水利工程論文-黃河三門峽庫區(qū)泥沙模型的設(shè)計(jì).doc

水利工程論文-黃河三門峽庫區(qū)泥沙模型的設(shè)計(jì)摘要：本文針對(duì)多沙水庫特點(diǎn)，首次采用黃河泥沙模型相似律和異重流運(yùn)動(dòng)相似條件的最新研究成果，完成了三門峽水庫泥沙動(dòng)床模型的模型沙選擇和比尺設(shè)計(jì)。利用水庫自然滯洪淤積及降水沖刷資料進(jìn)行的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，模型較好地復(fù)演了原型的水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律及河床變形。關(guān)鍵詞：三門峽水庫模型設(shè)計(jì)異重流1引言開展小浪底水庫運(yùn)用方式研究，需要通過物理模型這一重要手段進(jìn)行試驗(yàn)，為選擇水庫最優(yōu)運(yùn)用方式提供科學(xué)依據(jù)。由于小浪底水庫正在興建中，其模型不具備驗(yàn)證試驗(yàn)的條件，因此，我們選用位于小浪底水庫上游，水沙條件及河床邊界條件較為相近，且具有豐富觀測(cè)資料的三門峽水庫進(jìn)行驗(yàn)證。亦即通過三門峽庫區(qū)模型的驗(yàn)證試驗(yàn)，確定小浪底水庫模型的主要比尺。本文運(yùn)用黃河泥沙模型相似條件及異重流運(yùn)動(dòng)相似條件，開展了三門峽泥沙模型的設(shè)計(jì)。2模型相似條件開展黃河水庫模型設(shè)計(jì)，其相似條件除包括水流重力相似、水流阻力相似、泥沙懸移相似、水流挾沙相似、河床沖淤變形相似、泥沙起動(dòng)及揚(yáng)動(dòng)相似外，還要著重考慮異重流運(yùn)動(dòng)相似條件。對(duì)于泥沙沉速比尺、含沙量比尺s等基本比尺，按照黃河泥沙模型相似律1開展設(shè)計(jì)。而在考慮異重流運(yùn)動(dòng)相似方面，則需要根據(jù)筆者的最新研究成果2進(jìn)行計(jì)算，即應(yīng)滿足異重流發(fā)生(或潛入)相似條件Se=(k1-1)/sm-/smSp+k1s-/s(1)異重流挾沙相似條件Se=S*e(2)水流連續(xù)相似條件te=L/V(3)式(1)(3)中足標(biāo)“m”、“p”、“e”分別代表模型、原型及異重流有關(guān)值；s、為泥沙及水的容重；s為含沙量S的比尺；L為水平比尺；V為流速比尺；t為時(shí)間比尺。式(1)中k1為考慮渾水容重沿垂線分布不均勻性而引入的修正系數(shù)的比尺，修正系數(shù)k1的定義式為(4)在運(yùn)用式(4)時(shí)，尚需引入異重流含沙量分布公式。由于紊動(dòng)擴(kuò)散作用及重力作用仍是決定異重流挾沙運(yùn)動(dòng)的一對(duì)主要矛盾，其濃度沿水深的分布及挾沙能力規(guī)律與一般挾沙水流應(yīng)當(dāng)類似。因此，作為模型設(shè)計(jì)可引用張紅武的含沙量沿垂線分布公式1計(jì)算異重流含沙量沿垂線分布。為保證模型與原型水流流態(tài)相似，還許滿足渾水有效雷諾數(shù)Re*m8000(含沙量較小時(shí)，Re*m為一般雷諾數(shù)的4倍)及模型水深hm1.5cm的限制條件。3幾何比尺及模型沙選擇3.1幾何比尺確定從滿足試驗(yàn)精度要求出發(fā)，根據(jù)原型河床條件、hm1.5cm的要求及對(duì)模型幾何變率問題的前期研究結(jié)果，確定水平比尺L=300，垂直比尺H=45，幾何變率Dt=L/H=6.67。分別采用張紅武提出的變態(tài)模型相對(duì)保證率、竇國(guó)仁提出的模型變率限制條件及張瑞瑾等提出的模型變態(tài)指標(biāo)等表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算，表明本模型采用Dt=6.67，在各家公式所限制的變率范圍之內(nèi)，幾何變態(tài)的影響也有限，可以滿足工程實(shí)際需要。3.2模型沙選擇本次驗(yàn)證試驗(yàn)需要模擬原型庫區(qū)沖淤調(diào)整幅度較大的情況，即要保證淤積相似，又要保證沖刷相似，因此對(duì)模型沙的基本特性有更高的要求。