水庫泄洪水含沙量與泄洪排沙洞泄流能力的關(guān)系,水文學(xué)論文

水庫泄洪水含沙量與泄洪排沙洞泄流能力的關(guān)系,水文學(xué)論文摘要：我們國(guó)家河流泥沙含量較高,十分是西北、華北地區(qū),泥沙淤積問題是工程規(guī)劃時(shí)需要考慮的重要問題。西北地區(qū)高含沙水流多數(shù)都能夠看成是賓漢體,其具有不同于一般水流的獨(dú)特現(xiàn)象。本文扼要介紹了高含沙水流流變特性研究成果,以亭口水庫為例,對(duì)其入庫高含沙水流流變特性進(jìn)行研究,并通過模型試驗(yàn),比照一樣流量下不同含沙量時(shí)的庫水位壅高程度,進(jìn)而對(duì)紊流情況下含沙量與泄流能力間關(guān)系進(jìn)行初步討論。本文關(guān)鍵詞語：水庫淤積;賓漢流體;流變參數(shù);紊流;泄流能力;我們國(guó)家河流泥沙含量較高,七大江河的年輸沙量高達(dá)23億t,十分是西北、華北地區(qū)的一些河流,含沙量非常高,水庫淤積情況較重,高于世界各國(guó)平均水平。水庫的調(diào)水調(diào)沙主要決定于水庫的運(yùn)用方式,不同的運(yùn)用方式,對(duì)泥沙的處理方式方法是不一樣的,因而工程上采取不同形式的泄水建筑物,以使水庫具有相應(yīng)的泄流能力。通常,水庫會(huì)設(shè)置泄洪排沙洞,選擇適宜的高程和泄流規(guī)模泄洪排沙,保證水庫的庫容。無論水庫采用哪種運(yùn)用方式,水庫的淤積平衡趨向性都是一致的。黃河中下游流域產(chǎn)沙量大,經(jīng)常出現(xiàn)高含沙水流,高含沙水流呈現(xiàn)出與清水完全不同的特征,因而對(duì)入庫水流的研究對(duì)于水庫清淤排沙非常必要。挾沙水流與清水比,其粘性要大得多。對(duì)水流的紊動(dòng)特性而言,泥沙的存在使得紊流旋渦尺寸減小,交換作用減弱,由紊流力學(xué)可知泥沙的存在導(dǎo)致的流體的動(dòng)力粘滯系數(shù)發(fā)生改變,可利用含沙量與動(dòng)力粘滯系數(shù)關(guān)系公式,進(jìn)一步分析含沙量對(duì)建筑物泄流能力的影響。本文通過亭口水庫模型試驗(yàn)對(duì)入庫高含沙水流特性進(jìn)行研究,并對(duì)含沙量與泄洪排沙洞泄流能力之間關(guān)系進(jìn)行初步討論,為水庫運(yùn)行時(shí)泄洪排沙提供參考。1高含沙水流流變特性研究現(xiàn)在狀況1.1流變參數(shù)的研究渾水與清水的粘滯系數(shù)的比值與含沙量有關(guān),當(dāng)含沙量大到一定程度,十分是含有一定數(shù)量的小于0.01mm的細(xì)顆粒時(shí),不僅粘性系數(shù)迅速增大,流體的性質(zhì)也將從牛頓體轉(zhuǎn)化為非牛頓體[1,2]。流體切應(yīng)力和切率間的變化規(guī)律稱為流變特性。高含沙水流為非牛頓流體,可近似的看成賓漢流體,賓漢流體流變方程見下式式中:B為賓漢極限切應(yīng)力;為剛度系數(shù)。賓漢流體在受切應(yīng)力時(shí),首先要克制賓漢極限切應(yīng)力,流體才能產(chǎn)生變形。對(duì)賓漢體特性起決定作用的是細(xì)顆粒泥沙的含量。顆粒越細(xì),則賓漢極限切應(yīng)力愈大;反之,顆粒越粗,則賓漢極限切應(yīng)力愈小,以致不再具有賓漢體特征。高含沙水流中,水與固體顆粒之間存在的物理化學(xué)作用,是影響流體粘性的主導(dǎo)作用。影響流變參數(shù)的主要因素包括含沙量、粒徑級(jí)配、細(xì)顆粒含量、泥沙礦物成分、形狀、水質(zhì)、溫度水流紊動(dòng)等,這些使得高濃度渾水的粘性變化非常復(fù)雜[3,4,5]。