悬移质分选沉降及其在工程上-应用

1、悬移质分选沉降及其在工程上-应用            摘要：悬移质泥沙占河流输沙的大部分，由于泥沙的重力作用及水流的紊动混掺的双重作用，悬移质沿垂线的分布呈上稀下浓、上细下粗的规律。在水流的不平衡输沙条件下，超饱和水流中必然有一部分泥沙沉降落淤，其中较粗的泥沙必然率先沉降，较细的泥沙仍随水流悬浮前进。不同粒径的泥沙有不同的沉降距离，利用悬移质的这种分选沉降规律，可以预报水库淤积的形态及位置，渠系沉沙池（条渠）中有害泥沙的排除率。文中举出了两个工程应用的例子，其中涡管排沙式沉

2、沙池已正式运用了两个汛期，排沙效果良好。 关键词：悬移质 分选沉降 排沙比 涡管排沙  1 前言江河中的泥沙输送，悬移质占主要部分。悬移质之所以能在水流中悬浮前进，是与水流的紊动分不开的。流体紊动涡漩的大小和强度与悬移质含沙量的多少有非常密切的关系。尺度大的涡漩能维持大量或较大颗粒泥沙的悬浮，尺度小的涡漩则只能挟带少量或较细颗粒的泥沙。水流中的紊动作用和泥沙的重力作用共同作用的结果，形成了悬移质含沙量沿垂线的分布。水流中的来水来沙条件是在变化的，因此，含沙量沿垂线的分布状况及平均含沙量也随之改变，形成不平衡输沙。在冲积河流条件下，由于水流强度的增加或减小，产生河床的冲刷或淤积。含沙水

3、流进入水库或其他较大水体，也会产生泥沙淤积。泥沙的淤积过程，也就是悬移质沿垂线分布重新调整的过程。较粗的泥沙颗粒率先沉降落淤，较细的颗粒仍保持悬浮状态继续随水流前进。这种现象沿水流是个渐变过程，因此，出现悬移质沉降的分选现象。水库、沉沙条渠中分选沉降现象最为显著。即使在渠道、河道等准均匀流条件下，粗细不同的泥沙颗粒，在淤积过程中也会出现分选1。泥沙相对较细，紊动相对较强，则分选沉降的距离越长，而且越向下游，河床也会发生细化现象。自然界中这种分选现象很多，人们可以利用不同矿砂的比重进行水力选矿，也可以利用风力，把不饱满的粮食籽粒或杂质和饱满籽粒区分开来。2 悬移质的分选沉降规律在恒定、均匀流的条

4、件下，泥沙的运动可以达到某种平衡状态，即，泥沙的输沙率沿程不变，河床不产生冲刷或淤积，悬移质沿垂线分布也达到某种均衡状态，称为平衡输沙。但这只是一种暂时现象，一旦水流条件发生变化，旧的平衡将被破坏，水流中的含沙量也会增大或减小，最终为新的平衡所代替。在平衡输沙中，含沙量沿垂线的分布也是不均匀的，小颗粒的泥沙重量小，下沉趋势弱，因此更容易被紊动水流涡漩托浮到水流上层；大颗粒则偏向下层，并与河床有交换现象。泥沙的来源在河床，下沉的泥沙也朝床面集中，所以沿垂线方向含沙量是上部含沙量浓度低，下层含沙量浓度高。根据泥沙运动的扩散理论导出的二元恒定均匀流在平衡输沙情况下，含沙量沿垂线分布的公式为2S/Sa

5、 = (h/y)-1/(h/a)-1z(1)式中 Sa为y=a处参考点上的含沙量，Z=/u*称为悬浮指标，它实质上代表重力作用与水流紊动作用的相对关系。这里重力作用用沉速表达，紊动作用用阻力流速u*表达，为卡门常数。悬浮指标Z越大，表示重力作用越强，含沙量沿垂线分布越不均匀。反之，悬浮指标越小，含沙量沿垂线分布就越均匀。如果把悬移质泥沙分成若干粒径组，每组取其平均沉速i，不计泥沙在运动水体中的相互干扰作用，即每组泥沙各以其自己的沉降特性在水体中运动，每组泥沙都有自己沿垂线分布曲线，则在每一相对水深上都可以计算出各粒径组总的相对含沙浓度。不仅底层水流的含沙量远大于表层，而且较粗的泥沙只在底层才能

