水利工程論文-懸移質(zhì)分選沉降及其在工程上的應用.doc

水利工程論文-懸移質(zhì)分選沉降及其在工程上的應用摘要：懸移質(zhì)泥沙占河流輸沙的大部分，由于泥沙的重力作用及水流的紊動混摻的雙重作用，懸移質(zhì)沿垂線的分布呈上稀下濃、上細下粗的規(guī)律。在水流的不平衡輸沙條件下，超飽和水流中必然有一部分泥沙沉降落淤，其中較粗的泥沙必然率先沉降，較細的泥沙仍隨水流懸浮前進。不同粒徑的泥沙有不同的沉降距離，利用懸移質(zhì)的這種分選沉降規(guī)律，可以預報水庫淤積的形態(tài)及位置，渠系沉沙池（條渠）中有害泥沙的排除率。文中舉出了兩個工程應用的例子，其中渦管排沙式沉沙池已正式運用了兩個汛期，排沙效果良好。關鍵詞：懸移質(zhì)分選沉降排沙比渦管排沙1前言江河中的泥沙輸送，懸移質(zhì)占主要部分。懸移質(zhì)之所以能在水流中懸浮前進，是與水流的紊動分不開的。流體紊動渦漩的大小和強度與懸移質(zhì)含沙量的多少有非常密切的關系。尺度大的渦漩能維持大量或較大顆粒泥沙的懸浮，尺度小的渦漩則只能挾帶少量或較細顆粒的泥沙。水流中的紊動作用和泥沙的重力作用共同作用的結(jié)果，形成了懸移質(zhì)含沙量沿垂線的分布。水流中的來水來沙條件是在變化的，因此，含沙量沿垂線的分布狀況及平均含沙量也隨之改變，形成不平衡輸沙。在沖積河流條件下，由于水流強度的增加或減小，產(chǎn)生河床的沖刷或淤積。含沙水流進入水庫或其他較大水體，也會產(chǎn)生泥沙淤積。泥沙的淤積過程，也就是懸移質(zhì)沿垂線分布重新調(diào)整的過程。較粗的泥沙顆粒率先沉降落淤，較細的顆粒仍保持懸浮狀態(tài)繼續(xù)隨水流前進。這種現(xiàn)象沿水流是個漸變過程，因此，出現(xiàn)懸移質(zhì)沉降的分選現(xiàn)象。水庫、沉沙條渠中分選沉降現(xiàn)象最為顯著。即使在渠道、河道等準均勻流條件下，粗細不同的泥沙顆粒，在淤積過程中也會出現(xiàn)分選1。泥沙相對較細，紊動相對較強，則分選沉降的距離越長，而且越向下游，河床也會發(fā)生細化現(xiàn)象。自然界中這種分選現(xiàn)象很多，人們可以利用不同礦砂的比重進行水力選礦，也可以利用風力，把不飽滿的糧食籽?；螂s質(zhì)和飽滿籽粒區(qū)分開來。2懸移質(zhì)的分選沉降規(guī)律在恒定、均勻流的條件下，泥沙的運動可以達到某種平衡狀態(tài)，即，泥沙的輸沙率沿程不變，河床不產(chǎn)生沖刷或淤積，懸移質(zhì)沿垂線分布也達到某種均衡狀態(tài)，稱為平衡輸沙。但這只是一種暫時現(xiàn)象，一旦水流條件發(fā)生變化，舊的平衡將被破壞，水流中的含沙量也會增大或減小，最終為新的平衡所代替。在平衡輸沙中，含沙量沿垂線的分布也是不均勻的，小顆粒的泥沙重量小，下沉趨勢弱，因此更容易被紊動水流渦漩托浮到水流上層；大顆粒則偏向下層，并與河床有交換現(xiàn)象。泥沙的來源在河床，下沉的泥沙也朝床面集中，所以沿垂線方向含沙量是上部含沙量濃度低，下層含沙量濃度高。根據(jù)泥沙運動的擴散理論導出的二元恒定均勻流在平衡輸沙情況下，含沙量沿垂線分布的公式為2S/Sa=(h/y)-1/(h/a)-1z(1)式中Sa為y=a處參考點上的含沙量，Z=/u*稱為懸浮指標，它實質(zhì)上代表重力作用與水流紊動作用的相對關系。這里重力作用用沉速表達，紊動作用用阻力流速u*表達，為卡門常數(shù)。懸浮指標Z越大，表示重力作用越強，含沙量沿垂線分布越不均勻。反之，懸浮指標越小，含沙量沿垂線分布就越均勻。如果把懸移質(zhì)泥沙分成若干粒徑組，每組取其平均沉速i，不計泥沙在運動水體中的相互干擾作用，即每組泥沙各以其自己的沉降特性在水體中運動，每組泥沙都有自己沿垂線分布曲線，則在每一相對水深上都可以計算出各粒徑組總的相對含沙濃度。