摘 要： 我国河流泥沙含量较高, 特别是西北、华北地区, 泥沙淤积问题是工程规划时需要考虑的重要问题。西北地区高含沙水流多数都可以看成是宾汉体, 其具有不同于一般水流的独特现象。本文简要介绍了高含沙水流流变特性研究成果, 以亭口水库为例, 对其入库高含沙水流流变特性进行研究, 并通过模型试验, 对比相同流量下不同含沙量时的库水位壅高程度, 进而对紊流情况下含沙量与泄流能力间关系进行初步探讨。
关键词： 水库淤积; 宾汉流体; 流变参数; 紊流; 泄流能力;
我国河流泥沙含量较高, 七大江河的年输沙量高达23亿t, 特别是西北、华北地区的一些河流, 含沙量非常高, 水库淤积情况较重, 高于世界各国平均水平。水库的调水调沙主要决定于水库的运用方式, 不同的运用方式, 对泥沙的处理方法是不相同的, 因此工程上采取不同形式的泄水建筑物, 以使水库具有相应的泄流能力。通常, 水库会设置泄洪排沙洞, 选择合适的高程和泄流规模泄洪排沙, 保证水库的库容。无论水库采用哪种运用方式, 水库的淤积平衡趋向性都是一致的。黄河中下游流域产沙量大, 经常出现高含沙水流, 高含沙水流呈现出与清水完全不同的特征, 因此对入库水流的研究对于水库清淤排沙非常必要。
挟沙水流与清水比, 其粘性要大得多。对水流的紊动特性而言, 泥沙的存在使得紊流旋涡尺寸减小, 交换作用减弱, 由紊流力学可知泥沙的存在导致的流体的动力粘滞系数发生改变, 可利用含沙量与动力粘滞系数关系公式, 进一步分析含沙量对建筑物泄流能力的影响。本文通过亭口水库模型试验对入库高含沙水流特性进行研究, 并对含沙量与泄洪排沙洞泄流能力之间关系进行初步探讨, 为水库运行时泄洪排沙提供参考。
1 高含沙水流流变特性研究现状
1.1 流变参数的研究
浑水与清水的粘滞系数的比值与含沙量有关, 当含沙量大到一定程度, 特别是含有一定数量的小于0.01mm的细颗粒时, 不仅粘性系数迅速增大, 流体的性质也将从牛顿体转化为非牛顿体[1,2]。流体切应力和切率间的变化规律称为流变特性。高含沙水流为非牛顿流体, 可近似的看成宾汉流体, 宾汉流体流变方程见下式
式中:τB为宾汉极限切应力;η为刚度系数。
宾汉流体在受切应力时, 首先要克服宾汉极限切应力, 流体才能产生变形。对宾汉体特性起决定作用的是细颗粒泥沙的含量。颗粒越细, 则宾汉极限切应力愈大;反之, 颗粒越粗, 则宾汉极限切应力愈小, 以致不再具有宾汉体特征。
高含沙水流中, 水与固体颗粒之间存在的物理化学作用, 是影响流体粘性的主导作用。影响流变参数的主要因素包括含沙量、粒径级配、细颗粒含量、泥沙矿物成分、形状、水质、温度水流紊动等, 这些使得高浓度浑水的粘性变化非常复杂[3,4,5]。
现有高含沙水流粘性的研究成果, 多数从含沙浓度出发, 根据试验结果, 建立了粘性系数与宾汉极限切应力的经验公式, 这些经验公式间相互差异较大, 计算时需根据研究沙样的特征的相似性进行公式的选取。另一方面, 有学者试图从理论研究, 如絮凝原理等, 引入泥沙级配等参数确定宾汉极限切应力计算公式[2,3,4,5,6,7,8]。还有学者提出利用极限浓度综合反映各因素对高含沙水流宾汉极限切应力的影响, 利用自由空隙浓度反映不同类型的含沙水流, 也进一步研究了流变特性与水流紊动强度之间的关系, 得到宾汉极限切应力随雷诺数的变化规律, 给出相应的极限浓度和粘度计算公式, 克服了流变试验方法中的不足[9,10]。
高含沙水流粘性系数影响因素多, 宾汉极限剪切力的计算公式多为经验公式, 加强这方面研究将是对高含沙水流理论研究的很好补充和完善[8]。
1.2 水流阻力问题的提出
泥沙颗粒的存在导致水流的动力黏滞系数发生改变, 从而影响建筑物的流量系数, 分析讨论高含沙水流对排沙洞泄流能力的影响, 所涉及到的主要问题是高含沙水流阻力规律的研究, 近年来主要是通过室内水槽及管道试验进行。由于高含沙水流的本构方程与清水明显不同, 因此不同水流边界条件下其水流阻力也不同, 而关于悬移质对水流能量损失的影响认识尚不一致, 现有的试验成果也显示出一定的分歧。
目前, 有学者采用了系列模型实验法研究室内小尺度模型试验结果向原型大尺度推演的问题, 认为高含沙水流阻力比尺是小于1的, 即室内小尺度模型所反映的水流阻力等参数比原型大。尽管高含沙水流的模型率问题没有得到解决, 但是利用模型试验, 通过对高含沙水流和清水泄流能力的差异进行讨论, 可以为确定水库汛期的控制水位以及利用洪水排沙减淤的时机提供科学指导。
2 亭口水库概况
2.1 工程概况
亭口水库枢纽工程地处陕西省咸阳市长武县境内、彬长矿区中部、泾河一级支流黑河上, 坝址位于黑河干流下游距河口2.0km处。工程开发以工业和城镇生活供水为主, 同时兼顾防洪和发电等综合利用的水利工程, 是解决彬长矿区生产、生活用水的重要水源工程之一。黑河发源于甘肃省华亭县上关, 经甘肃省华亭、崇信、泾川、灵台等县东流, 在长武县刘家河村进入陕西境内, 于亭口镇亭南村汇入泾河, 流域面积4 255km2, 全长168km, 河道平均比降2.9‰。