6、出现，利用含沙量沿垂线分布的这种特性，我们就可以认识悬移质沿程分选沉降的规律。在引水建筑物的下游，由于紊动强度逐渐减弱，流速分布渐趋上大下小的正常分布，含沙量也趋于上稀下浓的分布状态。如果水流中的含沙量和水流挟沙能力相等，则可达到渠道不冲不淤的平衡状态。如果上游来水来沙发生变化，则渠道的平衡输沙遭到破坏，渠道也将发生冲刷和淤积，其淤积规律也将遵循分选沉降的规律，因此，在均匀水流中也会出现悬移质的分选现象。如果水流沿程发生急剧变化，例如，河流进入水库、湖泊或海洋，或者渠水进入沉沙池，也都会发生沿程分选沉降现象。沉降下来的泥沙形成三角洲或冲积扇。    3

7、悬移质泥沙的处理方式悬移质沿垂线的分布规律既是上稀下浓、上细下粗，在引水时便应尽可能地引取表层清水；在处理泥沙时便应尽可能地从底部排沙，这样可以消耗较少的水排除较多的有害泥沙。例如，大型    2007-04-23        水利枢纽的挡水建筑物常设有排沙底孔，排沙隧洞的进口也打在较低的高程，排沙涡管更是布置在渠底上。我们以涡管排除悬移质泥沙为例3，说明应用泥沙分选沉降规律计算分组排沙率的方法。悬移质泥沙在引水渠中的分选沉降可分作三部分。第一部分较粗泥沙，在进入沉沙池后逐

8、渐沉降下来，其沉降距离可按Li=(uh/I)计算，其中i为某粒径组的沉速，为考虑紊动随机性的安全系数，可取1.21.5，如果Li小于沉沙池的长度，该粒径组都将沉降在沉沙池内。第二部分是中等粗细的泥沙，这部分泥沙的沉降长度超过沉沙池长度，但是这部分泥沙沿垂线分布也偏于水深的下部，涡管排沙是从渠道底部排出的，可以认为分界流线以下的高含沙水流都进入涡管排出（见图1），这样中粗泥沙又被排出一部分，排出的分沙比大于分流比。第三部分为细沙，可认为不在沉沙池中沉降。我们按以下方法计算中粗泥沙排出的比例。(2)式中带下标i的表示第i粒径组，Si即为该粒径组在相对水深=y/h处的含沙量，S*i为第i粒径组的垂线

9、平均含沙量，*i=y*/h为该处相对水深。因此(4)式中 J1、J2为两个积分公式，其数值可从有关手册查得，C为谢才系数，为卡门常数，Zi为粒径组的悬浮指标。利用（4）式及J1、J2数值表，可求得绝对含沙量沿垂线的分布。然后计算出悬移质沿垂线的分组输沙率Siq。给出不同的=y/h值，根据流速分布公式可计算分流量q及分流比R= q/q。再用近似积分法计算出在该值下的排沙比qsi/qsi。作为算例，我们将某火电站引水渠中的悬移质分成6组（见表1），其中A、B二组的悬浮指标Zi>5，在引水渠中已不能悬浮，C组Zc=3.3，虽能悬浮，但是悬浮高度不大，在入渠断面不太远处也将沉降，按 &

