周 磊,安瑞冬,譚升魁,李 嘉

(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610065)

天然河道的水流特性會(huì)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(huì)潛入水庫底部形成異重流。若上游降雨歷時(shí)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(bǔ)充,異重流運(yùn)動(dòng)逐漸減弱甚至消失,在庫區(qū)內(nèi)產(chǎn)生淤積,這將導(dǎo)致水庫綜合效益降低、水庫壽命縮短。在我國(guó)南方河流中,異重流淤積的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,如武漢青山運(yùn)河、筑圍堰斷流后的長(zhǎng)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(jí)開發(fā)的推進(jìn),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(dǎo)致水庫淤積,所形成的水庫異重流在失去后續(xù)渾水補(bǔ)給后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)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(bǔ)充的異重流運(yùn)動(dòng)特性有助于認(rèn)識(shí)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(guó)內(nèi)外的學(xué)者們做了許多水槽試驗(yàn)。Savage等[2]通過水槽試驗(yàn)得到潛入點(diǎn)附近Fr2的范圍為0.09～0.64;Simpson[3]對(duì)動(dòng)水條件下的底層鹽水異重流進(jìn)行研究,指出動(dòng)水中逆水異重流運(yùn)動(dòng)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(jìn)行試驗(yàn),驗(yàn)證了動(dòng)量方程中縱向運(yùn)動(dòng)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(jìn)行異重流試驗(yàn),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(duì)沉淀池中的異重流和槽寬突變時(shí)渾水異重流的局部摻混進(jìn)行了試驗(yàn)研究;程桂福[8]針對(duì)不同水流條件下的異重流進(jìn)行了大量試驗(yàn),分析了異重流運(yùn)動(dòng)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(jìn)行水槽試驗(yàn),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(yàn)通常在來流有持續(xù)補(bǔ)給的條件下進(jìn)行,對(duì)失去補(bǔ)給條件的異重流的運(yùn)動(dòng)研究很少。為此,本文通過水槽試驗(yàn),對(duì)失去后續(xù)渾水補(bǔ)給的異重流前鋒運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)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(jìn)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(xì)的顆粒則保持懸浮狀態(tài),形成三角洲淤積。到達(dá)A點(diǎn)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(yùn)動(dòng),并帶動(dòng)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(diǎn)聚集。運(yùn)動(dòng)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(shí)際工程中得到證實(shí)[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(yùn)動(dòng)速度很小時(shí)超飽和輸沙的特例。因此,分析水庫異重流的淤積成因,應(yīng)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(yùn)動(dòng)時(shí)的挾沙力公式:

對(duì)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(bǔ)給的情況下,水庫異重流運(yùn)動(dòng)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(yuǎn)小于其含沙量,屬于超飽和輸沙。異重流在運(yùn)動(dòng)過程中經(jīng)過粗沙和細(xì)沙的分選沉降,所挾帶的懸沙顆粒細(xì)、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(bǔ)給的情況下,水庫異重流運(yùn)動(dòng)到壩前,但泄流建筑物并沒有及時(shí)開啟,導(dǎo)致壩前淤積。異重流運(yùn)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(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能,在壩前形成淤積,且淤積體的粒徑下粗上細(xì)。這是因?yàn)槭?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(bǔ)給的情況下,水庫異重流沿程所受阻力過大,沒有運(yùn)動(dòng)到壩前而就地淤積。異重流在庫底運(yùn)動(dòng)時(shí)受到交界面與河床的阻力,前鋒不斷克服阻力做功,動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)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(huì)影響異重流的挾沙能力。當(dāng)異重流經(jīng)過彎道、突擴(kuò)突縮斷面及匯口處時(shí),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(yùn)動(dòng)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(bǔ)給而不能運(yùn)動(dòng)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(shí)強(qiáng)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(yùn)動(dòng)。由于降雨歷時(shí)短,運(yùn)動(dòng)中的異重流將迅速失去后續(xù)渾水補(bǔ)給,使得動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)

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(cè)也難以跟蹤異重流的前鋒運(yùn)動(dòng)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(shí)為數(shù)值模擬提供參考,針對(duì)失去后續(xù)渾水補(bǔ)給的異重流前鋒運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了水槽試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)方案

2.1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在兩相流水槽中進(jìn)行,試驗(yàn)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(jìn)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(gè)部分組成,其中出水口的連通器設(shè)計(jì)可保證試驗(yàn)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(zhǎng)20m,寬15cm,高1m。水槽縱向共17個(gè)斷面,斷面間距為120cm。

圖2 兩相流試驗(yàn)水槽示意圖

2.1.2試驗(yàn)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(chǎng)。通過水槽進(jìn)口旁的地下渾水池投入適當(dāng)泥沙,經(jīng)過水泵抽水?dāng)嚢?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(jìn)入水槽,同時(shí)開始計(jì)時(shí)。待渾水潛入水槽底部形成穩(wěn)定的異重流,便開始測(cè)量異重流的厚度和環(huán)境水深。當(dāng)渾水運(yùn)行至距槽首10m處關(guān)閉渾水閥,繼續(xù)觀測(cè)異重流前鋒的厚度和運(yùn)動(dòng)時(shí)間。待異重流運(yùn)行至水槽末端時(shí)結(jié)束試驗(yàn),開啟槽尾閘閥排水。

2.1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

共進(jìn)行了6組失去渾水補(bǔ)給條件下的異重流試驗(yàn),6組試驗(yàn)工況見表1,并對(duì)工況1、工況2進(jìn)行了2組有持續(xù)渾水補(bǔ)給的異重流試驗(yàn),以作對(duì)照。