2.2 水文泥沙条件及水库运行方式
水库多年平均入库水量为2.401 5亿m3, 多年平均入库悬移质输沙量为1 445.2万t, 多年平均流量为7.615m3/s, 多年平均悬移质含沙量为60.18kg/m3, 水少沙多的矛盾较为突出。黑河水沙的年际分配极不均匀, 就多年平均情况来看, 上游来水含沙量S≥200kg/m3的天数为6.6天, 相应入库沙量为918万t, 占全年入库沙量的63.5%, 而相应入库水量为2 738.6万m3, 仅占总入库水量的11.4%, 水沙年内具体分配情况如下图所示。
图1 多年平均入库水沙量年内分布
水库来水量主要集中在7~10月份, 入库沙量主要集中在汛期几场洪水过程中, 处理好入库含沙量较大的水沙是水库调水调沙的关键。
亭口水库所属流域黑河为黄河中游细沙来源区, 所在区域野外原型观测及室内实验分析研究结果表明, 粒径小于0.01mm的泥沙含量随悬移质含沙量的增加而增加, 细颗粒含量与悬移质含沙量的关系可表示为
其中:S<0.01为粒径小于0.01mm泥沙的含量;S为含沙水流悬移质含沙量, kg/m3。
亭口水库制定运行方式的基本原则是在确保大坝防洪安全的前提下, 充分利用黑河水资源, 最大限度地满足生态需水及工业城镇供水需要, 并尽量减轻水库淤积, 保持水库的长期有效库容, 使水库能长期发挥效益。
2.3 水库所在流域高含沙水流流变参数的测定
初步分析认为亭口水库排沙洞常遇的高含沙水流具有泥沙粒径细, 粘性颗粒含量高等特点。由于入库悬沙粒径较细, 经过沿程分选后, 无论是异重流, 明流或是浑水水库排沙, 进入排沙洞的高含沙水流中泥沙颗粒的上限粒径不超过0.018mm, 常遇工况时排沙洞含沙量下限按80kg/m3考虑。
为研究亭口水库排沙洞下泄水流的流变特性, 根据亭口水库所在流域高含沙水流的沙样特征, 同时考虑到含沙水流中粘性颗粒含量的差别, 结合公式 (2) 配置了三种沙样, 以测定在不同含沙浓度下水流的流变参数, 试验成果如下表所示。
由试验测定结果可知:各组沙样均可观测到极限切应力项, 即测试浓度范围内水流为典型的非牛顿宾汉流体。
表1表亭口水库排沙洞常遇高含沙水流流变参数
3 试验设计及成果分析
3.1 试验观测方法的设计
由于高含沙水流模型相似率的局限, 目前尚无法由常规水工模型试验方法的观测数据推演到原型, 本文拟通过小尺度模型试验, 并参考高含沙水流现有研究成果, 对含沙量和泄流能力间关系做初步分析。模型试验比尺为1:50, 对比相同流量下不同含沙量时的库水位壅高程度, 反映高浓度含沙量对泄流能力的影响。试验采用上游渠道量水、前池加沙, 排沙洞出口观测浓度的办法进行过程控制。
3.2 试验工况及观测结果
在排沙洞闸门全开的情况下, 试验设计了六组不同的下泄流量, 每个流量对应下泄三种不同含沙量的水流。通过对不同含沙量时水库水位壅高情况的观测, 将其与相应流量下清水试验库水位进行对比, 再根据清水试验相应的水位流量关系曲线, 从而得出统一模型尺度下含沙量对泄流能力的相对影响程度。在现有研究的基础上, 评估在原型工程应用时高含沙水流对泄流能力的影响。将试验观测结果换算成原型后, 流量、含沙量及库水位壅高情况如下图所示:
图2 流量、含沙量及库水位壅高值对应关系图
由上图可知:与清水试验相比, 当水库下泄高含沙水流时库水位均为壅高, 各种工况时水位壅高值模型测针读数均在0—3mm之间, 对应原型相当于水位壅高0—12cm之间, 不同流量间及相同流量不同含沙量之间无明显规律性。本次试验采取上游量水, 由于浑水实验中前池库底薄层泥沙淤积所引起的体积变化, 对水位有正向偏差, 考虑了此项修正后, 水位的实际壅高值还应比此范围小。按图1观测结果并参照清水试验推荐方案弧门全开时的水位流量关系曲线, 推算后表明上述水位壅高值相当于泄流能力减少0—3%, 在天然河流或室内水槽试验中, 当水流含沙量很大, 即使上游来流量不变, 河段水位也会出现周期性的起伏变化, 再加上试验观测手段的误差影响, 可以认为高含沙量对排沙洞泄流能力的影响可以忽略不计。
4 结论
(1) 对三种沙样不同含沙浓度时流变参数进行测定, 各组沙样均可观测到极限切应力项, 即测试浓度范围内水流为典型非牛顿宾汉流体, 可用现有的宾汉流体相关理论进行分析讨论。
(2) 室内小尺度模型试验结果向原型推演时, 高含沙水流的阻力比尺是小于1的, 即模型试验中水流阻力等参数大于原型。
(3) 本次试验中, 由于含沙量变化产生的库水位壅高值相当于泄流能力减小, 考虑到试验观测手段、缩尺效应及高含沙水流的周期变化, 则实际工程中含沙量对泄流能力的影响可忽略不计。虽然高含沙量对泄流能力影响有限, 但通过对亭口水库库区高含沙水流挟沙特性进行研究, 科学调控洪水, 对于水库清淤排沙有着重要意义。
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