經(jīng)驗(yàn)表明，有些種類的模型沙在潮濕的環(huán)境中固結(jié)嚴(yán)重，將使模型河床沖淤相似性明顯偏差(特別是影響沖刷過程的相似性)。清華大學(xué)水利水電工程系曾于1990年開展了500.038mm的電木粉起動(dòng)流速試驗(yàn)，結(jié)果為h=10cm時(shí)，初始條件下Vc=10.8cm/s；水下沉積兩天后，Vc增加到12cm/s；在水下沉積兩個(gè)月后，Vc=21cm/s；而脫水固結(jié)二周后，即使流速增至28cm/s,電木粉也不能起動(dòng)。由我們開展的鄭州熱電廠粉煤灰(s=20.58kN/m3,D50=0.035mm)及山西煤屑(s=14.7kN/m3,D50=0.05mm)兩種模型沙的起動(dòng)流速試驗(yàn)結(jié)果(圖1)看出，在相近水深條件下，山西煤屑的起動(dòng)流速隨著沉積時(shí)間增加有大幅度的增加。例如在水深同為4cm條件下，水下固結(jié)96小時(shí)后，起動(dòng)流速?gòu)某跏嫉?.95cm/s達(dá)到8.4cm/s,脫水固結(jié)96小時(shí)后可達(dá)13.1cm/s。而鄭州熱電廠粉煤灰的起動(dòng)流速雖然隨固結(jié)時(shí)間增加有所增大,但增大的幅度明顯較小。圖1不同模型沙起動(dòng)流速試驗(yàn)結(jié)果圖Resultsofthresholdvelocityfromdifferentmodelsands1、1初始；2、2水下固結(jié)48小時(shí)；3、3水下固結(jié)96小時(shí)；4煤屑脫水固結(jié)48小時(shí)；4煤灰脫水固結(jié)120小時(shí)；5煤屑脫水固結(jié)96小時(shí)；大量研究表明1，鄭州熱電廠粉煤灰的物理化學(xué)性能較為穩(wěn)定，同時(shí)還具備造價(jià)低、宜選配加工等優(yōu)點(diǎn)。因此選用鄭州熱電廠粉煤灰作為本動(dòng)床模型的模型沙。該模型沙土力學(xué)特性試驗(yàn)成果見表1。表1鄭州熱電廠粉煤灰(作為懸沙用)土力學(xué)特性試驗(yàn)成果表Testingresultsofsoilmechanicsforflyashes(usedassuspendedsediment)fromtheZhengzhouHeatandPowerPlant容重s(kN/m3)干容重0(t/m3)內(nèi)摩擦角()水下休止角()凝聚力(kg/cm2)20.580.6631.229.530.50.064模型比尺計(jì)算4.1流速及糙率比尺由水流重力相似條件求得流速比尺V=6.71，由此求得流量比尺Q=VHL=90585；取水力半徑比尺約等于水深比尺，即RH，由阻力相似條件求得糙率比尺n=0.73。對(duì)于黃河水庫庫區(qū)的模型，在回水變動(dòng)區(qū)河床糙率模擬的正確與否會(huì)直接影響到回水長(zhǎng)度及淤積分布。根據(jù)三門峽水庫北村斷面實(shí)測(cè)資料，其糙率值一般為0.0130.02，由此求得模型糙率應(yīng)為nm=0.01780.0274。為分析模型糙率是否滿足該設(shè)計(jì)值，利用文獻(xiàn)1中的公式及預(yù)備試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型糙率進(jìn)行分析，即(5)式中為卡門常數(shù)，為簡(jiǎn)便計(jì)取=0.4；若取原型水深為5m，則hm=5m/45=0.111m；為校正參數(shù)，對(duì)于床面較為粗糙的模型小河，取=1；hs為模型的沙波高度，根據(jù)預(yù)備試驗(yàn)hs=0.020.028m。由式(5)求得模型糙率值nm=0.0170.019，與設(shè)計(jì)值接近，初步說明所選模型沙在模型上段可以滿足河床阻力相似條件。至于庫區(qū)近壩段，其水面線主要受水庫運(yùn)用的影響，而河床糙率的影響相對(duì)不大。4.2懸沙沉速及粒徑比尺由三門峽庫區(qū)北村站、茅津站水文泥沙實(shí)測(cè)資料，可求得懸浮指標(biāo)/u*0.15，對(duì)于/u*0.15的細(xì)沙，其懸移相似條件可表示為1（6）將三門峽庫區(qū)測(cè)驗(yàn)資料及有關(guān)比尺代入式(6)，得出的變化幅度為1.201.44，平均約為1.34。