現(xiàn)有高含沙水流粘性的研究成果,多數(shù)從含沙濃度出發(fā),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,建立了粘性系數(shù)與賓漢極限切應(yīng)力的經(jīng)歷體驗(yàn)公式,這些經(jīng)歷體驗(yàn)公式間互相差異較大,計(jì)算時(shí)需根據(jù)研究沙樣的特征的類似性進(jìn)行公式的選取。另一方面,有學(xué)者試圖從理論研究,如絮凝原理等,引入泥沙級(jí)配等參數(shù)確定賓漢極限切應(yīng)力計(jì)算公式[2,3,4,5,6,7,8]。還有學(xué)者提出利用極限濃度綜合反映各因素對(duì)高含沙水流賓漢極限切應(yīng)力的影響,利用自由空隙濃度反映不同類型的含沙水流,也進(jìn)一步研究了流變特性與水流紊動(dòng)強(qiáng)度之間的關(guān)系,得到賓漢極限切應(yīng)力隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律,給出相應(yīng)的極限濃度和粘度計(jì)算公式,克制了流變?cè)囼?yàn)方式方法中的缺乏[9,10]。高含沙水流粘性系數(shù)影響因素多,賓漢極限剪切力的計(jì)算公式多為經(jīng)歷體驗(yàn)公式,加強(qiáng)這方面研究將是對(duì)高含沙水流理論研究的很好補(bǔ)充和完善[8]。1.2水流阻力問題的提出泥沙顆粒的存在導(dǎo)致水流的動(dòng)力黏滯系數(shù)發(fā)生改變,進(jìn)而影響建筑物的流量系數(shù),分析討論高含沙水流對(duì)排沙洞泄流能力的影響,所牽涉到的主要問題是高含沙水流阻力規(guī)律的研究,近年來主要是通過室內(nèi)水槽及管道試驗(yàn)進(jìn)行。由于高含沙水流的本構(gòu)方程與清水明顯不同,因而不同水流邊界條件下其水流阻力也不同,而關(guān)于懸移質(zhì)對(duì)水流能量損失的影響認(rèn)識(shí)尚不一致,現(xiàn)有的試驗(yàn)成果也顯示出一定的分歧。當(dāng)前,有學(xué)者采用了系列模型實(shí)驗(yàn)法研究室內(nèi)小尺度模型試驗(yàn)結(jié)果向原型大尺度推演的問題,以為高含沙水流阻力比尺是小于1的,即室內(nèi)小尺度模型所反映的水流阻力等參數(shù)比原型大。盡管高含沙水流的模型率問題沒有得到解決,但是利用模型試驗(yàn),通過對(duì)高含沙水流和清水泄流能力的差異進(jìn)行討論,能夠?yàn)榇_定水庫汛期的控制水位以及利用洪水排沙減淤的機(jī)會(huì)提供科學(xué)指導(dǎo)。2亭口水庫大概情況2.1工程大概情況亭口水庫樞紐工程地處陜西省咸陽市長(zhǎng)武縣境內(nèi)、彬長(zhǎng)礦區(qū)中部、涇河一級(jí)支流黑河上,壩址位于黑河干流下游距河口2.0km處。工程開發(fā)以工業(yè)和城鎮(zhèn)生活供水為主,同時(shí)兼顧防洪和發(fā)電等綜合利用的水利工程,是解決彬長(zhǎng)礦區(qū)生產(chǎn)、生活用水的重要水源工程之一。黑河起源于甘肅省華亭縣上關(guān),經(jīng)甘肅省華亭、崇信、涇川、靈臺(tái)等縣東流,在長(zhǎng)武縣劉家河村進(jìn)入陜西境內(nèi),于亭口鎮(zhèn)亭南村匯入涇河,流域面積4255km2,全長(zhǎng)168km,河道平均比降2.9。2.2水文泥沙條件及水庫運(yùn)行方式水庫多年平均入庫水量為2.4015億m3,多年平均入庫懸移質(zhì)輸沙量為1445.2萬t,多年平均流量為7.615m3/s,多年平均懸移質(zhì)含沙量為60.18kg/m3,水少沙多的矛盾較為突出。