淺析格田淤區(qū)均勻沉沙的控制條件

1、    淺析格田淤區(qū)均勻沉沙的控制條件            作者：曹文中孫東坡時(shí)間：2007-11-25 12:10:00                     摘要：本文對(duì)一些引黃放淤實(shí)際工程進(jìn)行了分析，論述了格田內(nèi)泥沙運(yùn)移沉積的特點(diǎn)

2、與影響沉淤效果的因素。同時(shí)根據(jù)格田區(qū)內(nèi)水沙運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和泥沙質(zhì)量守恒原理，探討了影響泥沙均勻落淤的格田流量、斷面尺寸和退水口水位的控制條件。  關(guān)鍵詞：格田區(qū) 均勻落淤 水流挾沙力  1 引言 黃河下游兩岸為了擴(kuò)大生產(chǎn)或進(jìn)行移民安置，都需要對(duì)灘區(qū)內(nèi)或堤岸外的沙荒地進(jìn)行土壤改良。采取的工程措施主要是利用黃河泥沙進(jìn)行放淤改土，并要求淤改厚度、落淤泥沙顆粒級(jí)配相對(duì)均勻，以滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)需求。近年來(lái)大面積、大規(guī)模的放淤改土工程正在開展，因此對(duì)淤區(qū)的沉沙規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)全面研究，使引入格田區(qū)的泥沙均勻淤積下來(lái)，這是放淤改土工程必須解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。 2

3、0;格田內(nèi)泥沙運(yùn)移沉積機(jī)理研究 通過(guò)明渠或管道將渾水引入格田進(jìn)行沉沙淤土?xí)r，格田區(qū)的水流與泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響淤積的范圍、組成和淤積厚度。格田區(qū)內(nèi)挾沙水流可視為恒定非均勻漸變流，而泥沙的超飽和輸移沉積特點(diǎn)與格田內(nèi)的水流狀態(tài)密切關(guān)聯(lián)。根據(jù)開封北郊和溫孟灘實(shí)際淤改資料的分析研究，得到如下認(rèn)識(shí)。 2.1 格田內(nèi)泥沙沉積特點(diǎn) 格田區(qū)水流屬邊界變化很大的動(dòng)床水流，進(jìn)入格田后便呈扇形擴(kuò)散，形成自由水流降水區(qū)；而下游則形成受退水口溢流堰控制的壅水區(qū)。 (1)初期扇形擴(kuò)散區(qū)的沉積特點(diǎn) 水流進(jìn)入格田后首先在進(jìn)口附近平面擴(kuò)散漫流，床面阻力增大使流速減緩，于是水流中的粗顆粒泥沙先行沉積，剩余較細(xì)顆粒

4、泥沙則隨水流向下輸移，隨水流流速減緩程度沿程分級(jí)沉降。 (2)中期壅水區(qū)的沉積特點(diǎn) 格田區(qū)內(nèi)泥沙的沉積推進(jìn)發(fā)展到后部壅水區(qū)段時(shí)，由于流速進(jìn)一步減緩，水流挾沙力下降，泥沙迅速落淤，形成一個(gè)不斷向下游延伸的扇形淤積體。 在自由水流段，主流帶床面淤積較多時(shí)，水流便向兩側(cè)灘地漫溢發(fā)展。漫溢水流在灘面上沖蝕成許多小串溝，隨著淤積過(guò)程的發(fā)展，這些串溝有的被淤塞，有的則繼續(xù)發(fā)育。當(dāng)主流帶床面比降減小到一定程度后，主流便改道，奪入處于最低灘面發(fā)展最快的串溝。在主流擺動(dòng)過(guò)程中，粗泥沙總在主流溝內(nèi)沉積，同時(shí)泥沙的分選沉積使灘面淤積層具有粗細(xì)交替夾層的特征。 自由段水流在擺動(dòng)改道后，床面變陡，水流則聚攏、

5、集中。該段挾沙能力的增大又使水流能將所挾泥沙帶到下部壅水段才沉積，形成新的扇形堆積體；而泥沙向下游的伸展淤積又將重新引發(fā)向上游的“回淤”?；赜侔l(fā)展到一定程度，主流又會(huì)發(fā)生擺動(dòng)改道，把扇形淤積體移到新位置。通過(guò)主流不斷擺動(dòng)改道，格田區(qū)內(nèi)的泥沙淤積便在縱橫向不斷延展、加厚，這就是格田內(nèi)泥沙輸移、沉積的基本特征。 2.2 格田尾水位對(duì)泥沙沉淤的影響  退水口的水位控制著格田區(qū)水面比降，它不但決定水流自由段與壅水段的范圍，同時(shí)也影響格田泥沙沉積的狀況。通過(guò)對(duì)格田進(jìn)流量給定時(shí)的實(shí)際觀測(cè)分析表明，格田尾水位控制較高時(shí)，壅水區(qū)段較長(zhǎng)，泥沙淤積多集中在上游，上、下游淤積不均勻一致；當(dāng)格田尾