由于原型及模型沙都很細(xì)，可采用滯流區(qū)公式計(jì)算沉速，由此可得到懸沙粒徑比尺關(guān)系式d=(/s-)1/2(7)式中為水流運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)比尺，該比尺與原型及模型水流溫度及含沙量大小等因素有關(guān)，若原型及模型兩者水溫的差異較大，可使有很大的變化幅度，進(jìn)而使d有較大的取值范圍。顯然，在模型設(shè)計(jì)時(shí)給d一定值是不合適的，合理的方法是在試驗(yàn)過程中根據(jù)原型與模型溫差等條件適當(dāng)調(diào)整d。4.3模型床沙粒徑黃科院的研究表明1，不同種類的模型沙，由于其容重、顆粒形狀等方面存在較大差異，尚不能直接由現(xiàn)有的泥沙起動(dòng)流速公式計(jì)算模型沙的起動(dòng)流速，而且這些公式用于天然河流(特別是黃河)，其計(jì)算結(jié)果也會(huì)偏小不少。正因如此，對(duì)于黃河沙質(zhì)河床的模型設(shè)計(jì)，不能直接采用泥沙起動(dòng)流速公式推求模型床沙的粒徑比尺，而不得不分別確定原型泥沙的起動(dòng)流速和模型沙的起動(dòng)流速，然后判斷兩者的比值(即Vc)是否滿足起動(dòng)和揚(yáng)動(dòng)相似條件。張紅武在開展黃河河道模型設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)羅國(guó)芳等收集的資料，點(diǎn)繪與三門峽庫區(qū)河床組成相近的泥沙不沖流速與床沙質(zhì)含沙量的關(guān)系曲線，并視該曲線含沙量等于零的流速為起動(dòng)流速，由此曲線得出h=12m時(shí)，Vc0.90m/s。在水庫淤積或沖刷過程中，床沙粒徑變幅較大。據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，床沙中徑變化幅度一般為0.0180.08mm。由土力學(xué)知識(shí)，泥沙中徑為0.060.08mm，可劃分為中壤土或輕壤土；中徑為0.0250.06mm，可劃歸為重壤土或中壤土一類。由文獻(xiàn)3查得當(dāng)水深為1m時(shí)，兩者起動(dòng)流速Vc分別約為0.7m/s及0.9m/s。在水深為2.2cm時(shí)的起動(dòng)流速為0.100.13m/s。通過模型沙起動(dòng)流速試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)中值粒徑D50=0.0180.035mm的鄭州熱電廠粉煤灰作為模型沙，相應(yīng)的起動(dòng)流速比尺與流速比尺相等。附帶指出，由我們初步點(diǎn)繪的鄭州熱電廠粉煤灰在水深為5cm時(shí)，起動(dòng)流速Vc與中徑D50的點(diǎn)群關(guān)系來看(圖2),在D50=0.0180.035mm的范圍內(nèi)，即使橫坐標(biāo)變化了近2倍，Vc的變化并沒有超出目前水槽起動(dòng)試驗(yàn)的觀測(cè)誤差。由此說明模型沙粗度即使與理論值有一些偏差，也不致于對(duì)泥沙起動(dòng)相似有大的影響。當(dāng)水深增加時(shí)，原型沙起動(dòng)流速將有所增加，由文獻(xiàn)3可知，一般情況下，不沖流速VB=Vc1h1/4,式中Vc1為h=1m時(shí)的不沖流速。根據(jù)我們及文獻(xiàn)1給出的鄭州熱電廠粉煤灰起動(dòng)試驗(yàn)資料，可得知在原型水深為120m的范圍內(nèi)，上述初選的模型沙可以滿足起動(dòng)相似條件。例如當(dāng)原型水深為12m時(shí)，由此求起動(dòng)流速為1.30m/s。由模型沙的起動(dòng)流速試驗(yàn)得出Vcm=17.5cm/s。則起動(dòng)流速比尺Vc=7.43，與上述接近。根據(jù)竇國(guó)仁及張紅武水槽試驗(yàn)結(jié)果1，與原型情況接近的天然沙的揚(yáng)動(dòng)流速一般為起動(dòng)流速的1.541.75倍。若取原型揚(yáng)動(dòng)流速Vf=1.65Vc，可求得原型水深為36m的床沙揚(yáng)動(dòng)流速fp=1.65(0.921.10)=1.521.82m/s。