黑河水沙的年際分配極不均勻,就多年平均情況來看,上游來水含沙量S200kg/m3的天數(shù)為6.6天,相應(yīng)入庫沙量為918萬t,占全年入庫沙量的63.5%,而相應(yīng)入庫水量為2738.6萬m3,僅占總?cè)霂焖康?1.4%,水沙年內(nèi)詳細(xì)分配情況如以下圖所示。圖1多年平均入庫水沙量年內(nèi)分布水庫來水量主要集中在7~10月份,入庫沙量主要集中在汛期幾場(chǎng)洪水經(jīng)過中,處理好入庫含沙量較大的水沙是水庫調(diào)水調(diào)沙的關(guān)鍵。亭口水庫所屬流域黑河為黃河中游細(xì)沙來源區(qū),所在區(qū)域野外原型觀測(cè)及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析研究結(jié)果表示清楚,粒徑小于0.01mm的泥沙含量隨懸移質(zhì)含沙量的增加而增加,細(xì)顆粒含量與懸移質(zhì)含沙量的關(guān)系可表示為華而不實(shí):S0.01為粒徑小于0.01mm泥沙的含量;S為含沙水流懸移質(zhì)含沙量,kg/m3。亭口水庫制定運(yùn)行方式的基本原則是在確保大壩防洪安全的前提下,充分利用黑河水資源,最大限度地知足生態(tài)需水及工業(yè)城鎮(zhèn)供水需要,并盡量減輕水庫淤積,保持水庫的長(zhǎng)期有效庫容,使水庫能長(zhǎng)期發(fā)揮效益。2.3水庫所在流域高含沙水流流變參數(shù)的測(cè)定初步分析以為亭口水庫排沙洞常遇的高含沙水流具有泥沙粒徑細(xì),粘性顆粒含量高等特點(diǎn)。由于入庫懸沙粒徑較細(xì),經(jīng)過沿程分選后,無論是異重流,明流或是渾水水庫排沙,進(jìn)入排沙洞的高含沙水流中泥沙顆粒的上限粒徑不超過0.018mm,常遇工況時(shí)排沙洞含沙量下限按80kg/m3考慮。為研究亭口水庫排沙洞下泄水流的流變特性,根據(jù)亭口水庫所在流域高含沙水流的沙樣特征,同時(shí)考慮到含沙水流中粘性顆粒含量的差異不同,結(jié)合公式(2)配置了三種沙樣,以測(cè)定在不同含沙濃度下水流的流變參數(shù),試驗(yàn)成果如下表所示。由試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果可知:各組沙樣均可觀測(cè)到極限切應(yīng)力項(xiàng),即測(cè)試濃度范圍內(nèi)水流為典型的非牛頓賓漢流體。表1表亭口水庫排沙洞常遇高含沙水流流變參數(shù)3試驗(yàn)設(shè)計(jì)及成果分析3.1試驗(yàn)觀測(cè)方式方法的設(shè)計(jì)由于高含沙水流模型類似率的局限,當(dāng)前尚無法由常規(guī)水工模型試驗(yàn)方式方法的觀測(cè)數(shù)據(jù)推演到原型,本文擬通過小尺度模型試驗(yàn),并參考高含沙水流現(xiàn)有研究成果,對(duì)含沙量和泄流能力間關(guān)系做初步分析。模型試驗(yàn)比尺為1:50,比照一樣流量下不同含沙量時(shí)的庫水位壅高程度,反映高濃度含沙量對(duì)泄流能力的影響。試驗(yàn)采用上游渠道量水、前池加沙,排沙洞出口觀測(cè)濃度的辦法進(jìn)行經(jīng)過控制。3.2試驗(yàn)工況及觀測(cè)結(jié)果在排沙洞閘門全開的情況下,試驗(yàn)設(shè)計(jì)了六組不同的下泄流量,每個(gè)流量對(duì)應(yīng)下泄三種不同含沙量的水流。通過對(duì)不同含沙量時(shí)水庫水位壅高情況的觀測(cè),將其與相應(yīng)流量下清水試驗(yàn)庫水位進(jìn)行比照,再根據(jù)清水試驗(yàn)相應(yīng)的水位流量關(guān)系曲線,進(jìn)而得出統(tǒng)一模型尺度下含沙量對(duì)泄流能力的相對(duì)影響程度。