表1 無渾水補(bǔ)給的異重流試驗(yàn)工況

試驗(yàn)采用d50=0.0149mm的非均勻沙,干密度為1667kg/m3,試驗(yàn)?zāi)嗌臣?jí)配見表2。

表2 試驗(yàn)?zāi)嗌臣?jí)配

2.2 試驗(yàn)成果及分析

渾水進(jìn)入水槽與清水短暫摻混后通常在距水槽進(jìn)水口4m處潛入水槽底部運(yùn)動(dòng),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(xì),潛入異重流的前鋒呈云團(tuán)狀,擴(kuò)散作用明顯。運(yùn)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(dāng)異重流運(yùn)行至距槽首10m處,在有穩(wěn)定后續(xù)渾水補(bǔ)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(bǔ)給的異重流,渾水由于細(xì)顆粒泥沙的絮凝、慣性和擴(kuò)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(yùn)動(dòng)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(gè)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(yùn)行至水槽末端,開啟底孔排水閥后,異重流的運(yùn)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(bǔ)給的異重流前鋒

圖4 失去渾水補(bǔ)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(cè)點(diǎn),并設(shè)異重流前鋒厚度與當(dāng)?shù)乜偹畹谋戎禐棣摹?/p>

為便于分析,設(shè)水槽長(zhǎng)度為L(zhǎng),異重流頭部距水槽進(jìn)口的距離為 x。工況1有持續(xù)渾水補(bǔ)給時(shí),異重流δ全程維持在0.5～0.6之間,而無補(bǔ)給的δ由剛失去補(bǔ)給時(shí)的0.58降至0.26,減小了55%。整個(gè)過程中,失去后續(xù)渾水補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)給的異重流前鋒厚度變化越劇烈。這是因?yàn)槠露仍叫?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(bǔ)給至運(yùn)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(yàn)結(jié)果來看,異重流在失去后續(xù)渾水補(bǔ)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(shì)為渾水入流流速越大,前鋒厚度的變化幅度越小,這是因?yàn)楫愔亓鞯娜肓髁魉僭酱?挾沙能力越強(qiáng)。在渾水入流流速較小的情況下,維持異重流繼續(xù)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度

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

圖7 工況1～2異重流前鋒運(yùn)動(dòng)時(shí)間沿程變化曲線

圖8 為失去補(bǔ)給的異重流在不同渾水入流流速下的沿程運(yùn)動(dòng)時(shí)間。其中,工況6的異重流運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng),至水槽末端運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)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(bǔ)給條件下的異重流的運(yùn)動(dòng)時(shí)間與來流渾水流速有關(guān)。渾水入流流速越大,初始動(dòng)能越大,異重流失去補(bǔ)給后的運(yùn)動(dòng)速度也越大。另外,即使異重流運(yùn)動(dòng)過程中失去后續(xù)渾水補(bǔ)給仍能運(yùn)動(dòng)很長(zhǎng)一段時(shí)間。這是因?yàn)闇喫愔亓髟诮唤缑媾c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(dòng)。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(yùn)動(dòng)很遠(yuǎn)的距離。隨著后續(xù)渾水補(bǔ)給的失去,異重流的動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度逐漸變緩。

圖8 工況3～6異重流前鋒運(yùn)動(dòng)時(shí)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)給后,前鋒厚度逐漸變小,運(yùn)動(dòng)速度緩慢降低,且坡度越小,前鋒厚度與運(yùn)動(dòng)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(bǔ)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(yùn)動(dòng)速度穩(wěn)定。

d.實(shí)際工程中,水庫異重流形成后,當(dāng)入庫渾水流量減小時(shí),異重流逐漸失去后續(xù)渾水補(bǔ)給,前鋒厚度與運(yùn)動(dòng)速度將減小,導(dǎo)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(yùn)動(dòng)速度的減小速率。

[1]金德春.渾水異重流的運(yùn)動(dòng)和淤積[J].水利學(xué)報(bào),1981,12(3):39-48.

[2]SAVAGE S,BRIMBERG J.Analysisof plunging phenomena in water reservoirs[J].J Hydraulic Res,1975,13(2):187-205.

[3]SIMPSON J E.Grarity currents in the laboratory,atmosphere and ocean[J].Ann Rey Fliud Mech,1982(14):213-234.

[4]PAR KER G,GARCIA M,FUKUSHIMA Y.Experiments on turbidity currents over an erodible bed[J].J Hydraulic Res,1987,25(1):123-147.

[5]ALEXANDER J,MULDER T.Experimentalquasi-steady density currents[J].Marine Geol,2002,186:195-210.

[6]范家驊.沉淀池異重流的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)科學(xué):A輯,1984(11):1053-1064.

[7]范家驊.渾水異重流槽寬突變時(shí)的局部摻混[J].水利學(xué)報(bào),2005,36(1):1-8.

[8]程桂福.異重流運(yùn)動(dòng)速度與環(huán)境水流速度關(guān)系的研究[J].泥沙研究,1990(4):77-81.

[9]陳稚聰,林秉南.用鹽水減少異重流泥沙淤積的試驗(yàn)研究[J].泥沙研究,2000(5):32-36.

[10]韓其為.水庫淤積[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[11]李濤,談廣鳴,張俊華,等.水庫異重流研究進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2006(9):21-24.

[12]趙琴,李嘉,安瑞冬.水庫渾水異重流的兩相流模型適用性研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展:A輯,2010,25(1):76-83.

[13]錢寧,萬兆惠.泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2003.