參閱文獻(xiàn)1資料，模型相應(yīng)的床沙揚(yáng)動(dòng)流速Vfm為0.230.27m/s，則相應(yīng)求出Vf=6.616.74，與接近，表明模型所選床沙可以近似滿足揚(yáng)動(dòng)相似條件。在多沙河流上修建水庫后，水庫上段及回水段必然出現(xiàn)再造床過程，并通過多因素的綜合調(diào)整，力求實(shí)現(xiàn)新的均衡形態(tài)。由三門峽庫區(qū)河床橫斷面變化過程可以看出，盡管三門峽建庫后的河床平面形態(tài)受兩岸的制約，但河床的調(diào)整變化仍具有沖積河流的特性。因此，對(duì)于多沙水庫模型，應(yīng)盡量兼顧河型相似條件。采用三門峽庫區(qū)北村及茅津站相當(dāng)于造床流量下的有關(guān)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析計(jì)算，求得的北村河段河床綜合穩(wěn)定指標(biāo)ZW值為圖2鄭州熱電廠粉煤灰起動(dòng)流速Vc與中徑D50關(guān)系(h=5cm)RlationshipbetweenthresholdvelocityVcofflyashesanditsmediandiameterD507.710.2，茅津河段ZW值為10.513.1，表明本河段處于游蕩及彎曲兩種河型之間的過渡型(據(jù)張紅武的研究，ZW5為游蕩型；ZW15為彎曲型；介于兩者之間為過渡型)。將上述所選模型沙中徑及其它相應(yīng)因子代入，所得模型ZWm值與原型值相近，因此本模型可以滿足河型相似條件。4.4含沙量比尺及時(shí)間比尺含沙量比尺可通過計(jì)算水流挾沙力比尺確定。采用文獻(xiàn)1提出的同時(shí)適用于原型沙及輕質(zhì)沙的水流挾沙力公式，即S*=2.5(0.0022+Sv)V3/(s-m/m)ghln(h/6D50)0.62(8)式中為卡門常數(shù)；m為渾水容重；s為泥沙在渾水中的沉速；V為流速；h為水深；D50為床沙中徑；Sv為以體積百分比表示的含沙量；為容重影響系數(shù)，可表示為=1.7/s-2.25(9)對(duì)于本次選用的模型沙s約為2.1t/m3，則=2.5。對(duì)原型沙，s=2.7t/m3，則=1。將北村、茅津、小浪底水文站測(cè)驗(yàn)資料及相應(yīng)的比尺值代入，可分別得到原型、模型水流挾沙力S*p及S*m。大量數(shù)據(jù)表明，兩者之比S*p/S*m變化幅度在1.521.94之間，一般為1.601.80，取其平均值，s約為1.70。另一方面，為在模型中較好地復(fù)演異重流的運(yùn)動(dòng)，含沙量比尺應(yīng)兼顧式(1)，將三門峽水庫異重流觀測(cè)資料代入，并把由此得到的1表達(dá)式與式(1)聯(lián)解，即可求出異重流含沙量比尺Se=1.451.92。在模型試驗(yàn)中，為保證異重流沿程淤積分布及異重流排沙特性與原型相似，還應(yīng)滿足異重流挾沙相似條件式(2)。與上述挾沙機(jī)理同理，可將異重流觀測(cè)資料代入張紅武水流挾沙力公式，計(jì)算原型及模型的異重流挾沙力，進(jìn)而確定S*=1.61.9，與式(1)得出的結(jié)果基本一致，并且與上述水流挾沙相似條件確定的s也較為接近，因此，選用s=se=1.7可同時(shí)滿足明渠水流及異重流挾沙相似條件，又能滿足異重流發(fā)生相似條件。我們?cè)诎咨乘畮炷Ｐ椭邪l(fā)現(xiàn)2，不遵循水流連續(xù)相似條件，將導(dǎo)致模型水庫蓄水過程嚴(yán)重失真，根本無法開展異重流運(yùn)動(dòng)和水庫泄水排沙的模擬觀測(cè)。對(duì)于本模型水流運(yùn)動(dòng)時(shí)間比尺t1=L/V=44.7。而河床沖淤變形時(shí)間比尺t2=0/st1，還與泥沙干容重比尺r0及含沙量比尺s有關(guān)。根據(jù)鄭州熱電廠粉煤灰進(jìn)行的沉積過程試驗(yàn)，測(cè)得模型沙初期干容量為0.66t/m3(50=0.0160.017mm)。至于原型淤積物干容重，通過三門峽庫區(qū)實(shí)測(cè)資料分析認(rèn)為，水庫下段初始淤積物干容重一般為1.01.22t/m3，可取1.15t/m3。由原型及模型沙干容重求得0=1.74，