不僅底層水流的含沙量遠大于表層，而且較粗的泥沙只在底層才能出現(xiàn)，利用含沙量沿垂線分布的這種特性，我們就可以認識懸移質(zhì)沿程分選沉降的規(guī)律。在引水建筑物的下游，由于紊動強度逐漸減弱，流速分布漸趨上大下小的正常分布，含沙量也趨于上稀下濃的分布狀態(tài)。如果水流中的含沙量和水流挾沙能力相等，則可達到渠道不沖不淤的平衡狀態(tài)。如果上游來水來沙發(fā)生變化，則渠道的平衡輸沙遭到破壞，渠道也將發(fā)生沖刷和淤積，其淤積規(guī)律也將遵循分選沉降的規(guī)律，因此，在均勻水流中也會出現(xiàn)懸移質(zhì)的分選現(xiàn)象。如果水流沿程發(fā)生急劇變化，例如，河流進入水庫、湖泊或海洋，或者渠水進入沉沙池，也都會發(fā)生沿程分選沉降現(xiàn)象。沉降下來的泥沙形成三角洲或沖積扇。3懸移質(zhì)泥沙的處理方式懸移質(zhì)沿垂線的分布規(guī)律既是上稀下濃、上細下粗，在引水時便應盡可能地引取表層清水；在處理泥沙時便應盡可能地從底部排沙，這樣可以消耗較少的水排除較多的有害泥沙。例如，大型水利樞紐的擋水建筑物常設有排沙底孔，排沙隧洞的進口也打在較低的高程，排沙渦管更是布置在渠底上。我們以渦管排除懸移質(zhì)泥沙為例3，說明應用泥沙分選沉降規(guī)律計算分組排沙率的方法。懸移質(zhì)泥沙在引水渠中的分選沉降可分作三部分。第一部分較粗泥沙，在進入沉沙池后逐漸沉降下來，其沉降距離可按Li=(uh/I)計算，其中i為某粒徑組的沉速，為考慮紊動隨機性的安全系數(shù)，可取1.21.5，如果Li小于沉沙池的長度，該粒徑組都將沉降在沉沙池內(nèi)。第二部分是中等粗細的泥沙，這部分泥沙的沉降長度超過沉沙池長度，但是這部分泥沙沿垂線分布也偏于水深的下部，渦管排沙是從渠道底部排出的，可以認為分界流線以下的高含沙水流都進入渦管排出（見圖1），這圖1渦管排懸移質(zhì)示意圖樣中粗泥沙又被排出一部分，排出的分沙比大于分流比。第三部分為細沙，可認為不在沉沙池中沉降。我們按以下方法計算中粗泥沙排出的比例。式（1）是懸移質(zhì)沿垂線分布公式，參考點常取a=0.05h，但在河底附近，推移質(zhì)和懸移質(zhì)二者之間交換頻繁，河底含沙量不易測定，因此很難確定絕對含沙量的沿垂線分布。從解決實際問題出發(fā)，可以選取其他位置作參考點。例如，謝鑒衡選在含沙量等于水流挾沙力處。若將懸移質(zhì)分成若干粒徑組，則分組含沙量沿垂線分布公式可寫成(2)式中帶下標i的表示第i粒徑組，Si即為該粒徑組在相對水深=y/h處的含沙量，S*i為第i粒徑組的垂線平均含沙量，*i=y*/h為該處相對水深。因此(3)采用對數(shù)型流速分布關系，謝鑒衡通過近似積分法求得(4)式中J1、J2為兩個積分公式，其數(shù)值可從有關手冊查得，C為謝才系數(shù)，為卡門常數(shù)，Zi為粒徑組的懸浮指標。利用（4）式及J1、J2數(shù)值表，可求得絕對含沙量沿垂線的分布。然后計算出懸移質(zhì)沿垂線的分組輸沙率Siq。給出不同的=y/h值，根據(jù)流速分布公式可計算分流量q及分流比R=q/q。再用近似積分法計算出在該值下的排沙比qsi/qsi。作為算例，我們將某火電站引水渠中的懸移質(zhì)分成6組（見表1），其中A、B二組的懸浮指標Zi5，在引水渠中已不能懸浮，C組Zc=3.3，雖能懸浮，但是懸浮高度不大，在入渠斷面不太遠處也將沉降，按Li=K(Uh/I)分別計算出這三組的沉降距離，得LA=20.8m，LB=32.6m、LC=64.2m。F組d0.05mm，認為不會沉降，不加處理，現(xiàn)只計算D、E二組的分流比和排沙比。計算結(jié)果列入表2。表1懸移質(zhì)分組表分組號ABCDEF粒徑范圍(mm)1.51.01.00.50.50.250.250.10.10.050.25mm的粗、中沙占了近50%，對灌溉渠道、水電站及工業(yè)用水都是十分有利的。