6、水位控制較低時(shí)，淤積體向下游推進(jìn)迅速，這造成退水中仍有一定泥沙，由于水面比降大又引起上游“回淤”不足，淤積厚度往往難以達(dá)到要求。當(dāng)下游退水口出現(xiàn)渾水時(shí)，適當(dāng)抬高格田尾水位便可使挾沙水流上溯“回淤”。因此要想格田落淤均勻并達(dá)到設(shè)計(jì)要求，格田放淤控制的關(guān)鍵措施之一就是必須使格田尾水位在一個(gè)適宜的范圍內(nèi)不斷調(diào)整。3 泥沙均勻落淤控制條件的探討 在格田中控制泥沙均勻落淤，是提高淤改質(zhì)量的關(guān)鍵。這里筆者試圖從基本理論方面探討沉沙池均勻落淤的控制條件，并將其轉(zhuǎn)化為格田沉沙池進(jìn)出口的控制條件。設(shè)格田沉沙池的寬度為B，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，見圖1。另設(shè)沉沙池進(jìn)退水口門附近的水流擴(kuò)散和收縮區(qū)長(zhǎng)度L1，L2都很短，可忽略不計(jì)

7、。在沉沙池中水深h、泥沙沉速都是沿流程x變化的,如圖1所示。沉沙池中任一斷面的水深可表示為圖1 格田區(qū)平面與立面示意圖 h=h0+ix=h(x)(1)式中h0為進(jìn)水口門處的水深；x為該斷面距口門長(zhǎng)度；為水面坡度修正系數(shù)；i為沉沙池底坡。在沉沙池中，泥沙沉速可采用滯流區(qū)公式=（1/E）ag（d2 /）(2)式中  E為系數(shù)，一般取1824；a為泥沙浮容重系數(shù)；d為懸沙平均粒徑；為水流運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)。根據(jù)沉沙池中泥沙的沉積特點(diǎn)，粒徑沿程的變化規(guī)律一般可用兩種形式表示指數(shù)衰減規(guī)律d=die-kx(3) k=(1/L)ln(di/d0)(4) 線性衰減規(guī)律d=di

8、-(di-d0)/Lx(5)式中d、di 、d0分別為沉沙池中任一斷面、進(jìn)口斷面和出口斷面的懸沙平均粒徑。在引黃放淤工程的水力計(jì)算中，水流挾沙力應(yīng)采用適于黃河干、支流的公式，如S* =(KQ3/gB3.5)(1/h3.5)(6)在沉沙池中，水深、泥沙沉速的沿程變化率可表示成(7)  若泥沙粒徑采用線性衰減規(guī)律(8)考慮(7)、(8)兩式，則沉沙池中水流挾沙力的沿程變化率可以導(dǎo)出(9)式中iL為沉沙池進(jìn)出口斷面的池底高差，可計(jì)為Z=iL。由泥沙質(zhì)量守恒原理可以推得沉沙池中含沙量的沿程變化率為(10)式中dZ0為淤積厚度，dt為所取微分時(shí)段；x為微分流段長(zhǎng)度，s為進(jìn)出流段的泥沙含沙量差。

9、在格田沉沙池中，泥沙沿程均勻落淤應(yīng)滿足，于是便有 (11)設(shè)沉沙池的橫截面積為ABh，設(shè)計(jì)淤積厚度為Z0，淤積時(shí)間為T，便可推得滿足泥沙沿程均勻落淤的流量控制條件(12)對(duì)于給定設(shè)計(jì)沉沙池，上式右端括號(hào)中第一個(gè)分式中各因子均為給定值。在恒定流條件下流量沿程不變，因而要求右端括號(hào)內(nèi)第二個(gè)分式亦應(yīng)沿程不變，這就還必須滿足(13)在涉及沉沙池橫截面積沿程變化時(shí)，相對(duì)的沿程變化率很小，而Z僅是由設(shè)計(jì)沉沙池地形條件所決定。上式求導(dǎo)后忽略微小量便有進(jìn)一步整理可得4.5B2h(di -d0)-3.5dZ = 2(di-d0)A于是，沉沙池中的平均水深應(yīng)滿足 h=2.25(dZ)/(di-d0) (

10、14)上式就是滿足沉沙池沿程均勻落淤的格田水深控制條件。大量的實(shí)際淤區(qū)觀測(cè)資料也表明，在沉沙池平面尺寸及地形條件已定時(shí)，格田流量和水深是控制泥沙沿程均勻落淤的決定性條件。將流量和水深兩個(gè)控制條件結(jié)合起來(lái)，便得到流量形式的綜合控制條件(15)通常格田沉沙池退水口門都做成可調(diào)控水位的溢流堰，根據(jù)堰流公式(16)式中  m為堰流流量系數(shù)，b為單孔堰寬，H0為堰頂全水頭，n為退水口門個(gè)數(shù)。由(15)和(16)式便能確定滿足泥沙沿程均勻落淤要求的退水口溢流堰的堰頂水頭(17)由簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系，也可得出格田末端溢流堰的堰高h(yuǎn)=H0+P=h0+iL(18)則    &

11、#160;                           P=h0+iL-H0(19)4 結(jié)語(yǔ)1.通過(guò)對(duì)格田淤區(qū)泥沙沉積特點(diǎn)及過(guò)程實(shí)際觀測(cè)資料的整理分析與細(xì)致研究，可以得知格田區(qū)主流的擺動(dòng)引起落淤與回淤交替進(jìn)行，使格田床面淤積逐步向下游推移，落淤與回淤的交替進(jìn)行是格田沉沙的主要形式。由于格田尾水位直接影響泥沙的縱向落淤分布，因此控制格田均勻沉淤的關(guān)鍵之一就是選擇最優(yōu)格田尾水位。2.通過(guò)對(duì)格田區(qū)水流挾沙、沉積規(guī)律的理論研究，認(rèn)識(shí)到對(duì)于給定平面尺寸、坡降的沉沙池，要滿足沿程均勻落淤的要求，可以通過(guò)控制進(jìn)口流量、池中水深以及尾水堰的堰高、堰頂水頭來(lái)實(shí)現(xiàn)