在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,評(píng)估在原型工程應(yīng)用時(shí)高含沙水流對(duì)泄流能力的影響。將試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果換算成原型后,流量、含沙量及庫水位壅高情況如以下圖所示:圖2流量、含沙量及庫水位壅高值對(duì)應(yīng)關(guān)系圖由上圖可知:與清水試驗(yàn)相比,當(dāng)水庫下泄高含沙水流時(shí)庫水位均為壅高,各種工況時(shí)水位壅高值模型測(cè)針讀數(shù)均在03mm之間,對(duì)應(yīng)原型相當(dāng)于水位壅高012cm之間,不同流量間及一樣流量不同含沙量之間無明顯規(guī)律性。本次試驗(yàn)采取上游量水,由于渾水實(shí)驗(yàn)中前池庫底薄層泥沙淤積所引起的體積變化,對(duì)水位有正向偏差,考慮了此項(xiàng)修正后,水位的實(shí)際壅高值還應(yīng)比此范圍小。按圖1觀測(cè)結(jié)果并參照清水試驗(yàn)推薦方案弧門全開時(shí)的水位流量關(guān)系曲線,推算后表示清楚上述水位壅高值相當(dāng)于泄流能力減少03%,在天然河流或室內(nèi)水槽試驗(yàn)中,當(dāng)水流含沙量很大,即便上游來流量不變,河段水位也會(huì)出現(xiàn)周期性的起伏變化,再加上試驗(yàn)觀測(cè)手段的誤差影響,能夠以為高含沙量對(duì)排沙洞泄流能力的影響能夠忽略不計(jì)。4結(jié)論(1)對(duì)三種沙樣不同含沙濃度時(shí)流變參數(shù)進(jìn)行測(cè)定,各組沙樣均可觀測(cè)到極限切應(yīng)力項(xiàng),即測(cè)試濃度范圍內(nèi)水流為典型非牛頓賓漢流體,可用現(xiàn)有的賓漢流體相關(guān)理論進(jìn)行分析討論。(2)室內(nèi)小尺度模型試驗(yàn)結(jié)果向原型推演時(shí),高含沙水流的阻力比尺是小于1的,即模型試驗(yàn)中水流阻力等參數(shù)大于原型。(3)本次試驗(yàn)中,由于含沙量變化產(chǎn)生的庫水位壅高值相當(dāng)于泄流能力減小,考慮到試驗(yàn)觀測(cè)手段、縮尺效應(yīng)及高含沙水流的周期變化,則實(shí)際工程中含沙量對(duì)泄流能力的影響可忽略不計(jì)。固然高含沙量對(duì)泄流能力影響有限,但通過對(duì)亭口水庫庫區(qū)高含沙水流挾沙特性進(jìn)行研究,科學(xué)調(diào)控洪水,對(duì)于水庫清淤排沙有著重要意義。以下為參考文獻(xiàn)：[1]錢寧.高含沙水流運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)問題.人民黃河,1981(04):1-9.[2]唐存本.含沙水流的賓漢極限應(yīng)力的計(jì)算公式.泥沙研究,1981,2:60-65.[3]費(fèi)祥俊.高濃度渾水的粘滯系數(shù)(剛度系數(shù)).水利學(xué)報(bào),1982,03:57-63.[4]費(fèi)祥俊,朱程清.高含沙水流運(yùn)動(dòng)中的賓漢切應(yīng)力.泥沙研究,1991,(4):13-23.[5]陳立.高含沙水流流變參數(shù)的試驗(yàn)研究.武漢水利電力學(xué)院學(xué)報(bào),1992,25(4).[6]錢寧,萬兆惠.高含沙水流運(yùn)動(dòng)研究述評(píng).水利學(xué)報(bào),1985,5:27-34.[7]田治宗,錢意穎,程秀