渠高含沙水流管理論文
時(shí)間：2022-06-27 08:14:00
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1灌區(qū)概況
人民引洛灌區(qū)位于陜西關(guān)中東部，是河源泥沙干擾比較突出、泥沙含量較大的灌區(qū)。灌區(qū)平面圖見(jiàn)圖1，總干渠全長(zhǎng)21.5km，沿洛河?xùn)|岸溝壑區(qū)經(jīng)五號(hào)隧洞到達(dá)義井，再分為東、中、西三條干渠，呈扇形分布。
圖1人民引洛渠灌區(qū)平面圖
SketchofRenminYinLuoIrrigationDistrict
灌區(qū)水源為北洛河，它是黃河多沙支流之一，發(fā)源于陜北定邊縣白宇山區(qū)。北洛河多年平均平均流量為25.7m3/s；洪水期7～9月，最大洪峰流量為4420m3/s；枯水期5～6月，最小流量為1.2m3/s；一般流量在10m3/s左右。氵狀頭站多年平均水、沙及各級(jí)含沙量(以重量百分比計(jì))情況見(jiàn)表1。
表1北洛河氵狀頭站多年平均水、沙情況統(tǒng)計(jì)表(1952～1974)
AnnualrunoffandsedimentloadatZhuangtoustation
年徑流量
年沙量
最大含沙量(%)
各級(jí)含沙量出現(xiàn)歷時(shí)(小時(shí))
總量(億m3)
7～9月(%)
總量(萬(wàn)t)
7～9月(%)
15～25%
25～35%
>35%
小計(jì)
8.14
45
9500
90
65.0
120.4
70.6
159.3
350.3
據(jù)前十五年的資料統(tǒng)計(jì)，一次洪峰持續(xù)高含沙的情況如下：含沙量大于40%、歷時(shí)超過(guò)四天的有三年，超過(guò)三天的有九年；洪峰含沙量大于50%的幾乎每年都出現(xiàn)，其中持續(xù)兩天以上的有兩年。
北洛河洪水一般多出現(xiàn)于7～8月份，最早于6月中、下旬出現(xiàn)。洪峰和沙峰基本相適應(yīng)，沙峰稍遲于洪峰，洪峰峰型陡瘦，沙峰陡漲緩落。人民引洛渠直接引用北洛河水，水沙關(guān)系與北洛河水變化過(guò)程基本相同。從1974年至1986年實(shí)測(cè)資料分析，引洛渠汛期含沙量與懸沙粒徑有一定關(guān)系，即：含沙量越大，粒徑越粗(見(jiàn)圖2)；從汛期各次洪峰相比較，由于來(lái)水來(lái)沙區(qū)不同，懸沙粒徑也有所不同。一般來(lái)說(shuō)，每年第一次洪峰的懸沙粒徑較粗。據(jù)1963～1970年資料統(tǒng)計(jì)；北洛河懸沙平均粒徑為0.0399～0.0437mm，中值粒徑為0.0353～0.0420mm。
2泥沙顆粒在高含沙水流中的特性
顆粒沉速是泥沙運(yùn)動(dòng)中的一個(gè)重要參數(shù)，如沉淀落淤速度、挾沙能力等都與這一參數(shù)密切相關(guān)。
圖2東干義井?dāng)嗝婧榉鍟r(shí)段S～d50關(guān)系圖
Relationbetweensiltconcentrationandd50atYijingsectioninpeaktime
已有的研究表明含沙量對(duì)泥沙顆粒的沉速有著一定的影響。粘土漿液的含沙量達(dá)到一定程度以后，具有非牛頓流體的特性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用賓漢方程來(lái)近似描述其流變特性[1，2]。
2.1洛惠渠高含沙水流的流變特性
1985年費(fèi)祥刻授[3]以愛(ài)因斯坦在球形顆粒的稀懸液條件下，推得的相對(duì)粘度理論公式μ液/μ0=(1+2.5Sv)為基礎(chǔ)，分析求得不同粒度組成下高濃度懸液的相對(duì)粘度表達(dá)式，并做了比較系統(tǒng)的粘性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最后得出高濃度泥沙懸液相對(duì)粘度的公式
μ液/μ0=［1-KSv/Svm］-2.5
(1)
式中系數(shù)K是對(duì)固體濃度的修正系數(shù)，即考慮了細(xì)顆粒表面的薄膜水，又考慮了粒間封閉水對(duì)濃度的影響。Sv和Svm分別表示固體體積比濃度及其極限濃度，μ液和μ0則表示泥沙懸液及同溫度的清水的粘滯系數(shù)。當(dāng)懸液中固體濃度較高時(shí)，已屬非牛頓流體，可用賓漢模型來(lái)描述其剪切力與切變率關(guān)系。賓漢極限剪切力的試驗(yàn)結(jié)果可用下列經(jīng)驗(yàn)式表達(dá)[4]
