水利工程論文-用鹽水減少異重流泥沙淤積的試驗研究.doc

水利工程論文-用鹽水減少異重流泥沙淤積的試驗研究摘要：異重流是自然界一種常見的現(xiàn)象，異重流淤積對許多工程都是需要解決的問題，如三峽永久船閘的上、下游引航道在三峽工程運行約30年后將出現(xiàn)較多的淤積。根據(jù)試驗資料，下引航道每年淤積量在16.563.5萬立方米之間，如遇大水大沙年淤積量還更大。特別是對下游引航道中“盲腸”段的淤積，估計以使用小型挖泥船清淤較為適宜。但對于象三峽船閘這樣重要的建筑物，也應(yīng)考慮一些其他清淤或減淤的備用方法，以便在某些意外情況出現(xiàn)時可供考慮使用。這些意外情況包括挖泥作業(yè)礙航或由于回淤迅速挖泥不夠有效等。因引航道的泥沙淤積主要系由異重流入侵引起，所以設(shè)想采用在盲腸段內(nèi)加鹽，使盲腸段內(nèi)水密度增加的辦法，以減少泥沙異重流對盲腸段的入侵，從而減少淤積。本試驗研究即以減少引航道盲腸區(qū)異重流淤積為背景，進行水槽試驗研究。初步試驗表明用鹽水減少泥沙異重流入侵的效果是顯著的。同時鹽水和泥沙異重流渾水接觸后促進其中細泥沙的絮凝而加速沉淀。這有利于減弱異重流。通過試驗研究得出了異重流運動的一些規(guī)律，本研究成果對其它“盲腸”河段的異重流防治也有參考價值。關(guān)鍵詞：三峽引航道異重流鹽水減淤1渾水和鹽水的比重和加鹽量的計算根據(jù)泥沙模型試驗，三峽水庫壩前水位為145m時，水庫不同運用年限的壩區(qū)水流含沙量和中值粒徑如下。表1壩區(qū)水流含沙量和中值粒徑PredictedsiltcontentandmedianparticlesizeintheThree-GorgesReservoir運用年限含沙量(kg/m3)中值粒徑(mm)d0.05(mm)%渾水平均比重261.551.520.012121.0009462.722.820.02070.0211211.0017664.074.100.02800.0287291.0025所以水庫運用約30年后，壩區(qū)渾水含沙量可假定在3kg/m3左右。相應(yīng)的渾水比重為1.002。泥沙的中徑d50=0.03mm，與長江天然泥沙相近，重率=2.65，含沙渾水的重率可用公式計算+(1-/s)S式中、s分別是水和沙的密度，S為含沙量(kg/m3)。食鹽(NaCl)能溶于水，且不引起水體積的變化，故鹽水的重率為鹽+S鹽式中S鹽即單位體積的食鹽量，單位為：kg/m3。按照重率相等的原則，可以得出對應(yīng)于某一含沙量的鹽水含鹽量應(yīng)為S鹽=(1-/s)S考慮不同溫度下水的密度變化，計算含鹽量如表2所示。表2重率相同條件下，不同含沙量對應(yīng)的含鹽量值Saltcontentcorrespondingtovarioussiltcontentforthesamedensity含沙量S(kg/m3)水溫清水密度0(kg/m3)1.03.05.00999.90.62271.86803.113451000.00.62271.86783.113210999.70.62271.86833.113815999.10.62301.86893.114920998.20.62331.87003.1166*表中含鹽量單位為kg/m3。由于鹽溶液不因加鹽而改變體積，含鹽量每增加(1-1/2.65)=0.623g/kg，其比重的增加即等于渾水含沙量增加1kg/m3所造成的比重增加。由此，加鹽量是比較小的。2試驗研究2.1試驗條件試驗是在一個有機玻璃水槽中進行的(圖1)，水槽中部設(shè)一個閘門，兩邊分別是清水和含有一定泥沙的渾水，待渾水中泥沙攪拌均勻后提起閘門，觀察異重流形成和運動的過程。然后在清水一側(cè)加入不同濃度的食鹽(NaCl)，重復(fù)上述試驗過程，觀測清水中加鹽后比重變化對異重流形成和運動的影響。試驗選用了d50=0.03mm的非均勻沙，分別進行了含沙量為：1kg/m3、3kg/m3和5kg/m3的試驗，試驗水深分別為H=22cm、18cm、和14cm三種，試驗用天然泥沙級配見表3，與長江天然泥沙十分相近。表3泥沙級配SedimentparticlesizedistributionD(mm)0.00050.0010.0050.010.020.050.10.1540.28%10.3414.3126.531.8541.563.792.096.098.12.2試驗現(xiàn)象描述(1)一側(cè)清水一側(cè)渾水條件下，試驗開始前狀態(tài)如圖2所示，當(dāng)中部閘門提起后，異重流現(xiàn)象明顯地發(fā)生了，見圖3。