水庫泄洪水含沙量與泄洪排沙洞泄流能力的關(guān)系,水文學論文

水庫泄洪水含沙量與泄洪排沙洞泄流能力的關(guān)系,水文學論文摘要：我們國家河流泥沙含量較高,十分是西北、華北地區(qū),泥沙淤積問題是工程規(guī)劃時需要考慮的重要問題。西北地區(qū)高含沙水流多數(shù)都能夠看成是賓漢體,其具有不同于一般水流的獨特現(xiàn)象。本文扼要介紹了高含沙水流流變特性研究成果,以亭口水庫為例,對其入庫高含沙水流流變特性進行研究,并通過模型試驗,比照一樣流量下不同含沙量時的庫水位壅高程度,進而對紊流情況下含沙量與泄流能力間關(guān)系進行初步討論。本文關(guān)鍵詞語：水庫淤積;賓漢流體;流變參數(shù);紊流;泄流能力;我們國家河流泥沙含量較高,七大江河的年輸沙量高達23億t,十分是西北、華北地區(qū)的一些河流,含沙量非常高,水庫淤積情況較重,高于世界各國平均水平。水庫的調(diào)水調(diào)沙主要決定于水庫的運用方式,不同的運用方式,對泥沙的處理方式方法是不一樣的,因而工程上采取不同形式的泄水建筑物,以使水庫具有相應的泄流能力。通常,水庫會設置泄洪排沙洞,選擇適宜的高程和泄流規(guī)模泄洪排沙,保證水庫的庫容。無論水庫采用哪種運用方式,水庫的淤積平衡趨向性都是一致的。黃河中下游流域產(chǎn)沙量大,經(jīng)常出現(xiàn)高含沙水流,高含沙水流呈現(xiàn)出與清水完全不同的特征,因而對入庫水流的研究對于水庫清淤排沙非常必要。挾沙水流與清水比,其粘性要大得多。對水流的紊動特性而言,泥沙的存在使得紊流旋渦尺寸減小,交換作用減弱,由紊流力學可知泥沙的存在導致的流體的動力粘滯系數(shù)發(fā)生改變,可利用含沙量與動力粘滯系數(shù)關(guān)系公式,進一步分析含沙量對建筑物泄流能力的影響。本文通過亭口水庫模型試驗對入庫高含沙水流特性進行研究,并對含沙量與泄洪排沙洞泄流能力之間關(guān)系進行初步討論,為水庫運行時泄洪排沙提供參考。1高含沙水流流變特性研究現(xiàn)在狀況1.1流變參數(shù)的研究渾水與清水的粘滯系數(shù)的比值與含沙量有關(guān),當含沙量大到一定程度,十分是含有一定數(shù)量的小于0.01mm的細顆粒時,不僅粘性系數(shù)迅速增大,流體的性質(zhì)也將從牛頓體轉(zhuǎn)化為非牛頓體[1,2]。流體切應力和切率間的變化規(guī)律稱為流變特性。高含沙水流為非牛頓流體,可近似的看成賓漢流體,賓漢流體流變方程見下式式中:B為賓漢極限切應力;為剛度系數(shù)。賓漢流體在受切應力時,首先要克制賓漢極限切應力,流體才能產(chǎn)生變形。對賓漢體特性起決定作用的是細顆粒泥沙的含量。顆粒越細,則賓漢極限切應力愈大;反之,顆粒越粗,則賓漢極限切應力愈小,以致不再具有賓漢體特征。高含沙水流中,水與固體顆粒之間存在的物理化學作用,是影響流體粘性的主導作用。影響流變參數(shù)的主要因素包括含沙量、粒徑級配、細顆粒含量、泥沙礦物成分、形狀、水質(zhì)、溫度水流紊動等,這些使得高濃度渾水的粘性變化非常復雜[3,4,5]。現(xiàn)有高含沙水流粘性的研究成果,多數(shù)從含沙濃度出發(fā),根據(jù)試驗結(jié)果,建立了粘性系數(shù)與賓漢極限切應力的經(jīng)歷體驗公式,這些經(jīng)歷體驗公式間互相差異較大,計算時需根據(jù)研究沙樣的特征的類似性進行公式的選取。另一方面,有學者試圖從理論研究,如絮凝原理等,引入泥沙級配等參數(shù)確定賓漢極限切應力計算公式[2,3,4,5,6,7,8]。還有學者提出利用極限濃度綜合反映各因素對高含沙水流賓漢極限切應力的影響,利用自由空隙濃度反映不同類型的含沙水流,也進一步研究了流變特性與水流紊動強度之間的關(guān)系,得到賓漢極限切應力隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律,給出相應的極限濃度和粘度計算公式,克制了流變試驗方式方法中的缺乏[9,10]。