分流对高含沙输送影响试验的初步分析(梁志勇,王兆印,匡尚富,徐永年)

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分流对高含沙输送影响试验的初步分析水利论文} kR aL

梁志勇王兆印匡尚富徐永年

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中国水利水电科学研究院

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摘   要利用水槽进行了粗细两种泥沙的高含沙水流稳定输送试验,在此基础上就浑水分流对高含沙输送的影响进行了试验研究。浑水分流后,一般会改变水流的含沙量,或者影响水流的稳定输沙状态,引起河床的冲淤变化。分流会增加水流含沙的浓度或造成淤积,从而影响高含沙水流的稳定输送。

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关键词:高含沙水流;稳定输沙;水槽试验;分流水利论文3f&QT:J2Zg

1 绪言

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  高含沙水流不仅发生在我国的黄河干支流等多沙河流,而且在世界其他地方也观测到了高含沙水流。例如美国西部的半干旱地区和欧洲的阿尔卑斯山,都有河流发生过高含沙水流,另外在火山爆发区域的河流也容易出现高含沙水流[1]。从人们注意到高含沙水流现象并开始研究这一现象已经有几十年的历史了,通过前人的不断努力,人们对高含沙水流现象的认识已经在物理现象、天然河流的观测和资料分析,以及室内实验的各个方面都有了相当的提高,对高含沙水流现象的认识和研究已经有了相当的水平。主要体现在对高含沙水流流变特性、沉降特性、流速和含沙量分布、阻力规律的认识等方面,近年来在高含沙水流的挟沙能力、远距离输送等,高含沙水流的河床演变,高含沙水流现象的数学模拟与实体模拟等方面,以及与黄河治理和水库调度有关的高含沙项目等方面都有一些新的认识。

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  高含沙水流的长距离稳定输送是高含沙水流研究中的一个重要课题,这个课题的研究对能否利用高含沙水流水沙运动的特点来解决黄河的实际问题或其他工程问题有重要意义。方宗岱在70年代曾提出利用高含沙水流治理黄河,将黄河的大量泥沙利用高含沙水流输送1000km以上进入大海[2]。他认为黄河高含沙水流均为伪一相流并具有非牛顿体性质,具有较大的宾汉极限切应力,足以支持泥沙不下沉而实现远距离输送。后来的研究表明,黄河高含沙水流属于非均质两相流,在紊流发展情况下,宾汉极限切应力趋近于零。还有的学者提出通过塑造窄深河道来输送高含沙水流入海[3],将黄河的大量泥沙利用高含沙水流输送入海,从而减缓下游河道的泥沙淤积[4]。同时,也有的学者指出窄深断面情况下高含沙水流输沙的局限性[5],指出窄深断面形态有利于高含沙水流的稳定输送,但窄深断面有相当的不稳定性,在中小含沙量情况下河道两岸往往出现坍塌,窄深断面难以维持,造成高含沙输沙时泥沙的大量落淤。在此背景下,费祥俊提出了利用高含沙水流通过水库引入渠道到两岸放淤,从而大大减轻高含沙水流对河道危害的治理黄河策略[6]

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  由此可见,利用高含沙水流有可能成为治理黄河的一个重要途径,而高含沙水流的稳定输送也就成为问题的关键。例如在黄河干流中游高含沙情况下在河道出现大冲大淤、在黄河干流下游高含沙水流很难持续长距离的输送等。高含沙水流的稳定输送问题实质上是在不同来水来沙与不同边界条件下高含沙水流的运动问题,这些影响因素包括以下几方面:(1)支流汇流和引水分流情况下的高含沙输送问题或远距离输送问题;(2)断面形态改变对高含沙输移的影响;(3)滩槽交换情况下的高含沙输送问题或远距离输送问题;(4)河道纵比降变化高含沙的稳定输送问题。引水分流对河道的影响早已引起人们的注意[7,8],如黄河下游的分流必淤现象,黄河中游支流上引水干渠中分流的泥沙淤积问题等,但没有看到过有关室内试验研究的报道。本文利用室内水槽就引水分流对高含沙水流输沙的影响进行了试验研究。水利论文:E8uP*P$l e

