周 磊,安瑞冬,譚升魁,李 嘉

(四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室,四川成都 610065)

天然河道的水流特性會因巨型水庫的修建而改變,致使水庫內(nèi)水深增加,流速減緩。汛期暴雨沖刷河道兩岸,挾帶大量泥沙形成渾水入庫,在一定的條件下渾水會潛入水庫底部形成異重流。若上游降雨歷時較短,產(chǎn)匯流迅速減少,入庫流量降低,形成的異重流將在入庫洪峰過后失去后續(xù)渾水補充,異重流運動逐漸減弱甚至消失,在庫區(qū)內(nèi)產(chǎn)生淤積,這將導致水庫綜合效益降低、水庫壽命縮短。在我國南方河流中,異重流淤積的現(xiàn)象時有發(fā)生,如武漢青山運河、筑圍堰斷流后的長江宜昌三江、廣西西津船閘引航道等[1]。隨著金沙江水電梯級開發(fā)的推進,在比降較大、河谷深切、汛期入庫含沙量較高的西南山區(qū)河流也極易發(fā)生異重流并導致水庫淤積,所形成的水庫異重流在失去后續(xù)渾水補給后的運動規(guī)律對水庫排沙減淤措施有重大影響。因此,研究失去后續(xù)渾水補充的異重流運動特性有助于認識并減少水庫淤積。本文基于異重流的挾沙力公式分析了水庫異重流產(chǎn)生淤積的原因。

為了研究異重流,國內(nèi)外的學者們做了許多水槽試驗。Savage等[2]通過水槽試驗得到潛入點附近Fr2的范圍為0.09～0.64;Simpson[3]對動水條件下的底層鹽水異重流進行研究,指出動水中逆水異重流運動速度的減小值約為環(huán)境水體流速的60%;Parker等[4]在底部鋪有和異重流同樣泥沙的水槽中進行試驗,驗證了動量方程中縱向運動速度的修正系數(shù);Alexander等[5]利用玻璃水槽,通過改變?nèi)肓髁髁亢退燮露冗M行異重流試驗,得到異重流前鋒厚度與坡度、流量、粒徑及含沙量的關(guān)系;范家驊[6-7]對沉淀池中的異重流和槽寬突變時渾水異重流的局部摻混進行了試驗研究;程桂福[8]針對不同水流條件下的異重流進行了大量試驗,分析了異重流運動速度和環(huán)境水流流速的關(guān)系;陳稚聰?shù)萚9]用鹽水和含沙量為1～4kg/m3的渾水進行水槽試驗,發(fā)現(xiàn)鹽水減少異重流入侵的效果是顯著的?？偟膩碚f,以往的異重流水槽試驗通常在來流有持續(xù)補給的條件下進行,對失去補給條件的異重流的運動研究很少。為此,本文通過水槽試驗,對失去后續(xù)渾水補給的異重流前鋒運動規(guī)律進行初步探討。

1 水庫異重流淤積成因分析

如圖1所示,挾沙水流進入水庫壅水段后,由于水深增加,流速減緩,渾水中較粗的泥沙顆粒不斷落淤,較細的顆粒則保持懸浮狀態(tài),形成三角洲淤積。到達A點后,表層水流撇清,形成明顯的清渾水交界面,渾水挾帶懸浮顆粒潛入水庫底部,形成異重流。異重流沿庫底向前運動,并帶動交界面上的清水同向而行,由于水量平衡而在水庫清水區(qū)形成環(huán)流,使大量漂浮物向潛入點聚集。運動過程中需排出水庫中一部分清水,異重流頭部受到較大的阻力,因此前鋒厚度比后續(xù)穩(wěn)定潛流的厚度略大。

圖1 水庫異重流示意圖

水庫異重流引發(fā)的淤積已在實際工程中得到證實[1]。在一定速度下的異重流挾沙能力決定了其中泥沙的沉淀量,而水庫的淤積可以看成是水流挾沙能力或運動速度很小時超飽和輸沙的特例。因此,分析水庫異重流的淤積成因,應分析影響異重流挾沙力的各因素。韓其為[10]得到了異重流為二維定常均勻流運動時的挾沙力公式:

對各系數(shù)近似取值后得到:

