淺談水庫運用過程中的異重流排沙

為了延長水庫的使用壽命，應(yīng)采取各種有效措施，降低水庫的固沙量。例如，在上游修建了防砂壩和沉積壩等防沙措施，加強了水庫管理，充分利用了水庫的排水和排沙措施。加強對水庫排沙的科學(xué)研究，取得半吊子的成果。1清渾水交界面內(nèi)的異重流形成挾沙水流進(jìn)入相對清水蓄水水庫壅水段后(如圖1中A段),由于水深增加,流速減小,水流中所挾帶的泥沙不斷向底部沉降,水面的流速與含沙量逐漸趨向于零。向底部沉降的泥沙,較粗的部分將就地落淤,形成三角洲淤積,較細(xì)的則由于沉降速度小,繼續(xù)保持懸浮狀態(tài)。進(jìn)到B點以后,表層水開始變清,形成一個明顯的清渾水交界面,這時該區(qū)段內(nèi)出現(xiàn)兩種比重不同的流體,在重力作用下,潛入底部的水流就有可能攜帶著所剩下來的懸浮物質(zhì),以一定的速度向前運動,形成異重流,如圖1中的C段。由于異重流在向水庫區(qū)運動的過程中,將帶動一部分交界面上的清水相隨同行,因而其表層就會出現(xiàn)相反方向的補償流。這種補償流的回流將推動水面的漂浮物質(zhì)向B點附近聚集,這就是水庫異重流產(chǎn)生的一個標(biāo)志,B點通常稱為異重流的潛入點,即水庫異重流形成和插入庫底的潛入點。清渾水的重量差是形成水庫異重流的根本原因。據(jù)研究,入庫渾水的含沙量大于庫水含沙量0.1%即可產(chǎn)生異重流,而渾水含沙量大于10～15kg/m3時,異重流才比較穩(wěn)定;其次是組成異重流泥沙的顆粒一般要細(xì)小,通常以d=0.01mm的粒徑為界限粒徑;再次,如果入庫的渾水能持續(xù)不斷,庫底又有足夠的坡降,則異重流能在水庫中長距離運行,以至到達(dá)壩前。此外,如果壩體底孔開啟適時,異重流就可以排出水庫。1.1對異重流直接進(jìn)入點的影響異重流的潛入現(xiàn)象是開始形成異重流的標(biāo)志,研究異重流的潛入條件就是要找出潛入點處水利因素之間的關(guān)系,以便對異重流的形成進(jìn)行及時觀測和研究。(1)陜西省水科所河渠室與清華大學(xué)水利工程系泥沙研究室提出,水流中挾帶足夠數(shù)量的細(xì)顆粒泥沙是形成異重流的必要條件之一。具有一定的流速和單寬流量,即為必要條件之二。(2)同樣,原水利科學(xué)院河渠所通過分析交界面比降dhdsdhds,并且結(jié)合試驗成果,文獻(xiàn)均得出下面常用形式:Fr2=v20g′h0=v20Δγγ0gh0=0.6或Fr=v0Δγγ0gh0√=0.78Fr2=v02g′h0=v02Δγγ0gh0=0.6或Fr=v0Δγγ0gh0=0.78當(dāng)壩前清水水位維持一定時,入庫流量增大使?jié)撊朦c的水深增大,不宜潛入;入庫含沙量的增大則使?jié)撊朦c水深變淺,較易潛入。這也正是高含沙河流如黃河及其支流上水庫易發(fā)生異重流現(xiàn)象的原因。(3)另外,范家驊、曹如軒與盧田和男等分別通過水槽試驗,從水庫異重流潛入點不同角度進(jìn)行研究,得到了表達(dá)形式不同、物理意義相同的經(jīng)驗公式。(4)從研究挾沙水流由明渠轉(zhuǎn)化為潛流的物理背景,并獲得合理的物理參數(shù),是潛入條件研究的方向。1.2異重流頂部運動速度即鋒速的數(shù)值研究當(dāng)異重流潛入庫底向前運動時,必須排出原有水庫中的一部分清水。因此,促使異重流頭部前進(jìn)的力量要比維持繼之而來的潛流的力量大,這樣就使異重流的頭部比后部穩(wěn)定的潛流要厚。