2试验概况水利论文CvE P4y

2.1试验设置

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6p34.gif (6656 bytes)水利论文,o#X/So!yf

①水泵 ②循环管路③截门 ④流量计⑤管路渐变段⑥支点 ⑦水槽坡降调节支点⑧水槽主体 ⑨轨道⑩接沙漏斗水利论文 xA*pkZ

1水槽循环系统示意图

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  高含沙水流试验是在32m长、45cm宽、50cm高的玻璃水槽中进行的。水槽循环系统包括水槽主体、发电机、直流水泵、电磁流量计、变坡装置等,如图1所示。水槽底坡可调范围为-1%3%,水泵最大流量为150l/s水利论文Y&ad'Kx

  试验中对流量、水深、比降、水温、流速分布、含沙量分布、颗粒级配组成、淤积物厚度等进行了测量。其中流量用电磁流量计测量,流速用美国产的电磁流速仪测量,含沙量用比重瓶测量。水利论文}Zk9tQ

  为了模拟黄河天然情况同时便于试验观测与对比,试验采用了花园口淤泥和两种粗细不同的泥沙,淤泥的中值粒径约为0.0017mm,粉沙的中值粒径为0.12mm,细沙的中值粒径为0.24mm,其颗分曲线如图2所示。

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6p35.gif (3687 bytes)水利论文z|6j9hx2M0scA"A

2淤泥和两种沙样的颗分曲线水利论文CQ4]3MBh%Fa$kN%P

2.2试验步骤水利论文&EZ:Bp'x JAq

  试验从定床开始,首先按一定浓度拌好泥浆并加入水槽系统中,然后开始运转。水流稳定后,逐渐加入所需要数量的泥沙。加沙完毕并待水流泥沙稳定后,进行水沙要素测量。测量之后再进行加沙,待水沙运行稳定后,再进行水沙要素的测量,直到床面发生淤积为止。

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  在此基础上进行浑水分流试验。分流前,尽量使床面处于没有淤积而又快要淤积的临界状态。分出浑水使水沙运行稳定后,在进行水沙要素测量。

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2.3试验条件

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  高含沙水流试验是在循环水槽中进行的,通过不断试验探索了高含沙输沙的稳定过程。一般情况下,水泵开始启动后,水槽内会出现不稳定水流现象,之后水流逐渐稳定下来。但是床面上的泥沙运动的稳定则需要较长的时间,一般为24个小时。之后,水槽沿程的水位、流速、含沙量以及流量等将趋于稳定。

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  试验的有关参数如表1所列。水利论文2AQK]A!A"y

1试验有关参数水利论文oOaSFT_D x

水流参数泥沙参数
流量Q(l/s)380含沙量S(kg/m3)1001050
水槽坡降J(%)1.2水利论文\s Ez7s Y7E

1V{]K}?j0
中值粒径(mm)0.0017
水深h(cm)212粒径范围(mm)0.00030.1
宽深比B/h22.53.75

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中值粒径(mm)0.12
流速(cm/s)30210粒径范围(mm)0.0050.5
温度()2035

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`Tc@&_ o(_0
中值粒径(mm)0.24
  粒径范围(mm)0.0052

 3分流试验初步分析

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  在水槽水流中加沙达到淤积平衡状态后,进行了分流对高含沙稳定输送的影响试验,组次安排如表2所列。水利论文u G)S0W*dD:W

2分流试验参数表

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组次

分流前参数水利论文TvL9] g


分流
流量
(l/s)

分流后参数

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平均含沙量
(kg/m3)
流量
(l/s)
D50
(mm)
水深
(cm)
>0.01沙与<0.01
含沙量之比
平均含沙量
(kg/m3)
流量
(l/s)