式中:K為挾沙能力系數(shù);ηg為重力修正系數(shù);q為異重流單寬流量;J為坡度;λ為異重流阻力系數(shù);h為異重流厚度;ω為泥沙顆粒沉速;m為挾沙能力指數(shù);S為異重流含沙量。

由此可見,低含沙異重流的挾沙能力S′m通常較小,易造成水庫淤積。4種常見的水庫異重流淤積類型如下:

a.在有持續(xù)后續(xù)渾水補給的情況下,水庫異重流運動到壩前并排出水庫,但在庫區(qū)產(chǎn)生沿程淤積。由式(2)可以看出,在一般條件下異重流的挾沙能力遠小于其含沙量,屬于超飽和輸沙。異重流在運動過程中經(jīng)過粗沙和細沙的分選沉降,所挾帶的懸沙顆粒細、沉速低,使得水庫異重流產(chǎn)生均勻的沿程淤積。

b.在有持續(xù)后續(xù)渾水補給的情況下,水庫異重流運動到壩前,但泄流建筑物并沒有及時開啟,導致壩前淤積。異重流運行至壩前因擋水建筑物阻滯而爬高,底部含沙量持續(xù)增大,動能轉(zhuǎn)化為勢能,在壩前形成淤積,且淤積體的粒徑下粗上細。這是因為式(2)中q減小,h增大,使得異重流挾沙能力很小,造成泥沙在壩前淤積。

c.在有持續(xù)后續(xù)渾水補給的情況下,水庫異重流沿程所受阻力過大,沒有運動到壩前而就地淤積。異重流在庫底運動時受到交界面與河床的阻力,前鋒不斷克服阻力做功,動能轉(zhuǎn)化為勢能和熱能。從式(1)和式(2)可以看出,異重流阻力系數(shù)和庫區(qū)坡降會影響異重流的挾沙能力。當異重流經(jīng)過彎道、突擴突縮斷面及匯口處時,阻力系數(shù)將增大。另外,庫區(qū)部分區(qū)段的坡降較小,使得挾沙能力降低,異重流不能運動到壩前,造成就地淤積。

d.水庫異重流形成后,途中失去后續(xù)渾水補給而不能運動到壩前,產(chǎn)生就地淤積。西南山區(qū)某些河流上游經(jīng)歷短時強降雨后,暴雨沖刷河道兩岸形成渾水入庫,并以異重流的形式在庫底運動。由于降雨歷時短,運動中的異重流將迅速失去后續(xù)渾水補給,使得動能和單寬流量減小,挾沙能力降低。隨著清渾水的不斷摻混和泥沙的沉降,清渾水的密度差越來越小,異重流的運動速度減緩,甚至停滯,造成水庫淤積。

上述4種常見的水庫異重流淤積類型均與其挾沙能力密切相關(guān)。由異重流的挾沙能力公式可以看出,異重流高程度的超飽和輸沙和沿程流量損失是造成水庫異重流淤積的關(guān)鍵性因素。

2 前鋒運動規(guī)律試驗

水庫異重流引發(fā)的淤積與異重流的挾沙能力密切相關(guān),而異重流的前鋒厚度與速度決定了異重流的單寬流量,從而影響挾沙力。然而,現(xiàn)有的數(shù)值模擬技術(shù)還存在很多缺陷,原型觀測也難以跟蹤異重流的前鋒運動情況[11]。為研究異重流因沿程流量損失而造成的水庫淤積,同時為數(shù)值模擬提供參考,針對失去后續(xù)渾水補給的異重流前鋒運動規(guī)律進行了水槽試驗。

2.1 試驗方案

2.1.1試驗裝置

試驗在兩相流水槽中進行,試驗裝置見圖2[12]。水槽系統(tǒng)由清水循環(huán)系統(tǒng)、渾水循環(huán)系統(tǒng)、進水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、水槽主體和出水口切換系統(tǒng)共6個部分組成,其中出水口的連通器設(shè)計可保證試驗過程中水槽液面穩(wěn)定。水槽為鋼架結(jié)構(gòu)玻璃水槽,主體長20m,寬15cm,高1m。水槽縱向共17個斷面,斷面間距為120cm。