對異重流頭部運動進(jìn)行研究,對認(rèn)識水庫異重流的運動具有十分重要的意義。在比降小于4%時,異重流頭部的運動速度與庫底的比降即底坡無關(guān)。米德爾頓(GVMiddleton)通過試驗認(rèn)為是正確的;比降超過4%時,得出的異重流頭部速度分布式子中的系數(shù)有隨比降而略有加大的趨勢。也有一些公式表明,異重流鋒速與底坡的平方根成正比,這一鋒速其實是指頭部后面均勻穩(wěn)定的潛流部分的流速。錢寧、萬兆惠假設(shè)異重流穩(wěn)定潛流部分的厚度、水庫水深為已知,且異重流與水庫中均有一定的密度分布。分析得出,頭部厚度為后部潛流的兩倍。而且,異重流頭部的長度比較短,在行進(jìn)中頭部的形狀和速度基本上保持不變。根據(jù)不同情況下的結(jié)果得出異重流頭部的運動速度與庫底的比降即底坡無關(guān)。這些有待于進(jìn)一步深入研究。在理論分析的基礎(chǔ)上,李義天建立了異重流頭部運動速度及穩(wěn)定厚度的計算公式。通過數(shù)值求解證明了異重流穩(wěn)定厚度約為環(huán)境水深的0.5倍左右,并對前人所提出的公式進(jìn)行了化簡。從動量方程出發(fā)或從運動方程出發(fā)方春明、韓其為、何明民通過改進(jìn)的異重流潛入條件推導(dǎo)方法,得出臨界入潛福氏數(shù)與能量損失系數(shù)有關(guān),能量損失系數(shù)大,則臨界福氏數(shù)小。針對頭部運動的研究,研究者感興趣的重點不同,認(rèn)識的角度不同。有的是在生產(chǎn)實踐中遇到了相關(guān)的問題和困難,僅作點狀分析,而非全面認(rèn)識;有的人是從理論方面進(jìn)行的概化和簡化,具有一般的意義,可作定性認(rèn)識。異重流頭部運動速度即鋒速的研究結(jié)果,對認(rèn)識異重流的運動和解決實際問題中利用異重流排沙具有重要意義。限于測量水平和認(rèn)識水平,對頭部運動的研究暫無創(chuàng)新?；蚩蓪Ξ愔亓黝^部運動模式進(jìn)行受力分析,獲得對頭部運動新的認(rèn)識。1.3層流對阻力系數(shù)的影響異重流的運動主要就是通過慣性力和有效重力的相互作用引起的,阻力在中間起了關(guān)鍵的作用。寇利根借層流邊界層的概念,將其運用于交界面阻力的計算,借用珀爾豪森(KPohlhausen)解邊界層公式的方法,得到邊界層的厚度,從而得到阻力系數(shù)、異重流速度、密度、黏滯系數(shù)相關(guān)的交界面阻力表達(dá)式。洛克(RCLock)亦曾考慮了上層流體流速為零和不為零兩種情況下解,與上述寇利根所得結(jié)果十分接近。巴塔(GLBata)發(fā)現(xiàn)這時界面上的阻力不但與雷諾數(shù)和清渾水密度、黏滯系數(shù)乘積比值的平方根有關(guān),而且還受制于異重流的厚度與距離的比值。在實踐中,異重流的流程都比較長,上下兩層水流均已得到充分發(fā)展,就不用考慮邊界層的影響了。通過對二維異重流進(jìn)行力學(xué)分析推導(dǎo)后,錢寧、萬兆惠得到層流異重流的阻力作用定律,并經(jīng)過試驗驗證,試驗點子很好的落在理論曲線的兩側(cè)。雷諾和蓋札及博吉的結(jié)論是阻力系數(shù)隨上層液體的粘滯性而異。而紊流異重流可以分為近底區(qū)和交混區(qū)兩個區(qū)域,兩個區(qū)域阻力系數(shù)數(shù)學(xué)形式相同,它們都是相對糙率及近底區(qū)中的水流雷諾數(shù)的函數(shù)。研究表明,隨著相對糙率的增加,阻力系數(shù)迅速上升。