D50水利论文+QeU0_m~o:S

(mm)

|3O5e%Svz&[h0

160360未测7.33.5456156未测
2603700.1508.23.0558265未测
3603700.1508.23.01153259未测
4

未测水利论文4f(Ti |0de~]

54未测6未测48未测
5789770.1108.55.74795730.110
6789770.110尾门壅水7漏测700.110
7795720.1157.55.53805690.110
8795720.1157.55.523764490.105
9633250.1056.03.57514180.095
10687360.1005.04.09608270.090
11687360.1005.04.014534220.080
12565240.0904.43.06474180.070

3.1分流现象的一般认识

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  与普通挟沙水流一样,一般情况下分流之后含沙量沿程增大,随之出现沿程淤积的现象。如第1组试验,在分流试验以前,水流输沙处于基本平衡状态;分流后不久,整个水槽床面出现从上游到下游的淤积。从水槽两侧看,靠上游一侧较厚,靠下游一侧较薄,平均淤积厚度约3mm。从表2可以看出,分流后河床一般表现为淤积状态,分流量较小时,沿程淤积也较少,分流流量较大后,沿程淤积量也增大。水利论文s4K8V6WB

  如果定义分流前后输沙率之差除以分流前输沙率为淤积比,分流前后流量之差除以分流前流量为分流比,则淤积比和分流比可用下面的式子分别代表

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η=(Qs0-Qs1)/Qs0

UA c i:EV/G0

(1)

p)Dq0?8|'h^\0

.g @y V#Ym-W6]0

η1=(Q0-Q1)/Q0水利论文zM D8f6_

(2)水利论文/Oz+l.\4Q b#KH

其中η、η1分别代表淤积比和分流比;Qs0Qs1分别代表分流前后水流的输沙率;Q0Q1分别代表分流前后水流的流量。水利论文Y:s%I oc

  图3点绘了分流前后淤积比与分流比的关系,其中第24组的点据未能采用。从图可以看出,淤积比与分流比有明显的相关关系。水利论文ndq/d4lP:xS4B-[k{4@,N

3.2分流对高含沙输送稳定性的影响

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  分流量小时会首先引起沿程含沙量增大,进而造成泥沙淤积;分流量大或含沙浓度相对较高时分流会破坏高含沙水流的稳定输送,造成泥沙大量落淤。从水槽试验和泥沙的淤积情况来分析,引水分流所造成的淤积除与分流比有关外,还与悬移质泥沙粒径D50、水深H、粗细颗粒含沙浓度之比等有关。为了表达细颗粒泥浆含沙浓度的影响,此处用小于0.01mm作为粗细颗粒泥沙的分界粒径,粗细颗粒含沙浓度之比等于大于0.01mm粒径的泥沙与小于该粒径泥沙的含沙浓度之比。这样,引水分流所造成的淤积比

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J q[t,DD8j0水利论文#uH2b~JOb u-J
3淤积比与分流比关系

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η=f(η1,η2,η3)

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(3)

,Xck3T1h K3h0

式中η2=D50/H;η3=粗细颗粒含沙浓度之比。

y6D Ze{.t7| X0

  经过统计分析,点绘了淤积比随以上几个因素的变化关系如图4所示。可以看出,这一综合关系呈较好的线性相关,相关系数为0.96,表达式为水利论文3?t"kH [6w3} `

990617e4.gif (1063 bytes)水利论文 [bET Zr?/B

(4)水利论文|3p^^-X%[-zY!w9y}M\

  如果进一步考虑分流前后含沙浓度或含沙量之比η4,则相关系数可以达到0.97,如图5所示。这时淤积比为水利论文c,ep2h S_"j7]

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s]/NoF$Eh7}0

(5)

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图4 淤积比与水沙综合因素关系之一水利论文 Z9P3r-q RlQ5_5C