高含沙水流粘性系數(shù)影響因素多,賓漢極限剪切力的計算公式多為經(jīng)歷體驗公式,加強這方面研究將是對高含沙水流理論研究的很好補充和完善[8]。1.2水流阻力問題的提出泥沙顆粒的存在導致水流的動力黏滯系數(shù)發(fā)生改變,進而影響建筑物的流量系數(shù),分析討論高含沙水流對排沙洞泄流能力的影響,所牽涉到的主要問題是高含沙水流阻力規(guī)律的研究,近年來主要是通過室內(nèi)水槽及管道試驗進行。由于高含沙水流的本構(gòu)方程與清水明顯不同,因而不同水流邊界條件下其水流阻力也不同,而關(guān)于懸移質(zhì)對水流能量損失的影響認識尚不一致,現(xiàn)有的試驗成果也顯示出一定的分歧。當前,有學者采用了系列模型實驗法研究室內(nèi)小尺度模型試驗結(jié)果向原型大尺度推演的問題,以為高含沙水流阻力比尺是小于1的,即室內(nèi)小尺度模型所反映的水流阻力等參數(shù)比原型大。盡管高含沙水流的模型率問題沒有得到解決,但是利用模型試驗,通過對高含沙水流和清水泄流能力的差異進行討論,能夠為確定水庫汛期的控制水位以及利用洪水排沙減淤的機會提供科學指導。2亭口水庫大概情況2.1工程大概情況亭口水庫樞紐工程地處陜西省咸陽市長武縣境內(nèi)、彬長礦區(qū)中部、涇河一級支流黑河上,壩址位于黑河干流下游距河口2.0km處。工程開發(fā)以工業(yè)和城鎮(zhèn)生活供水為主,同時兼顧防洪和發(fā)電等綜合利用的水利工程,是解決彬長礦區(qū)生產(chǎn)、生活用水的重要水源工程之一。黑河起源于甘肅省華亭縣上關(guān),經(jīng)甘肅省華亭、崇信、涇川、靈臺等縣東流,在長武縣劉家河村進入陜西境內(nèi),于亭口鎮(zhèn)亭南村匯入涇河,流域面積4255km2,全長168km,河道平均比降2.9。2.2水文泥沙條件及水庫運行方式水庫多年平均入庫水量為2.4015億m3,多年平均入庫懸移質(zhì)輸沙量為1445.2萬t,多年平均流量為7.615m3/s,多年平均懸移質(zhì)含沙量為60.18kg/m3,水少沙多的矛盾較為突出。黑河水沙的年際分配極不均勻,就多年平均情況來看,上游來水含沙量S200kg/m3的天數(shù)為6.6天,相應入庫沙量為918萬t,占全年入庫沙量的63.5%,而相應入庫水量為2738.6萬m3,僅占總?cè)霂焖康?1.4%,水沙年內(nèi)詳細分配情況如以下圖所示。圖1多年平均入庫水沙量年內(nèi)分布水庫來水量主要集中在7~10月份,入庫沙量主要集中在汛期幾場洪水經(jīng)過中,處理好入庫含沙量較大的水沙是水庫調(diào)水調(diào)沙的關(guān)鍵。亭口水庫所屬流域黑河為黃河中游細沙來源區(qū),所在區(qū)域野外原型觀測及室內(nèi)實驗分析研究結(jié)果表示清楚,粒徑小于0.01mm的泥沙含量隨懸移質(zhì)含沙量的增加而增加,細顆粒含量與懸移質(zhì)含沙量的關(guān)系可表示為華而不實:S0.01為粒徑小于0.01mm泥沙的含量;S為含沙水流懸移質(zhì)含沙量,kg/m3。亭口水庫制定運行方式的基本原則是在確保大壩防洪安全的前提下,充分利用黑河水資源,最大限度地知足生態(tài)需水及工業(yè)城鎮(zhèn)供水需要,并盡量減輕水庫淤積,保持水庫的長期有效庫容,使水庫能長期發(fā)揮效益。2.3水庫所在流域高含沙水流流變參數(shù)的測定初步分析以為亭口水庫排沙洞常遇的高含沙水流具有泥沙粒徑細,粘性顆粒含量高等特點。由于入庫懸沙粒徑較細,經(jīng)過沿程分選后,無論是異重流,明流或是渾水水庫排沙,進入排沙洞的高含沙水流中泥沙顆粒的上限粒徑不超過0.018mm,常遇工況時排沙洞含沙量下限按80kg/m3考慮。