引黄有压管道泥沙冲淤计算模型

引黄有压管道泥沙冲淤计算模型

黄干线从万家寨水库大坝取水。水库左端的2#和3#水库，底部高度为948m。设计运行期间，水库水位为975.980m。由于黄河水的多泥沙特性,在取表层水的情况下,仍然挟带着一定数量的泥沙,这些泥沙在输水系统中可能产生冲淤变化,对输水系统造成影响。本文主要对有压隧洞中的泥沙冲淤计算方法作一个初步的尝试。1采用压力钻孔泥沙冲砂法1.1c克诺罗兹临界流速公式有压隧洞中泥沙是否产生淤积,首先用临界流速来判断。确定临界流速有两种情况:一种是管道两相流动不发生颗粒淤积的完全悬浮工作状态;一种是管道两相流动允许存在一定的淤积的不完全悬浮工作状态。前者称第一临界流速,后者称第二临界流速。判断隧洞中的淤积是基于第一临界流速而进行的。根据引黄泥沙粒径小的特点,选择与此相适应的B·C·克诺罗兹临界流速公式:vk=0.20(1+3.43C′wD0.75k−−−−−−−√4)β式中,vk为临界流速(m/s);C′w为重量稠度,即单位时间流过的固体重量与水的重量之比,与100相乘后代入公式;Dk为输送管道临界流时的管径;β为混合液流速校正系数,按下式计算:β=γs/γ−11.7γ、γs分别为清水和密实固体容重,当γs/γ≤2.7时,上述临界流速公式不乘校正系数。1.2有压管道恒流计算模式的改进有压管道泥沙冲淤计算借用明渠流的一维恒定全沙模型,将其应用到有压隧洞计算时,对计算模式进行必要的修改。主要是将明渠的水流圣维南方程组改为有压管道恒定流计算模式;将断面泥沙淤积随水深分布改为淤积水平分布等。1.2.1各断面流速设定水流连续方程:∂Q∂x=0因沿程流量不变,各断面流速为:vi=QAi式中,Q为流量;vi为第i断面流速;Ai为第i断面过水面积。各断面过水面积随泥沙淤积而变化。1.2.2床面泥沙组成泥沙连续方程:γ′∂As∂t+∂(QS)∂x=0悬移质不平衡输沙计算模式:∂(QSk)∂x=−αωkB(Sk−S*k)床沙组成方程:γ′∂(EmPk)∂t+∂(QSk)∂x+ε1[ε2P0k+(1−ε2)Pk](∂Zs∂t−∂Em∂t)=0式中,As为隧洞断面淤积变形面积;γ′为泥沙容重;Sk和S*k分别为悬移质分组含沙量和分组水流挟沙力;ωk为分组泥沙的沉速;α为恢复饱和系数;Pk为混合层床沙组成;P0k为原始床面泥沙级配;Em为混合层厚度;ε1和ε2为标记纯淤积计算时ε1=0,否则ε1=1,当混合层下边界波及到原始床面时ε2=1,否则ε2=0;k为非均匀沙分组序数,且满足S=∑kSk‚S∗=∑kS*k。1.2.3泥沙悬移质的计算阻力计算采用长管水头损失的达西公式:Jf=AQ2A为比阻,即单位流量通过单位长度管道所损失的水头,A=8λπ2gd5=f(λ‚d),随管径和阻力系数而变。分组水流挟沙力采用张瑞瑾公式计算:S*k=K(U3gRωk)m式中,K、m分别为待定的系数和指数,R为水力半径,U为断面平均流速。混合层厚度Em=Cdh,系数Cd一般取0.1～0.2。因引黄泥沙颗粒很细,所以只计算悬移质,不考虑推移质计算。引黄隧洞已作衬砌处理,故以不可冲的基面当作原始床面。2采用压力滤波法计算减压泥浆和冲砂泥浆2.1年平均含沙量及悬沙级配引黄入晋工程引水水源是多泥沙的黄河。万家寨水库计算水沙系列长10年,设计入库水量200.6亿m3,设计入库输沙量1.49亿t,多年平均含沙量7.42kg/m3。万家寨水库于1998年10月下闸蓄水进入初期运用,水库初期运用为拦沙运用阶段,到达坝前的泥沙较少,引黄引沙量也较小。本次计算的水沙条件,不考虑万家寨水库的初期运行,仅考虑万家寨水库冲淤相对平衡后的引水引沙。根据万家寨水库和引黄工程的运用情况,引水期为每年10月1日到翌年7月31日,共计引水304d,8、9两月为万家寨水库排沙期,不引水。