以理論及資料分析為主、水槽試驗和數(shù)學(xué)模型計算為輔的方法,王艷平進(jìn)行了較為系統(tǒng)地研究了異重流交界面阻力系數(shù)問題,通過分別對異重流最大流速所在點以下的流速分布研究,提出了指數(shù)流速分布的指數(shù):m=0.1431?4.2Sv√(0.46?Sv)?uy=Vmexp[?0.055?0.68(y?h′1σ)2]m=0.1431-4.2Sv(0.46-Sv)?uy=Vmexp[-0.055-0.68(y-h1′σ)2]兩個經(jīng)驗公式,推導(dǎo)出了異重流交界面阻力系數(shù)公式:λi=8g′h′2J[0.86(1+m)V1]2λi=8g′h2′J[0.86(1+m)V1]2由于自然界異重流的周界比較復(fù)雜,涉及清、渾水交界面摻混,沿程水流損失,局部損失影響,河床糙率和比降變化頻繁等困難,在日常研究中,常常根據(jù)不同的情況利用經(jīng)驗系數(shù)來率定和描述它。當(dāng)異重流紊動強度增加,由于摻混作用和垂向密度發(fā)生變化,交界面的確定變得越來越困難。另外,對異重流垂線含沙量研究還存在著很大的不足。1.4韓其對混沙輸沙規(guī)律的初步研究水庫的渾水異重流是挾沙水流的一種特殊形式,泥沙的存在造成清渾水的重度差異,從而產(chǎn)生異重流并引起紊動,紊動的形式又反轉(zhuǎn)來維持了泥沙的懸浮,由此促使著水體和泥沙一起運動,相互依存。從異重流挾帶的泥沙極限粒徑思路研究,范家驊等通過試驗研究驗證了這個思路,在官廳水庫和實測資料上也得到了證明。不少文獻(xiàn)認(rèn)為這個經(jīng)驗關(guān)系尚待較多資料的考證。金德春通過提出的描述異重流恒定均勻變量流運動的一元能量方程、動量方程和輸沙平衡方程,提出了異重流淤積量的計算方法。吳德一通過分析了山東打漁張引黃灌區(qū)沉沙條渠資料,建立了含沙量衰減百分?jǐn)?shù)與顆粒衰減百分?jǐn)?shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系,求得異重流挾沙力,從而進(jìn)行異重流過飽和沙沉降過程計算。由于紊流挾沙運動主要取決于紊動擴散與顆粒重力之間的矛盾,韓其為,向熙瓏研究認(rèn)為,明流輸沙規(guī)律也適用于異重流。沙玉清在分析挾沙能力時,得出了異重流挾沙能力與含沙量呈正比的現(xiàn)象;在均勻流條件下,含沙量越大異重流速度越大,這是異重流挾沙能力與明流的區(qū)別所在。需要說明的是這個結(jié)果是在含沙量不時很高(小于50～90kg/m3)的情況下得到的,超過這個限度時,結(jié)果不再有定量的意義,但仍具有定性上的意義。對于干流渾水異重流進(jìn)入支流清水體時,由于支流具有倒比降,干流異重流在支流內(nèi)常常形成攔門沙和倒錐體,一些文獻(xiàn)對此作了專門研究從理論上研究了倒灌異重流形成、倒灌流動、異重流衰減、含沙量變化及淤積等;談廣鳴、張小峰采納前人對此問題的研究成果,定性上得到支流的匯入增大了異重流的運行速度,縮短了異重流運行到壩前的時間,而且干流歷時長、流量大的洪水有助于支流高含沙異重流運行至壩前,水庫實際運行時,應(yīng)盡可能抓住支流洪峰剛好遭遇的時機,以減少或減緩水庫庫容損失。