水利工程論文-懸移質(zhì)分選沉降及其在工程上的應(yīng)用.doc

水利工程論文-懸移質(zhì)分選沉降及其在工程上的應(yīng)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(dòng)混摻的雙重作用，懸移質(zhì)沿垂線的分布呈上稀下濃、上細(xì)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(xì)的泥沙仍隨水流懸浮前進(jìn)。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(yù)報(bào)水庫(kù)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(gè)工程應(yīng)用的例子，其中渦管排沙式沉沙池已正式運(yùn)用了兩個(gè)汛期，排沙效果良好。關(guān)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(jìn)，是與水流的紊動(dòng)分不開的。流體紊動(dòng)渦漩的大小和強(qiáng)度與懸移質(zhì)含沙量的多少有非常密切的關(guān)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(xì)顆粒的泥沙。水流中的紊動(dòng)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(qiáng)度的增加或減小，產(chǎn)生河床的沖刷或淤積。含沙水流進(jìn)入水庫(kù)或其他較大水體，也會(huì)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(xì)的顆粒仍保持懸浮狀態(tài)繼續(xù)隨水流前進(jìn)。這種現(xiàn)象沿水流是個(gè)漸變過程，因此，出現(xiàn)懸移質(zhì)沉降的分選現(xiàn)象。水庫(kù)、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(zhǔn)均勻流條件下，粗細(xì)不同的泥沙顆粒，在淤積過程中也會(huì)出現(xiàn)分選1。泥沙相對(duì)較細(xì)，紊動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)，則分選沉降的距離越長(zhǎng)，而且越向下游，河床也會(huì)發(fā)生細(xì)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(jìn)行水力選礦，也可以利用風(fēng)力，把不飽滿的糧食籽粒或雜質(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(yùn)動(dòng)可以達(dá)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(dá)到某種均衡狀態(tài)，稱為平衡輸沙。但這只是一種暫時(shí)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(huì)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(shì)弱，因此更容易被紊動(dòng)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(yùn)動(dòng)的擴(kuò)散理論導(dǎo)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(diǎn)上的含沙量，Z=/u*稱為懸浮指標(biāo)，它實(shí)質(zhì)上代表重力作用與水流紊動(dòng)作用的相對(duì)關(guān)系。這里重力作用用沉速表達(dá)，紊動(dòng)作用用阻力流速u*表達(dá)，為卡門常數(shù)。懸浮指標(biāo)Z越大，表示重力作用越強(qiáng)，含沙量沿垂線分布越不均勻。反之，懸浮指標(biāo)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(jì)泥沙在運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，每組泥沙都有自己沿垂線分布曲線，則在每一相對(duì)水深上都可以計(jì)算出各粒徑組總的相對(duì)含沙濃度。不僅底層水流的含沙量遠(yuǎn)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(rèn)識(shí)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(dòng)強(qiáng)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(dá)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(huì)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(jìn)入水庫(kù)、湖泊或海洋，或者渠水進(jìn)入沉沙池，也都會(huì)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(xì)下粗，在引水時(shí)便應(yīng)盡可能地引取表層清水；在處理泥沙時(shí)便應(yīng)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(shè)有排沙底孔，排沙隧洞的進(jìn)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(yīng)用泥沙分選沉降規(guī)律計(jì)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(jìn)入沉沙池后逐漸沉降下來，其沉降距離可按Li=(uh/I)計(jì)算，其中i為某粒徑組的沉速，為考慮紊動(dòng)隨機(jī)性的安全系數(shù)，可取1.21.5，如果Li小于沉沙池的長(zhǎng)度，該粒徑組都將沉降在沉沙池內(nèi)。第二部分是中等粗細(xì)的泥沙，這部分泥沙的沉降長(zhǎng)度超過沉沙池長(zhǎng)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(rèn)為分界流線以下的高含沙水流都進(jìn)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(xì)沙，可認(rèn)為不在沉沙池中沉降。我們按以下方法計(jì)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(diǎn)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(cè)定，因此很難確定絕對(duì)含沙量的沿垂線分布。從解決實(shí)際問題出發(fā)，可以選取其他位置作參考點(diǎn)。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(biāo)i的表示第i粒徑組，Si即為該粒徑組在相對(duì)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(duì)水深。因此(3)采用對(duì)數(shù)型流速分布關(guān)系，謝鑒衡通過近似積分法求得(4)式中J1、J2為兩個(gè)積分公式，其數(shù)值可從有關(guān)手冊(cè)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(biāo)。利用（4）式及J1、J2數(shù)值表，可求得絕對(duì)含沙量沿垂線的分布。然后計(jì)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(jì)算分流量q及分流比R=q/q。再用近似積分法計(jì)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(biāo)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(yuǎn)處也將沉降，按Li=K(Uh/I)分別計(jì)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(rèn)為不會(huì)沉降，不加處理，現(xiàn)只計(jì)算D、E二組的分流比和排沙比。計(jì)算結(jié)果列入表2。表1懸移質(zhì)分組表分組號(hào)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(duì)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(dòng)作用，泥沙的運(yùn)動(dòng)具有隨機(jī)性質(zhì)，分選沉降現(xiàn)象不可能像計(jì)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(jì)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(kuò)大渠段斷面，減小流速，以利泥沙沉降。水庫(kù)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(kù)容損失，已研究出了許多水庫(kù)排沙減淤的有效方法4，其中在汛期實(shí)行低水位運(yùn)用，定出汛限水位，使入庫(kù)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(kù)。沒有沉降下來的泥沙，到達(dá)壩前后也會(huì)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(kù)外，減少淤積。水電站的進(jìn)水口布置在大壩的較高處，將排沙孔設(shè)在進(jìn)水口的下邊，排除進(jìn)口附近的泥沙，保持進(jìn)水口的門前清。引黃渠系中泥沙顆粒很細(xì)，分選沉降距離很遠(yuǎn)，在灌區(qū)設(shè)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(yàn)結(jié)果取樣地點(diǎn)泥沙粒徑（mm）d10d50d90進(jìn)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(yīng)用實(shí)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(yàn)?zāi)郴鹆Πl(fā)電廠冷卻用水從東岸大渠引水，東岸大渠為襯砌渠道?？v坡i=0.81.2%，設(shè)計(jì)流速v=4.5m/s，汛期含沙量15kg/m3，最大含沙量可達(dá)10kg/m3，泥沙粒徑d=0.0051.5mm，d50=0.15mm，電廠引水渠設(shè)計(jì)流量Q=25m3/s，b=5.0m，i=0.00482，m=2，渠道全長(zhǎng)530m。由于引水渠經(jīng)常處于壅水運(yùn)用狀態(tài)，泥沙淤積嚴(yán)重。為解決此問題，進(jìn)行了水力模型試驗(yàn)。模型比尺120。根據(jù)懸移質(zhì)沿程分選原理，在離進(jìn)水口8.4m及15.8m處各布置一道排沙渦管，在進(jìn)口處加沙。在兩渦管出口及尾門處渠底（距進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jí)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(kuò)大了的梯形斷面渠道，長(zhǎng)54m，在池底分設(shè)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(cè)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(jí)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(hào)渦管0.13.039.585.695.897.899.21000.2702#號(hào)渦管0.16.469.696.899.299.91000.2213#號(hào)渦管0.412.871.499.21000.2054#號(hào)渦管0.210.174.098.81000.1805#號(hào)渦管0.415.885.71000.1606#號(hào)渦管1.0270694.31000.1