τB=9.8×10-2exp(Bε+1.5)
(2)
式中τB——N/m2,系數(shù)B=8.45，ε=Sv-Sv0/Svm
這里Sv0為由牛頓體轉(zhuǎn)變到非牛頓體的臨界濃度。公式(1)和(2)的特點(diǎn)是除了濃度Sv作為影響懸液流變參數(shù)的因素以外，又加入了反映顆粒組成特性的Svm值，使流變參數(shù)的應(yīng)用范圍明顯擴(kuò)大。
根據(jù)采集黃河中下游有關(guān)水文站的懸沙沙樣進(jìn)行的流變?cè)囼?yàn)[3]，得出如下關(guān)系式
(3)
Svm=0.92-0.2l∑gpi/di
(4)
K=1+2.0（Sv/Svm）0.3（1-Sv/Svm）4
(5)
洛惠渠引水是引黃河之水，上述公式可以應(yīng)用于此。
2.2泥沙顆粒在賓漢流體中的受力分析
下面，我們分析一下作用于流體中下沉顆粒上的力。當(dāng)泥沙顆粒的水下有效重量與作用于顆粒的阻力平衡時(shí)，它便達(dá)到其最終沉速ω
(γs-γ)πd3/6=CDγπd2/4·ω2/2g
(6)
式中γs為泥沙顆粒比重，γs=ρsg;γ為流體比重。
知道了阻力系數(shù)如何變化，就可以推得沉速如何變化。作用于泥沙顆粒的阻力等于作用于泥沙顆粒表面的切應(yīng)力和壓應(yīng)力沿運(yùn)動(dòng)方向的合力。泥沙顆粒在牛頓流體中作層流沉降時(shí)，作用于其上的總阻力(即式(6)等號(hào)右邊的項(xiàng))為3πμωd，其中三分之一是壓應(yīng)力的合力，三分之二是切應(yīng)力的合力。若
CD·γπD2/4·ω2/2g=3πμωd
(7)
CD=24/Re
(8)
Re=ωd/v
(9)
泥沙顆粒在做紊流沉降時(shí)，切應(yīng)力的作用便退居次席。在充分紊動(dòng)區(qū)，阻力系數(shù)CD趨于一個(gè)常數(shù)；在層流沉降與紊流沉降之間，則有一個(gè)過(guò)渡區(qū)。總的來(lái)說(shuō)，阻力系數(shù)CD是雷諾數(shù)的函數(shù)。
泥沙顆粒在賓漢流體中沉降時(shí)，不僅有相當(dāng)于牛頓流體動(dòng)力粘滯系數(shù)μ的剛度系數(shù)η，賓漢切應(yīng)力τB也會(huì)引起水流阻礙泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)。
參照安斯列的概念，下面討論作用于賓漢體中層流沉降顆粒上的力[5]。可以假定由剛度系數(shù)η(相當(dāng)于μ)引起的力仍為3πηωd，由τB引起的力由兩部分組成：1.設(shè)作用于球體表面的切應(yīng)力為τB，則它們沿垂直方向的合力為1/4π2d2τB[6]；2.根據(jù)塑性流滑動(dòng)線理論，作用于球面的壓應(yīng)力沿垂直方向的合力為5/8π2d2τB。所有這些力的合力亦即總阻力，應(yīng)為3πηdω+7/8π2d2τB。如果同樣用一般阻力表達(dá)形式，可得
CD·γ·πd2/4·ω2/2g=3πηdω+7/8X)π2d2τB
(10)
若認(rèn)為在層流區(qū)CD仍與雷諾數(shù)Re1成反比
CD=24/Re1
(11)
則由上式可以得出修正雷諾數(shù)Re1的形式為
Re1=ρω2/ηω/d+7π/24τB
(12)
對(duì)于牛頓流體，τB=0這時(shí)Re1即轉(zhuǎn)化成式(9)形成的Re。
對(duì)比泥沙顆粒在牛頓體中的沉降情況，泥沙顆粒在賓漢流體中沉降時(shí)，阻力系數(shù)CD也應(yīng)是修正后的雷諾數(shù)Re1的函數(shù)。
將上述方程式(6)和(10)聯(lián)和求解
(γs-γ)πd3/6=3πηdω+7/8π2d2τB
上式γ為清水比重。如果泥沙顆粒在高含沙水流中運(yùn)動(dòng)，那么就用渾水比重γ液來(lái)代替清水比重γ，即
(γs-γ液)πd3/6=3πηdω液+7/8π2d2τB
ω液=(γs-γ液)d2/6-7/8πdτB/3η
(13)
式中ω液是泥沙顆粒在渾水中的沉速。
根據(jù)流體的流變特性可知，當(dāng)含沙濃度Svv0時(shí)，液體是牛頓體，τB=0,剛度系數(shù)η等于粘滯系數(shù)μ液(η=μ)，式(13)可化為
ω液=(γs-γ液)d2/18μ液
(14)
式中μ液根據(jù)方程式(1)求得，含沙量越大，μ液越大，且大于相同溫度下清水的粘滯系數(shù)μ0。