10、#160;  2007-04-23        Li=K(Uh/I)分别计算出这三组的沉降距离，得LA=20.8m，LB=32.6m、LC=64.2m。F组d<0.05mm，认为不会沉降，不加处理，现只计算D、E二组的分流比和排沙比。计算结果列入表2。表1 悬移质分组表分组号ABCDEF粒径范围(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        悬移质涡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可见，任一相对水深的排沙比都大于相应分流比，而且越小（即越接近渠底），相差倍数越大。同一下，粒径越大，排沙比也越大。例如，当=0.1时，分流比R=7.2%，D组泥沙排沙比ED=55.8%，E组泥沙的排沙比EE=12.4%。若A、B、C三组泥沙的排沙比定为100%，F组泥沙的排沙比为7.2%（同分流比），按加权法可计算出总的排沙比为：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(%) 总排沙比E=67.9%已不算小，而其中d>0.25mm的粗、中沙占了近50%，对灌溉渠道、水电站及工业用水都是十分有利的。由于水流的紊动作用，泥沙的运动具有随机性质，分选沉降现象不可能像计算的那样，将各组截然分开。某些较小的粒径可能被排掉，某些粒径较大的泥沙也有部分保留下来，但其所占比例是不大的。表2是按二元流条件下计算出来的，如果是梯形断面渠道，底部缩窄，含沙量在底部集中，更有利于从底部排沙。此外，如果渠道中流速太大，可局部扩大渠段断面，减小流速，以利泥沙沉降。水库中三角洲淤积及锥体淤积，也是悬移质分选沉降的结果，为了减少库容损失，已研究出了许多水库排沙减

14、淤的有效方法4，其中在汛期实行低水位运用，定出汛限水位，使入库泥沙的分选沉降更趋于坝前，淤积三角洲整体下移，便于水力冲刷排沙出库。没有沉降下来的泥沙，到达坝前后也会分选沉降，使表层水变清，底层水含沙浓度增大。大型水利水电枢纽中都布置有排沙底孔，可以把高浓度的底部含沙水流排出库外，减少淤积。水电站的进水口布置在大坝的较高处，将排沙孔设在进水口的下边，排除进口附近的泥沙，保持进水口的门前清。引黄渠系中泥沙颗粒很细，分选沉降距离很远，在灌区设沉沙条渠沉降泥沙，一条条渠淤满后改作农田，用另一条条渠处理泥沙。表3 电厂引水渠中悬移质分选沉降试验结果取样地点泥 沙 粒 径（mm）d10d50d90进 口0

15、.0218 0.084 0.491#涡管出口0.08 0.20 1.102#涡管出口0.040.135    2007-04-23        0.475末端渠底0.0250.1290.245    4 工程应用实例4.1 某火力发电厂引水渠中泥沙的分选沉降及涡管排沙效果试验某火力发电厂冷却用水从东岸大渠引水，东岸大渠为衬砌渠道。纵坡i=0.81.2%，设计流速v=4.5m/s，汛期含沙量15kg/m3，最大含沙量可达10kg/m3，

16、泥沙粒径d=0.0051.5mm，d50=0.15mm，电厂引水渠设计流量Q=25m3/s，b=5.0m，i=0.00482，m=2，渠道全长530m。由于引水渠经常处于壅水运用状态，泥沙淤积严重。为解决此问题，进行了水力模型试验。模型比尺120。根据悬移质沿程分选原理，在离进水口8.4m及15.8m处各布置一道排沙涡管，在进口处加沙。在两涡管出口及尾门处渠底（距进口20m）取样分析，得出以下结果(见表3)。由表3可见：1.泥沙沿程分选现象明显,下游泥沙各代表粒径均小于上游(进口处除外)。2.涡管出口及末端渠底泥沙中值粒径d50均大于进口泥沙的d50，可见涡管排沙效果好。4.2 金沟河渠首电站

17、涡管排沙式沉沙池渠首电站是金沟河上的最上一级电站,为径流引水式。金沟河是山溪性河道，坡陡流急，泥沙量大粒粗。其中推移质已在渠首及引水渠0+125处用排沙涡管加以处理。悬移质最大粒径dmax=1.0mm,d50=0.128mm需要在沉沙池加以处理。沉沙池为一扩大了的梯形断面渠道，长54m，在池底分设7道排沙涡管，用来排除分选沉落到池底的悬移质。经原型水沙观测取样分析，结果如表4所示。表4 金沟河渠首电站沉沙池泥沙颗粒级配粒径(mm)小 于 某 粒 径 的 沙 重 百 分 比 （%）0.005 0.010.0250.050.100.25    2007-04

18、-23        0.501.0255.010.0d50上断面3.78.813.319.739.682.398.0100    0.1281#号涡管   0.13.039.585.695.897.899.21000.2702#号涡管   0.16.469.696.899.299.9100    2007-04-23       &#