為研究亭口水庫排沙洞下泄水流的流變特性,根據(jù)亭口水庫所在流域高含沙水流的沙樣特征,同時考慮到含沙水流中粘性顆粒含量的差異不同,結(jié)合公式(2)配置了三種沙樣,以測定在不同含沙濃度下水流的流變參數(shù),試驗成果如下表所示。由試驗測定結(jié)果可知:各組沙樣均可觀測到極限切應力項,即測試濃度范圍內(nèi)水流為典型的非牛頓賓漢流體。表1表亭口水庫排沙洞常遇高含沙水流流變參數(shù)3試驗設計及成果分析3.1試驗觀測方式方法的設計由于高含沙水流模型類似率的局限,當前尚無法由常規(guī)水工模型試驗方式方法的觀測數(shù)據(jù)推演到原型,本文擬通過小尺度模型試驗,并參考高含沙水流現(xiàn)有研究成果,對含沙量和泄流能力間關(guān)系做初步分析。模型試驗比尺為1:50,比照一樣流量下不同含沙量時的庫水位壅高程度,反映高濃度含沙量對泄流能力的影響。試驗采用上游渠道量水、前池加沙,排沙洞出口觀測濃度的辦法進行經(jīng)過控制。3.2試驗工況及觀測結(jié)果在排沙洞閘門全開的情況下,試驗設計了六組不同的下泄流量,每個流量對應下泄三種不同含沙量的水流。通過對不同含沙量時水庫水位壅高情況的觀測,將其與相應流量下清水試驗庫水位進行比照,再根據(jù)清水試驗相應的水位流量關(guān)系曲線,進而得出統(tǒng)一模型尺度下含沙量對泄流能力的相對影響程度。在現(xiàn)有研究的基礎上,評估在原型工程應用時高含沙水流對泄流能力的影響。將試驗觀測結(jié)果換算成原型后,流量、含沙量及庫水位壅高情況如以下圖所示:圖2流量、含沙量及庫水位壅高值對應關(guān)系圖由上圖可知:與清水試驗相比,當水庫下泄高含沙水流時庫水位均為壅高,各種工況時水位壅高值模型測針讀數(shù)均在03mm之間,對應原型相當于水位壅高012cm之間,不同流量間及一樣流量不同含沙量之間無明顯規(guī)律性。本次試驗采取上游量水,由于渾水實驗中前池庫底薄層泥沙淤積所引起的體積變化,對水位有正向偏差,考慮了此項修正后,水位的實際壅高值還應比此范圍小。按圖1觀測結(jié)果并參照清水試驗推薦方案弧門全開時的水位流量關(guān)系曲線,推算后表示清楚上述水位壅高值相當于泄流能力減少03%,在天然河流或室內(nèi)水槽試驗中,當水流含沙量很大,即便上游來流量不變,河段水位也會出現(xiàn)周期性的起伏變化,再加上試驗觀測手段的誤差影響,能夠以為高含沙量對排沙洞泄流能力的影響能夠忽略不計。4結(jié)論(1)對三種沙樣不同含沙濃度時流變參數(shù)進行測定,各組沙樣均可觀測到極限切應力項,即測試濃度范圍內(nèi)水流為典型非牛頓賓漢流體,可用現(xiàn)有的賓漢流體相關(guān)理論進行分析討論。(2)室內(nèi)小尺度模型試驗結(jié)果向原型推演時,高含沙水流的阻力比尺是小于1的,即模型試驗中水流阻力等參數(shù)大于原型。(3)本次試驗中,由于含沙量變化產(chǎn)生的庫水位壅高值相當于泄流能力減小,考慮到試驗觀測手段、縮尺效應及高含沙水流的周期變化,則實際工程中含沙量對泄流能力的影響可忽略不計。固然高含沙量對泄流能力影響有限,但通過對亭口水庫庫區(qū)高含沙水流挾沙特性進行研究,科學調(diào)控洪水,對于水庫清淤排沙有著重要意義。以下為參考文獻：[1]錢寧.高含沙水流運動的幾個問題.人民黃河,1981(04):1-9.[2]唐存本.含沙水流的賓漢極限應力的計算公式.泥沙研究,1981,2:60-65.[3]費祥俊.高濃度渾水的粘滯系數(shù)(剛度系數(shù)).水利學報,1982,03:57-63.[4]費祥俊,朱程清.高含沙水流運動中的賓漢切應力.泥沙研究,1991,(4):13-23.[5]陳立.高含沙水流流變參數(shù)的試驗研究.武漢水利電力學院學報,1992,25(4).[6]錢寧,萬兆惠.高含沙水流運動研究述評.水利學報,1985,5:27-34.[7]田治宗,錢意穎,程秀