渠道，该段的宽度与所述静水沉沙段的宽度相同，所述集水段内与所述静水沉沙段的连接处设置有一直角三角堰，所述直角三角堰上水平间隔设置有若干条形的取水槽，各所述取水槽位于所述静水沉沙段的上方，各所述取水槽的侧壁上均设置有若干进水孔，各所述取水槽的顶部设置有取水口。

2.如权利要求1所述的一种含沙水源滴灌用沉沙池，其特征在于：采用卵石在所述稳流消能段的入口处增设渗滤坝。

3.如权利要求1所述的一种含沙水源滴灌用沉沙池，其特征在于：所述稳流消能段的末端与所述过滤段的连接处设置有拦污栅。

4.如权利要求2所述的一种含沙水源滴灌用沉沙池，其特征在于：所述稳流消能段的末端与所述过滤段的连接处设置有拦污栅。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种含沙水源滴灌用沉沙池，其特征在于：所述静水沉沙段的底面泥沙沉积处，水流沙相体积分数超过平均含沙量的30%处设置有若干所述涡管。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种含沙水源滴灌用沉沙池，其特征在于：各所述取水槽的顶部设置的所述取水口为梯形，下窄上宽。

7.如权利要求5所述的一种含沙水源滴灌用沉沙池，其特征在于：各所述取水槽的顶部设置的所述取水口为梯形，下窄上宽。

8.一种如权利要求1～7任一项所述含沙水源滴灌用沉沙池的优化方法，其包括以下步骤：

1）根据现场情况和操作人员的经验，选取稳流消能段的长度、宽度、内部调流齿的长度L_调、调流齿的数目n_调范围、同侧相邻两个调流齿之间的间距s_调范围、调流齿与水流前进方向的夹角θ_调范围；

选取静水沉沙段的长度，宽度；逆坡的坡度θ_逆范围；斜板的拱形高度h_斜范围，斜板的拱形坡度r_斜范围；涡管的直径D_涡范围，D_涡=（1/5～1/3）h_静，式中：h_静为静水沉沙段的所需水深，选取h_静的范围；涡管顶部的条形口的开口宽度b_涡范围，b_涡＝D_涡sin(β_涡/2)，β_涡为涡管与水流前进方向之间的夹角，选取β_涡的范围；

2）根据步骤1）选取的经验值，建立微灌沉沙池分步计算结构模型，具体分别为建立消能稳流段、静水沉沙段和所提出的沉沙池整体的模型，对模型进行网格划分和设置计算域的边界条件；

3）采用两相流模型对步骤2）中所建立的各三维模型进行分步求解，逐级计算选择最优结构参数，具体如下：

第一步：对稳流消能段的模型进行逐级计算求解：以调流齿的根部无泥沙淤积且静水沉沙段的出口流量满足灌区所需灌溉用水量，为调流齿最优布置形式评判标准，对调流齿的各项参数进行逐级模拟选择；内部调流齿的长度L_调设置为稳流消能段宽度的1/2，其他参数设定：①在调流齿数目n_调范围内，选取若干值分别进行模拟；基于模拟结果，依据上述调流齿最优布置形式评判标准确定n_调的最优取值区间；②在同侧相邻两个调流齿之间的间距s_调范围内，选取若干值分别进行模拟；基于模拟结果，依据上述调流齿的最优布置形式评判标准，确定s_调的最优取值区间；③在调流齿与水流前进方向的夹角θ_调范围内，选取若干值分别进行模拟；基于模拟结果，依据上述调流齿最优布置形式评判标准，确定θ_调的最优取值区间；通过对以上各项参数的逐级选择，确定调流齿的最优数目θ_调、间距s_调及其与水流前进方向夹角θ_调的最优取值区间；

第二步：对静水沉沙段进行逐级计算模拟：首先，设定静水沉沙段的长度L_静为步骤1）中所提出的长度的2倍；当静水沉沙段内某断面的沙相含量小于200mg/L时，认为此时泥沙沉积较完全，此断面即为静水沉沙段的终断面，得到静水沉沙段的最优长度；设置静水沉沙段的设计深度H_静范围，H_静高于静水沉沙段的所需深度h_静范围0.2m～0.5m，根据H_静得到宽深比α_静范围，在宽深比α_静范围内选取若干值分别进行计算模拟，根据泥沙沉降率确定α_静的最优取值区间；然后，静水沉沙段布设为最优长度，选取最优取值区间内的宽深比，取水槽均匀布设在段尾，采用梯形取水口进行模拟；增设优化结构，具体为：①底面泥沙沉降处水流沙相体积分数大于初始值的30%处增设涡管，并在涡管的两端出口处设置副池；涡管的直径D_涡=（1/5～1/3）h_静；涡管顶部条形口的开口宽度b_涡＝D_涡sin(β_涡/2)；在涡管的直径D_涡范围内选取若干值进行计算模拟，根据泥沙排除效果确定涡管直径D_涡的最优取值区间；在β_涡的取值范围内选取若干值进行计算模拟，根据泥沙排除效果确定β_涡的最优取值区间；②在斜板的拱形高度h_斜范围内，选取若干值进行计算模拟，根据斜板间泥沙沉降率确定斜板高度h_斜的最优取值区间；设定斜板的拱形坡度r_斜范围1:1～1:2；在逆坡的坡度θ_逆范围内，选取若干值进行计算模拟，根据底面泥沙沉降率确定逆坡坡度θ_逆的最优取值区间；

第三步：对稳流消能段和静水沉沙段整体进行逐级计算模拟：分别在稳流消能段调流齿的最优数目n_调、间距s_调、其与水流前进方向夹角θ_调的最优取值区间和静水沉沙段的宽深比α_静、涡管的直径D_涡、涡管顶部条形口的开口宽度b_涡、斜板的拱形高度h_斜、斜板的拱形坡度r_斜及逆坡坡度θ_逆的最优取值区间内各选出若干值，组成若干组设计参数进行计算模拟，根据泥沙沉降率和工程所需精度，最终确定稳流消能段和静水沉沙段各结构的最优设计参数。