黃河水利委員會在小浪底水庫的調(diào)水調(diào)沙生產(chǎn)實踐中,通過總結(jié)、分析國內(nèi)外水庫異重流觀測資料,重點研究小浪底水庫異重流實測資料,結(jié)合小浪底水庫物理模型試驗成果,利用前人在異重流發(fā)生及運行等方面取得的規(guī)律性的認(rèn)識,并結(jié)合黃河異重流的具體情況,實施了小浪底單庫調(diào)節(jié)和小浪底、三門峽及萬家寨水庫聯(lián)合調(diào)度下的人造洪峰、攔粗排細(xì)、滯洪調(diào)沙、蓄清排渾等多種方案研究,并進(jìn)行了泥沙輸移過程的分析計算,在原型黃河上成功地塑造了異重流,研究成果為今后調(diào)水調(diào)沙的生產(chǎn)運用積累了新經(jīng)驗。水庫異重流輸沙效益是其最大的貢獻(xiàn),韓其為基于統(tǒng)計學(xué)基礎(chǔ)的不平衡輸沙理論在相當(dāng)長的時期還將影響和指導(dǎo)水庫異重流的輸沙研究。在研究過程中,或可從三維方面如河寬變化的影響來考慮修正不平衡輸沙公式,以期獲得更加有益的研究結(jié)果。2不同焦點水庫研究方法目前,泥沙學(xué)科研究主要技術(shù)途徑有3個:一是實測資料分析;二是數(shù)學(xué)模型計算;三是物理模型試驗。2.1官廳水庫混沙研究進(jìn)展及成果實測資料研究即通過原型觀測,在河道布設(shè)水文斷面,采集天然降雨條件下的水流和泥沙特性的相關(guān)數(shù)據(jù)而建立的野外物理模型。原型觀測實現(xiàn)的目標(biāo)是通過對流域的長系列觀測,建立起模擬河流水流泥沙運行情況的數(shù)學(xué)模型。原型觀測的優(yōu)點是全面、準(zhǔn)確,能夠較好地反映實際情況。但由于工作涉及的范圍廣、戰(zhàn)線長,積累觀測資料需要的時間長,出成果慢,需要的人力也相對較多。官廳水庫是我國最早發(fā)現(xiàn)異重流并對其詳細(xì)觀測的。20世紀(jì)50年代起,中國水科院在研究官廳水庫異重流實測資料的基礎(chǔ)上,了解水庫異重流的形成規(guī)律、穩(wěn)定情況下的運動規(guī)律和利用水庫異重流排淤的可能性和效率,為近代北方多沙河流的水庫泥沙問題的解決作了翔實的基礎(chǔ)工作。從水庫泥沙測驗的角度對實測資料進(jìn)行了分析,官廳水庫水文實驗站認(rèn)為,蓄水后三角洲淤積侵占了水庫的大部分淤積庫容,必須預(yù)測和研究水庫三角洲的發(fā)展。黃河水利科學(xué)研究院利用在前人研究結(jié)果基礎(chǔ)上、結(jié)合黃河動床模型實際提出的現(xiàn)代模型相似理論及關(guān)于異重流運動相似條件的研究成果,在分析原型資料和對模型沙特性比選的基礎(chǔ)上進(jìn)行小浪底水庫模型設(shè)計;同時利用三門峽水庫實測資料完成了模型驗證試驗,研究了小浪底水庫在擬定的運用方式下泥沙運動規(guī)律、泥沙淤積機理及河床縱橫剖面形態(tài)變化等。受設(shè)備和儀器限制,各項測驗和測量的精度比較低,再加上水庫自然條件比較復(fù)雜,現(xiàn)有的測驗資料還不能全面、精確的反映各種現(xiàn)象和問題,需要進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)備和儀器,提高測量和測驗精度,改善水文測驗條件,提高測驗資料的準(zhǔn)確性。在實踐中,實測資料分析常常結(jié)合水槽實驗等來進(jìn)行輔助研究。2.2非耦合數(shù)學(xué)模型在黃河水庫物理模型中的應(yīng)用物理模型試驗作為直觀、方便的展現(xiàn)物理規(guī)律的研究方式,包括實體物理模型試驗和比尺物理模型試驗2種方式。高學(xué)平,洪柔嘉,趙耀南提出全沙模型試驗的一種設(shè)計方法,對在同一模型中同時復(fù)演懸沙、異重流和底沙3種形式的泥沙運動進(jìn)行了探討,認(rèn)為3種形式泥沙運動的沖淤時間比尺應(yīng)基本一致。