由于水流的紊動作用，泥沙的運動具有隨機性質(zhì)，分選沉降現(xiàn)象不可能像計算的那樣，將各組截然分開。某些較小的粒徑可能被排掉，某些粒徑較大的泥沙也有部分保留下來，但其所占比例是不大的。表2是按二元流條件下計算出來的，如果是梯形斷面渠道，底部縮窄，含沙量在底部集中，更有利于從底部排沙。此外，如果渠道中流速太大，可局部擴大渠段斷面，減小流速，以利泥沙沉降。水庫中三角洲淤積及錐體淤積，也是懸移質(zhì)分選沉降的結(jié)果，為了減少庫容損失，已研究出了許多水庫排沙減淤的有效方法4，其中在汛期實行低水位運用，定出汛限水位，使入庫泥沙的分選沉降更趨于壩前，淤積三角洲整體下移，便于水力沖刷排沙出庫。沒有沉降下來的泥沙，到達壩前后也會分選沉降，使表層水變清，底層水含沙濃度增大。大型水利水電樞紐中都布置有排沙底孔，可以把高濃度的底部含沙水流排出庫外，減少淤積。水電站的進水口布置在大壩的較高處，將排沙孔設在進水口的下邊，排除進口附近的泥沙，保持進水口的門前清。引黃渠系中泥沙顆粒很細，分選沉降距離很遠，在灌區(qū)設沉沙條渠沉降泥沙，一條條渠淤滿后改作農(nóng)田，用另一條條渠處理泥沙。表3電廠引水渠中懸移質(zhì)分選沉降試驗結(jié)果取樣地點泥沙粒徑（mm）d10d50d90進口0.02180.0840.491#渦管出口0.080.201.102#渦管出口0.040.1350.475末端渠底0.0250.1290.2454工程應用實例4.1某火力發(fā)電廠引水渠中泥沙的分選沉降及渦管排沙效果試驗某火力發(fā)電廠冷卻用水從東岸大渠引水，東岸大渠為襯砌渠道。縱坡i=0.81.2%，設計流速v=4.5m/s，汛期含沙量15kg/m3，最大含沙量可達10kg/m3，泥沙粒徑d=0.0051.5mm，d50=0.15mm，電廠引水渠設計流量Q=25m3/s，b=5.0m，i=0.00482，m=2，渠道全長530m。由于引水渠經(jīng)常處于壅水運用狀態(tài)，泥沙淤積嚴重。為解決此問題，進行了水力模型試驗。模型比尺120。根據(jù)懸移質(zhì)沿程分選原理，在離進水口8.4m及15.8m處各布置一道排沙渦管，在進口處加沙。在兩渦管出口及尾門處渠底（距進口20m）取樣分析，得出以下結(jié)果(見表3)。由表3可見：1.泥沙沿程分選現(xiàn)象明顯,下游泥沙各代表粒徑均小于上游(進口處除外)。2.渦管出口及末端渠底泥沙中值粒徑d50均大于進口泥沙的d50，可見渦管排沙效果好。4.2金溝河渠首電站渦管排沙式沉沙池渠首電站是金溝河上的最上一級電站,為徑流引水式。金溝河是山溪性河道，坡陡流急，泥沙量大粒粗。其中推移質(zhì)已在渠首及引水渠0+125處用排沙渦管加以處理。懸移質(zhì)最大粒徑dmax=1.0mm,d50=0.128mm需要在沉沙池加以處理。沉沙池為一擴大了的梯形斷面渠道，長54m，在池底分設7道排沙渦管，用來排除分選沉落到池底的懸移質(zhì)。經(jīng)原型水沙觀測取樣分析，結(jié)果如表4所示。表4金溝河渠首電站沉沙池泥沙顆粒級配粒徑(mm)小于某粒徑的沙重百分比（%）0.0050.010.0250.050.100.250.501.0255.010.0d50上斷面3.78.813.319.739.682.398.01000.1281#號渦管0.13.039.585.695.897.899.21000.2702#號渦管0.16.469.696.899.299.91000.2213#號渦管0.412.871.499.21000.2054#號渦管0.210.174.098.81000.1805#號渦管0.415.885.71000.1606#號渦管1.0270694.31000.1