圖2 兩相流試驗水槽示意圖

2.1.2試驗方法

首先開啟清水閥,使水槽中形成有一定水深、穩(wěn)定的清水流場。通過水槽進口旁的地下渾水池投入適當泥沙,經(jīng)過水泵抽水攪拌,使泥沙與水充分混合,形成渾水。而后關(guān)閉清水閥,開啟渾水閥,使渾水以全斷面入流方式進入水槽,同時開始計時。待渾水潛入水槽底部形成穩(wěn)定的異重流,便開始測量異重流的厚度和環(huán)境水深。當渾水運行至距槽首10m處關(guān)閉渾水閥,繼續(xù)觀測異重流前鋒的厚度和運動時間。待異重流運行至水槽末端時結(jié)束試驗,開啟槽尾閘閥排水。

2.1.3試驗設(shè)計

共進行了6組失去渾水補給條件下的異重流試驗,6組試驗工況見表1,并對工況1、工況2進行了2組有持續(xù)渾水補給的異重流試驗,以作對照。

表1 無渾水補給的異重流試驗工況

試驗采用d50=0.0149mm的非均勻沙,干密度為1667kg/m3,試驗泥沙級配見表2。

表2 試驗泥沙級配

2.2 試驗成果及分析

渾水進入水槽與清水短暫摻混后通常在距水槽進水口4m處潛入水槽底部運動,并在距槽首6m附近趨于穩(wěn)定,形成穩(wěn)定的清渾水交界面。由于渾水密度較小,沙粒很細,潛入異重流的前鋒呈云團狀,擴散作用明顯。運行過程中,前鋒因受到交界面和水槽底部阻力,不斷向上翻起,后又因重力作用迅速沉降于異重流頭部,使得前鋒厚度比后續(xù)過渡段的厚度略大。

當異重流運行至距槽首10m處,在有穩(wěn)定后續(xù)渾水補給的情況下,異重流的前鋒厚度比較穩(wěn)定,頭部濃度較大,透明度小,交界面平緩,如圖3所示。失去渾水補給的異重流,渾水由于細顆粒泥沙的絮凝、慣性和擴散作用繼續(xù)前行。由于受到清渾水交界面與水槽底部的阻力,異重流運動速度變緩。部分泥沙顆粒沉降落淤,致使前鋒厚度與過渡段厚度逐漸變小,整個水槽的異重流厚度趨于均勻化。異重流頭部濃度減小,透明度加大,見圖4。前鋒運行至水槽末端,開啟底孔排水閥后,異重流的運行受到孔口抽吸作用,速度迅速加快。清渾水交界面清晰平坦,渾水水深緩慢減小。

圖3 有持續(xù)渾水補給的異重流前鋒

圖4 失去渾水補給的異重流前鋒

2.2.1前鋒厚度

取渾水異重流頭部較穩(wěn)定的部分作為前鋒厚度量測點,并設(shè)異重流前鋒厚度與當?shù)乜偹畹谋戎禐棣摹?/p>

為便于分析,設(shè)水槽長度為L,異重流頭部距水槽進口的距離為 x。工況1有持續(xù)渾水補給時,異重流δ全程維持在0.5～0.6之間,而無補給的δ由剛失去補給時的0.58降至0.26,減小了55%。整個過程中,失去后續(xù)渾水補給的異重流前鋒厚度沿程減小,如圖5(a)所示。工況2異重流前鋒厚度在失去渾水補給后立即減小,至水槽末端,δ由0.61降至0.39,減小了36%。而在相同坡度、含沙量和渾水入流流量的條件下,有持續(xù)渾水補給的異重流 δ維持在0.55～0.61之間,如圖5(b)所示。可以看出,坡度越小,失去后續(xù)渾水補給的異重流前鋒厚度變化越劇烈。這是因為坡度越小,泥沙受到重力的垂向分力越大,顆粒分選落淤,使得前鋒厚度減小越快。

圖5 工況1～2前鋒厚度與總水深比值沿程變化曲線

圖6 為工況3～6異重流前鋒厚度與總水深比值沿程變化曲線?？梢钥闯?工況6的前鋒厚度變化迅速,異重流從失去渾水補給至運行到水槽末端,δ由0.56降至 0.31,減小幅度為 45%;而工況3～5的前鋒厚度減小幅度相差不大,分別為32%,33%,34%。從試驗結(jié)果來看,異重流在失去后續(xù)渾水補給后,前鋒厚度的變化幅度和渾水入流流速有關(guān),且總體趨勢為渾水入流流速越大,前鋒厚度的變化幅度越小,這是因為異重流的入流流速越大,挾沙能力越強。在渾水入流流速較小的情況下,維持異重流繼續(xù)運動的能量不斷用于克服阻力做功,前鋒部分由于能量耗散厚度減小較快。