根據(jù)白沙水庫的水沙運動特點和庫區(qū)地形條件,湯立群,陳界仁,陳國祥,趙太平考慮了懸移質(zhì)、推移質(zhì)泥沙及水庫異重流因素建立了一維全沙不平衡非耦合數(shù)學(xué)模型.利用1979～1987年連續(xù)9年的庫區(qū)淤積量資料對模型進(jìn)行了驗證。在設(shè)計來水來沙及水庫調(diào)節(jié)條件下,應(yīng)用所建模型預(yù)演了未來30年水庫淤積對電廠取水口的影響。張紅武在總結(jié)前人物理模型研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,提出了一套適合黃河泥沙模型制作的模型相似率,張俊華,陳書奎等通過分析異重流的壓力分布給出修正系數(shù);在進(jìn)行力學(xué)機理分析的基礎(chǔ)上,推求非恒定異重流運動方程;以此為基礎(chǔ)進(jìn)行相似分析,給出異重流發(fā)生相似條件:異重流發(fā)生相似條件:λse=[γ(λke?1)γsm?γγsmSep+λkeλγs?γλγs]?1λse=[γ(λke-1)γsm-γγsmSep+λkeλγs-γλγs]-1異重流挾沙相似條件:λse=λs*eλse=λs*e異重流連續(xù)相似條件:λte=λLλVeλte=λLλVe將其運用于黃河小浪底水庫物理模型試驗研究,獲得了較滿意的成果。受實驗室條件和相似定律的影響,物理模型試驗的精度和準(zhǔn)確度也得到影響。但物理模型研究可以直觀、便捷給研究者一個定性的概念。2.3維泥沙質(zhì)量守恒方程隨著流體力學(xué)、計算流體力學(xué)的發(fā)展,再加上計算機的出現(xiàn)并廣泛運用在科學(xué)研究中,利用N-S方程來描述河流的運動情況成為輔助研究的一種新的手段,數(shù)學(xué)模型從獲得認(rèn)可到成為依賴的信心走過了一條坎坷的道路,不少學(xué)者將其運用于水庫異重流的研究,并且不斷改進(jìn)。利用水沙混合水流的運動方程和質(zhì)量守恒方程作為二維泥沙異重流的控制方程,用k-ε紊流模型閉合雷諾應(yīng)力,用有限元法解上述方程組,郁偉族計算了泥沙異重流的流速、含沙量、紊動動能和紊動粘滯系數(shù)的分布。從一般流體力學(xué)基本方程出發(fā),王光謙、方紅衛(wèi)建立了異重流運動的基礎(chǔ)理論。而后,王光謙、周建軍、楊本均進(jìn)行水槽試驗?zāi)M異重流運動計算,驗證了數(shù)學(xué)模型的適用性。通過引入水流挾沙力統(tǒng)一公式、泥沙級配計算公式、異重流運動最新成果和因考慮異質(zhì)粒子與紊流場相互作用而給出的泥沙運動修正方程等,張俊華,張紅武,王嚴(yán)平,張柏山提出了多沙水庫準(zhǔn)二維泥沙數(shù)學(xué)模型。該水庫數(shù)學(xué)模型具有很強的適應(yīng)性和模擬功能。由于水庫異重流邊界條件的復(fù)雜性,再加上數(shù)學(xué)模型的計算模擬過程中必需的經(jīng)驗關(guān)系研究還不夠深入,數(shù)學(xué)模擬手段還需要通過更準(zhǔn)確的物理圖形來改進(jìn)計算模式,數(shù)學(xué)模型研究依賴于水庫異重流基本的物理特性的研究成果。在其他條件不變的情況下,探索新的研究方式和提高觀測水平,是個努力的方向。3沙化的主要方向水庫異重流問題是經(jīng)典的河流動力學(xué)問題?，F(xiàn)代試驗手段的進(jìn)步使人們對水庫異重流有了更清楚的認(rèn)識,然而距