懸移質(zhì)分選沉降及其在工程上-應(yīng)用

1、懸移質(zhì)分選沉降及其在工程上-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)報水庫淤積的形態(tài)及位置，渠系沉沙池（條渠）中有害泥沙的排除率。文中舉出了兩個工程應(yīng)用的例子，其中渦管排沙式沉

2、沙池已正式運(yùn)用了兩個汛期，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)，是與水流的紊動分不開的。流體紊動渦漩的大小和強(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

3、流進(jìn)入水庫或其他較大水體，也會產(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)象沿水流是個漸變過程，因此，出現(xiàn)懸移質(zhì)沉降的分選現(xiàn)象。水庫、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，在淤積過程中也會出現(xiàn)分選1。泥沙相對較細(xì)，紊動相對較強(qiáng)，則分選沉降的距離越長，而且越向下游，河床也會發(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?；螂s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

4、件下，泥沙的運(yùn)動可以達(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，下沉趨勢弱，因此更容易被紊動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

5、 = (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作用的相對關(guān)系。這里重力作用用沉速表達(dá)，紊動作用用阻力流速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，不計泥沙在運(yùn)動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，每組泥沙都有自己沿垂線分布曲線，則在每一相對水深上都可以計算出各粒徑組總的相對含沙濃度。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

6、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、湖泊或海洋，或者渠水進(jìn)入沉沙池，也都會發(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

7、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，在引水時便應(yīng)盡可能地引取表層清水；在處理泥沙時便應(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    2007-04-23        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

8、漸沉降下來，其沉降距離可按Li=(uh/I)計算，其中i為某粒徑組的沉速，為考慮紊動隨機(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度超過沉沙池長度，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。我們按以下方法計算中粗泥沙排出的比例。(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水深=y/h處的含沙量，S*i為第i粒徑組的垂線

9、平均含沙量，*i=y*/h為該處相對水深。因此(4)式中 J1、J2為兩個積分公式，其數(shù)值可從有關(guān)手冊查得，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，可求得絕對含沙量沿垂線的分布。然后計算出懸移質(zhì)沿垂線的分組輸沙率Siq。給出不同的=y/h值，根據(jù)流速分布公式可計算分流量q及分流比R= q/q。再用近似積分法計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)Zi>5，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 &

10、#160;  2007-04-23        Li=K(Uh/I)分別計算出這三組的沉降距離，得LA=20.8m，LB=32.6m、LC=64.2m。F組d<0.05mm，認(rèn)為不會沉降，不加處理，現(xiàn)只計算D、E二組的分流比和排沙比。計算結(jié)果列入表2。表1 懸移質(zhì)分組表分組號ABCDEF粒徑范圍(mm)1.51.01.00.50.50.250.250.10.10.05<0.05所占比例(%)312.532.53212.57.5    

11、0;  表2     2007-04-23        懸移質(zhì)渦管排沙的分流比和排沙比分流量分流比%排 沙 比 （%） EIqR=q/qqSD/qSDqSE/qSEqS/qS0.05 0.032q 3.2 37.05.526.40.100.072q7.255.812.440.60.150.115q11.565.616.749.60.200.161q16.172.825.356.5由表    2007-04-23&#

12、160;       2可見，任一相對水深的排沙比都大于相應(yīng)分流比，而且越?。丛浇咏祝?，相差倍數(shù)越大。同一下，粒徑越大，排沙比也越大。例如，當(dāng)=0.1時，分流比R=7.2%，D組泥沙排沙比ED=55.8%，E組泥沙的排沙比EE=12.4%。若A、B、C三組泥沙的排沙比定為100%，F(xiàn)組泥沙的排沙比為7.2%（同分流比），按加權(quán)法可計算出總的排沙比為：E=piEi=3×100%+12.5×100%+32.5×100%+32×55.8%+12.5×12.4%+7.5

13、5;7.2%=67.9(%) 總排沙比E=67.9%已不算小，而其中d>0.25mm的粗、中沙占了近50%，對灌溉渠道、水電站及工業(yè)用水都是十分有利的。由于水流的紊動作用，泥沙的運(yùn)動具有隨機(jī)性質(zhì)，分選沉降現(xiàn)象不可能像計算的那樣，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，為了減少庫容損失，已研究出了許多水庫排沙減

14、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。沒有沉降下來的泥沙，到達(dá)壩前后也會分選沉降，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

15、.0218 0.084 0.491#渦管出口0.08 0.20 1.102#渦管出口0.040.135    2007-04-23        0.475末端渠底0.0250.1290.245    4 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)計流速v=4.5m/s，汛期含沙量15kg/m3，最大含沙量可達(dá)10kg/m3，

16、泥沙粒徑d=0.0051.5mm，d50=0.15mm，電廠引水渠設(shè)計流量Q=25m3/s，b=5.0m，i=0.00482，m=2，渠道全長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150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54m，

17、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配粒徑(mm)小 于 某 粒 徑 的 沙 重 百 分 比 （%）0.005 0.010.0250.050.100.25    2007-04-23        0.501.0255.010.0d50上斷面3.78.813.319.739.682.398.0100    0.1281#號渦管  &

18、#160;0.13.039.585.695.897.899.21000.2702#號渦管   0.16.469.696.899.299.9100    2007-04-23         0.2213#號渦管   0.412.871.499.2100   0.2054#號渦管   0.210.174.098.8100   0.1805#號渦管   0.415.885.7100    0.1606#    2007-04-23        號渦管