圖6 工況3～6前鋒厚度與總水深比值沿程變化曲線

2.2.2前鋒運動速度

圖7為工況1和工況2異重流前鋒運動時間沿程變化曲線。由圖7可以看出,有持續(xù)渾水補給的異重流前鋒運動時間沿程線性增加,前鋒運動速度穩(wěn)定;而失去渾水補給的異重流,前鋒運動速度逐漸變緩。工況1中,待渾水異重流運行至水槽末端,無補給條件下的運行時間為963s,有補給條件下的運行時間為886s,前者比后者慢了8.7%;工況2中,無補給條件下,異重流運行至水槽末端的運行時間為913s,有補給的條件下的運行時間為877s,前者比后者慢了4%。在有補給條件下,工況1和工況2中,異重流運行至水槽末端的時間相差僅1%,而無補給條件下兩者相差5%。有補給條件下的試驗符合錢寧等[13]指出的異重流頭部的運動速度與庫底的比降無關(guān)的結(jié)論。可以看出,失去渾水補給的異重流前鋒速度和坡度有關(guān)。坡度越大,速度越快,這與有持續(xù)補給條件下的異重流不同。限于水槽長度,未觀測到異重流完全停滯的情況,但異重流速度變化趨勢是減小的。

圖7 工況1～2異重流前鋒運動時間沿程變化曲線

圖8 為失去補給的異重流在不同渾水入流流速下的沿程運動時間。其中,工況6的異重流運行時間較長,至水槽末端運動了1025s;工況5稍快,為981s;工況4和工況 3分別為933s和921s。4組工況中,異重流運動時間最大相差約10%,兩者的渾水入流流速相差46%?？梢钥闯?失去渾水補給條件下的異重流的運動時間與來流渾水流速有關(guān)。渾水入流流速越大,初始動能越大,異重流失去補給后的運動速度也越大。另外,即使異重流運動過程中失去后續(xù)渾水補給仍能運動很長一段時間。這是因為渾水異重流在交界面與清水摻混以后,沙粒并沒有馬上與清水分離沉淀,而是一邊與清水摻混,一邊沉降,一邊分層繼續(xù)流動。異重流在摻混過程中于交界面形成第二異重流,起到一定緩沖作用。因此,異重流在水庫中往往可以持續(xù)運動很遠的距離。隨著后續(xù)渾水補給的失去,異重流的動能用于克服交界面和河床的阻力,加上泥沙的沉淀,使得清渾水的密度差越來越小,異重流的運動速度逐漸變緩。

圖8 工況3～6異重流前鋒運動時間沿程變化曲線

3 結(jié) 論

a.水庫異重流的淤積,在有后續(xù)渾水補給的條件下包括沿程淤積、壩前淤積和就地淤積3種類型;在失去后續(xù)渾水補給的條件下則為就地淤積。

b.異重流造成水庫淤積的直接原因是異重流挾沙能力的降低,而異重流高程度的超飽和輸沙和沿程流量損失是異重流造成水庫淤積的關(guān)鍵性因素。

c.靜止環(huán)境水體中,在渾水入流含沙量、流速一定的條件下,異重流失去渾水補給后,前鋒厚度逐漸變小,運動速度緩慢降低,且坡度越小,前鋒厚度與運動速度減小越快;在渾水入流含沙量、水槽坡度一定的條件下,渾水入流流速越小,異重流前鋒厚度與速度減小越快。而在有持續(xù)渾水補給的條件下,異重流的前鋒厚度與環(huán)境水深的比值維持在0.55～0.61之間,前鋒運動速度穩(wěn)定。

d.實際工程中,水庫異重流形成后,當入庫渾水流量減小時,異重流逐漸失去后續(xù)渾水補給,前鋒厚度與運動速度將減小,導致異重流挾沙能力降低而發(fā)生水庫淤積。此外,入庫渾水流量及庫區(qū)的坡降將影響異重流前鋒厚度與運動速度的減小速率。

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