在万家寨水库达到冲淤平衡后,设计入库水沙系列经万家寨水库泥沙冲淤计算和垂线含沙量分布计算,在引黄取水口得到各年取表层水的月平均含沙量过程和颗粒级配。本次用于有压隧洞的计算根据引水含沙量的不同选择3个方案,每个方案计算一个引水年:方案1取10年系列的平均含沙量;方案2取10年中的大沙年含沙量,方案3取10年中的小沙年含沙量。含沙量和悬沙颗粒级配如表1、2。引黄工程初期运行引水流量12.9m3/s,引水期内均匀引水,多年平均引沙量32.02万t,大沙年引沙量为45.81万t,小沙年引沙量为5.76万t。2.2u3/gr—计算参数的选取泥沙冲淤计算待定参数的选取一般要通过实测资料的验证,但目前缺乏有压管道中泥沙淤积的实测资料,因此参数只能由通常的取值或查相关经验关系曲线来确定。几个主要参数取值如下:恢复饱和系数α借用通常的取值,淤积时取0.25,冲刷时取1.0。挟沙力公式的系数k和指数m的取值由U3/gRω—k和U3/gRω—m经验关系曲线来确定。根据水沙及管径等条件,求得U3/gRω的值为104.8,由关系曲线查得m=0.65,k=0.3～1.2。通过对k的不同取值进行多次试算及合理性分析,最后确定系数k取0.35。由于来沙比较细,且只计算一个引水年,即泥沙淤积年限短,由此查孔隙率曲线确定φ的取值,淤积泥沙孔隙率φ取值0.6。3有压隧道中泥沙的地层引黄干线中,沿程布设了多段有压隧洞,其中以3#、4#隧洞长度较长(长度分别为812.21m和1698.92m),洞径最大(为5.6m),有压隧洞中的泥沙淤积主要发生在此二隧洞中。因此,为了分析计算模型的应用效果,下面对这两隧洞的计算结果作一分析。3.1围岩泥沙的监测根据克诺罗兹临界流速公式判断,引水流量为12.9m3/s,当平均含沙量0.94kg/m3和大沙年含沙量1.34kg/m3时,临界流速分别为0.70m/s和0.75m/s,大于隧洞中的实际流速,因此隧洞中要产生泥沙淤积;而当小沙年含沙量0.17kg/m3时,临界流速为0.42m/s,小于隧洞中的实际流速,因此隧洞中不会产生泥沙淤积。3.2计算两匝道串联成一个长管的计算结果3#、4#隧洞断面均为直径5.6m的圆形。在3#隧洞沿程截取4个断面,4#隧洞沿程截取7个断面,将两隧洞串联成一个长管进行计算,计算结果如下。3.2.1#、3#4#隧道多年平均来沙年(方案1)一个引水年的引沙量为32.02万t,至4#隧洞末端出口沙量为31.88万t,3#、4#隧洞共淤积泥沙0.14万t(1314m3),排沙比为99.56%。其中3#隧洞淤积424m3,4#隧洞淤积890m3。大沙年(方案2)一个引水年的引沙量为45.81万t,至4#隧洞末端出口沙量45.12万t,3#、4#隧洞共淤积泥沙0.69万t(6530m3),排沙比为98.49%。其中3#隧洞淤积2218m3,4#隧洞淤积4312m3。小沙年(方案3)一个引水年的引沙量为5.76万t,至4#隧洞末端出口沙量仍为5.76万t,隧洞中不产生泥沙淤积。3.2.2碎片3#、4#隧洞沿程各断面淤积情况见表3。表中断面号为从上往下排列,其中1～4是3#隧洞,4～10是4#隧洞。3.2.3围岩泥沙颗粒级配含沙水流经过隧洞,在隧洞中产生一定的淤积,但淤积只发生在含沙量较大的时段,4#隧洞出口各月平均含沙量见表4。方案1:10月份的含沙量进口是1.84kg/m3,出口是1.83kg/m3,7月份含沙量进口是4.05kg/m3,出口是4.01kg/m3,其它各月的进、出口含沙量几乎没有变化。方案2:从10月到翌年6月,隧洞中基本没有泥沙淤积,淤积主要发生在含沙量较大的7月,7月份含沙量进口是10.72kg/m3,出口是10.52kg/m3;以上两个方案,由于淤积率都不大,因此发生淤积的时段进、出口含沙量变化也都不明显。方案3进、出口各月含沙量无任何变化。4#隧洞出口泥沙颗粒级配见表5,与进口泥沙颗粒级配比较,方案1和方案2的细沙比例略有增加,说明隧道中产生的淤