(2)在清水一側(cè)加入適量鹽，使鹽水比重與渾水比重相同，再提起閘門，可以觀察到鹽水和渾水交界面上因提閘門時對水體的擾動略有混摻，但不會產(chǎn)生異重流，見圖4。圖1異重流試驗裝置示意圖(圖中尺寸單位：cm)Experimentalsetupfordensitycurrent一般約持續(xù)45秒鐘之后，由于渾水一側(cè)部分泥沙沉降了，渾水比重變輕，鹽水從底部緩慢潛入渾水，形成鹽水異重流，同時渾水從表層進入鹽水上面，而且鹽水墊與渾水界限分明，表層渾水無明顯落淤，這樣的狀態(tài)在試驗中觀察了半個小時亦無明顯變化。(3)為研究因加鹽量偏少、即鹽水比重小于渾水比重時的現(xiàn)象，試驗中使鹽水一側(cè)應(yīng)加入的食鹽量減少20%時，提起閘門后，渾水會從底部潛入鹽水，形成異重流，但流速比在清水中慢許多，而且異重流頭部前進24cm以后，便停下來不再前進，相持一段時間后，由于渾水中部分泥沙沉降，比重減輕，侵入的渾水在鹽水頂推下又退回來，此后又是鹽水入潛渾水，且在鹽水一側(cè)看得見在渾水異重流入侵過的24cm范圍內(nèi)有一層很薄的泥沙沉積。2.3試驗成果分析異重流發(fā)生的現(xiàn)象如圖5所示，由試驗資料(表4)可對異重流運動的規(guī)律作一些粗淺的分析。從表4可以看出，當(dāng)鹽水與渾水比重相同或略有偏小時(加鹽量減小10%以內(nèi))，試驗中均未觀測到異重流明顯形成的現(xiàn)象，只有當(dāng)加鹽量偏小20%以上時，才會有異重流緩慢發(fā)生，但運動速度已明顯減慢了。下面根據(jù)試驗資料分析一下異重流厚度h，異重流運動速度與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系。圖2試驗開始前狀態(tài)圖3異重流現(xiàn)象TestreadytostartDensitycurrentinaflume圖4鹽水防止異重流入侵Densitycurrentstoppedbysaltwater圖5異重流運動示意圖Schematicdiagramofthedensitycurrent表4鹽水防止異重流入侵試驗組次及成果Summaryoftestrunsandresults相應(yīng)于渾渾水含沙量（kg/m3）水深水含沙量H(cm)(kg/m3)1(=999.72)3(=1000.97)5(=1002.22)h(cm)v(cm/s)h(cm)v(cm/s)h(cm)v(cm/s)1清水(=999.10)11.41.6加鹽90%(=999.66)00清水(=999.10)10.02.5222加鹽100%(=1000.35)00加鹽90%(=1000.22)00加鹽80%(=1000.20)100.63清水(=999.10)10.53.5加鹽100%(=1000.97)00181清水(=999.10)92.5加鹽100%(=999.72)00清水(=999.10)6.52.3加鹽100%(=1000.97)00143加鹽90%(=1000.78)00加鹽80%(01.95=1000.60)(1)異重流的厚度試驗表明異重流的厚度h主要與總水深H有關(guān)，如圖6所示。由圖6可見h與H成正比：h=k1H式中K1=0.48。根據(jù)武漢水院統(tǒng)計的水槽試驗資料K1=0.540.63；據(jù)青山運河野外觀測資料K1=0.68，根據(jù)長江某“盲腸”河段野外觀測資料K1=0.50，與本試驗資料最接近。(2)異重流的速度異重流速度v的表達式可從能量方程導(dǎo)出H=(H-h)+h+v2/2g+v2/2g故式中為局部阻力損失系數(shù)，將h=K1H代入上式，簡化后可得v=K2，設(shè)v*=，則可將v與v*關(guān)系列表5及圖7。圖6異重流深度h與總水深H的關(guān)系RelationshipbetweendensitycurrentdepthhandtotaldepthH圖7異重流的速度與剪切流速的關(guān)系Relationshipbetweenvelocityofdensitycurrentandshearvelocity表5v與v*關(guān)系計算單位(cm/s)Calculated