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图5 淤积比与水沙综合因素关系之二

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  分流对高含沙输送稳定性的影响还表现在,由于分流出去的水流含有更多的细颗粒泥沙,随着分流的不断进行,水槽中水流的细颗粒含量越来越低,所能携带的泥沙量也因此受到影响。图6点绘了几组试验分流前后悬移质泥沙颗粒组成的变化情况,可以看出,分流后泥沙组成均有所变细了。水利论文y+b'S4]3?+}

6p39.gif (14214 bytes)水利论文L S8I7e ^ ~

图6 分流前后悬移质泥沙颗粒组成的变化情况

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  以上分析表明,分流对高含沙输送至少有以下几个影响:一是分流先使水流含沙量增大,进而造成泥沙落淤,分流比越大,淤积比也越大;二是分流后由于泥沙淤积,泥沙组成变细,淤积量大时悬移质泥沙细化明显;三是分流淤积比与分流比、相对水深D50/H、分流前后含沙浓度或含沙量之比、悬移质中粗细颗粒相对比例有关。水利论文.s M.b-GE M,{1i:v

4小结水利论文#`P5P\%O

  本文根据水槽试验成果,初步提出了引水分流对高含沙水流运动的一些粗浅认识,主要有以下初步结论。

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  1.分流对高含沙输送有以下几个影响:一是分流先使水流含沙量增大,进而造成泥沙落淤;二是分流后由于泥沙淤积,泥沙组成变细,淤积量大时悬移质泥沙细化明显;三是分流淤积比与分流比等因素的关系在适合本试验条件下可以采用式(4)(5)进行计算。

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  2.分流对高含沙水流的稳定输送有一定影响,因而为了减小河道或渠道的淤积,应当避免引水分流。特别是分流比较大、泥沙颗粒较粗、分流前含沙浓度相对较大的情况。水利论文.~5]gKQ go)Y

  3.如果含沙量达600kg/m3、总径流量达20亿m3的高含沙洪水由于沿程引水分流使水流流量减小三分之一,那么将导致一半(约6亿t)的泥沙淤积在河道里。由此可见,控制分流是能使高含沙水流长距离输送的首要问题。水利论文 Y A{h0Fa:As

  由于时间和条件所限,本项研究尚需进行更多试验,进一步补充资料,扩展适应范围。

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参 考 文 献水利论文q(`v.S2f t_

[1]王兆印。泥沙研究的发展趋势和新课题。地理学报,1998,(3).水利论文f:c`Lup1S X0_5c

[2]方宗岱。对“高含沙水流长距离稳定输送条件的分析”一文的讨论。泥沙研究,1983,(4).

_} k/gA0

[3]齐璞等。黄河高含沙水流运动规律及应用前景。科学出版社,1993年。水利论文B!cuAm&?5d5xd

[4]齐璞等。黄河水沙变化与下游河道减淤措施。科学出版社,1997年。

B1n j:[*b0

[5]张仁,钱宁,蔡体录。高含沙水流长距离稳定输送条件的分析。泥沙研究,1982,(3).

H!F9C*B}4K0

[6]费祥俊。高含沙水流长距离输沙机理与应用。泥沙研究,1998,(3).

&T$e R"DMXv0

[7]梁志勇等。黄河下游引水引沙与河道冲淤关系研究。泥沙研究,1995,(3).水利论文f!h@'utN:[JEb

[8]人民引洛渠高含沙量浑水淤灌经验总结小组。人民引洛渠高含沙量浑水淤灌。黄河泥沙研究报告选编,第一集,上册。

7FJ(S&nq"CiVg*l0

[9]黄委会水利科学研究所。泾渭河水沙变化及发展趋势的初步分析。黄河泥沙研究报告选编,第一集,下册。

nV#kWHEyj9c5W0

[10]陕西省高含沙引水实验小组。引泾、引洛、宝鸡峡引渭灌区高含沙引水初步总结。黄河泥沙研究报告选编,第三集。

i)Xw5PSdu^;R0

 

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