通過(guò)上式可以看出泥沙顆粒在高含沙水流中的沉速與在清水中的沉速ω清不同，根據(jù)洛惠渠資料可以點(diǎn)出關(guān)系曲線，如圖3所示。從圖3可以看出，相同的粒徑組成在高含沙水流中的平均沉速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在清水中的平均沉速，有的只相當(dāng)于清水中沉速的1/7。究其原因：一方面是由于液體的比重γ液大于清水比重，使泥沙顆粒受的上浮力增大；另一方面是粘滯系數(shù)μ液增大。這兩方面引起泥沙顆粒在高含沙水流中的沉速減小。
由于泥沙顆粒在高含沙水流中的沉速減小，
圖3泥沙顆粒在清水和渾水中的沉速
Fallvelocityinclearwaterandsiltywater
如果采用S～v3/ghω關(guān)系作為挾沙能力的基礎(chǔ)S=k(v3/ghω)m,那么在流速v和水深h一定的情況下，挾沙能力就增大，從而使得泥沙淤積量減小。這更有利于泥沙的遠(yuǎn)距離輸送。
當(dāng)Sv≥Sv0時(shí)，高含沙水流成為賓漢體，切應(yīng)力τB、γ液和剛度η(相當(dāng)于粘性μ)三種因素共同影響造成泥沙顆粒在賓漢體中的沉速與在清水中的沉速不一樣。而當(dāng)高含沙水流一旦成*.齪禾澹營(yíng)瑽的切應(yīng)力便可以托住一般細(xì)小顆粒，使其不下沉。如果令式(13)等于零，如下式
(γs-γ液)d2max/6-7/8πdmaxτB=0
dmax=21πτB/4(γs-γ液)
便可以得到相應(yīng)含沙量情況下能使泥沙顆粒不下沉(即ω=0)的最大粒徑dmax。根據(jù)洛惠渠的資料，計(jì)算得到dmax如表2。從表2可以看出dmax是很大的。從另一個(gè)角度，我們也可以認(rèn)為當(dāng)高含沙水流形成賓漢體后，挾沙能力大大增加。這也是高含沙水流產(chǎn)生揭河底現(xiàn)象的一個(gè)重要原因。
表2高含沙(賓漢體)水流不沉的最大粒徑值
Themaximumsizeofnosettinginhyperconcentratedflow
--------------------------------------------------------------------------------
測(cè)次
時(shí)間
D平均(mm)
Sv
γ液(kg/cm3)
τB(N/m2)
dmax(mm)
--------------------------------------------------------------------------------
S7
1974.7.29.7:45
0.0459
0.329057
1.542943
8.643284
12.0452
S8
7.29.18:48
0.044
0.336226
1.554774
11.27905
15.87396
S9
7.30.7:22
0.0252
0.321887
1.531113
20.82471
28.73945
S10
7.30.17:30
0.0322
0.318868
1.526132
33.56178
46.12892
S11
7.31.19:45
0.0344
0.234717
1.387283
4.786453
5.908415
S13
8.1.18:10
0.033
0.217736
1.359264
5.036905
6.09231
S3
1977.6.27.8:56
0.0464
0.303774
1.501226
5.179581
6.977082
S7
1978.7.28.17:00
0.0327
0.223774
1.369226
4.73413
5.767407
S1
1980.6.18.11:00
0.0423
0.30717
1.50683
9.156336
12.38951
S5
1974.7.29.7:30
0.0499
0.336226
1.554774
9.018565
12.69259
--------------------------------------------------------------------------------
3結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)洛惠渠水沙資料的分析，可以看出，含沙量越大，泥沙粒徑越粗，流體容重就越大，粘性系數(shù)也增大。從而導(dǎo)致沉速大大降低，流體挾沙能力增強(qiáng)，河道淤積量減少。
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