李沛霖, 楊勝發(fā)，周倩倩，李 倩

(1.重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心, 重慶 400074；2.徐州市水利科學(xué)研究所，江蘇 徐州 221000)

三峽庫區(qū)細(xì)沙輸移運動狀態(tài)的水槽試驗研究

李沛霖1, 楊勝發(fā)1，周倩倩2，李 倩1

(1.重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心, 重慶 400074；2.徐州市水利科學(xué)研究所，江蘇 徐州 221000)

三峽庫區(qū)內(nèi)淤積泥沙均屬細(xì)顆粒泥沙范疇，運動規(guī)律較為復(fù)雜。依靠傳統(tǒng)泥沙理論即以挾沙力為判斷標(biāo)準(zhǔn)，所得沖淤情況與實際觀測情況有所出入，需進(jìn)行進(jìn)一步研究。在三峽庫區(qū)典型淤沙河段——皇華城河段現(xiàn)場觀測的基礎(chǔ)上，通過水槽試驗研究庫區(qū)細(xì)顆粒泥沙的運動特點，對不同水深流速下細(xì)顆粒泥沙的運動狀態(tài)進(jìn)行歸類整理，發(fā)現(xiàn)其淤積過程可根據(jù)水深與流速的不同劃分為3個區(qū)域，即沖刷區(qū)、相對平衡輸送區(qū)及淤積區(qū)，并指出用流速作為判斷細(xì)沙輸移狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)更符合庫區(qū)實際沖淤情況。

三峽水庫；常年回水區(qū)；細(xì)顆粒泥沙；原型觀測；水槽試驗；泥沙沖淤

1 研究背景

三峽工程的泥沙問題一直受到社會各界的廣泛關(guān)注。清華大學(xué)、南京水利科學(xué)研究院、長江科學(xué)院等國內(nèi)有關(guān)科研院校在三峽論證階段開展了大量的泥沙物理模型和數(shù)學(xué)模型研究工作[1-3]。按照傳統(tǒng)的觀點，水庫蓄水后，常年回水區(qū)航道條件應(yīng)顯著改善[4-5]，但運行十余年后的實測地形表明，三峽成庫初期的泥沙淤積規(guī)律與原有研究成果有所出入，超過99%的泥沙都淤積在常年回水區(qū)內(nèi)[6]，局部河段已出現(xiàn)礙航，如忠縣皇華城河段淤積厚度最大超過50 m[7]，且淤沙多為中值粒徑約0.01 mm左右的細(xì)沙[8]，而傳統(tǒng)觀念認(rèn)為這些細(xì)沙是沖瀉質(zhì)，基本不會落淤[9]。對此有學(xué)者提出庫區(qū)細(xì)沙存在絮凝現(xiàn)象[10-11]，并根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)指出此類細(xì)沙可考慮以流速作為判別標(biāo)準(zhǔn)判斷沖淤[12]。本研究旨在通過水槽試驗驗證以流速為指標(biāo)判別沖淤的可行性，進(jìn)一步探索三峽庫區(qū)航道內(nèi)泥沙的輸移過程，為揭示庫區(qū)細(xì)顆粒泥沙的運動過程及規(guī)律奠定理論基礎(chǔ)。

2 原型觀測

由于泥沙運動問題的復(fù)雜性，在研究過程中對三峽泥沙具體情況進(jìn)行原型觀測十分必要。因三峽庫區(qū)泥沙淤積主要集中在汛期，為使所測數(shù)據(jù)具有代表性，觀測時間選擇在2012年汛期進(jìn)行。觀測地點在忠縣皇華城典型淤積河段，如圖1所示，共布置8個斷面，27條垂線，193個測點。采用聲學(xué)多普勒流速儀測量測點瞬時流速，使用聲學(xué)多普勒流速剖面儀沿每條垂線方向按1 m分層測量平均流速，回聲測深儀測量水深，水下攝像系統(tǒng)觀察測點泥沙運動狀態(tài)。

圖1 皇華城河段現(xiàn)場量測布置Fig.1 Arrangement of field measurements at Huanghuacheng reach

根據(jù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)對該河段泥沙沖淤特點進(jìn)行初步分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流速約<0.5 m/s(隨水深的變化略有不同)時發(fā)生淤積；因淤積物的粒徑較小，其黏性導(dǎo)致沖刷流速較大，因此即使超過淤積流速，也并不能立即發(fā)生沖刷，直到流速增加至約1.1 m/s以上才出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象；流速介于約0.5～1.1 m/s之間時，則輸沙相對平衡，為不沖不淤狀態(tài)。水深流速關(guān)系存在3個明顯的分區(qū)：沖刷區(qū)、相對平衡輸送區(qū)和淤積區(qū)。且若以挾沙力判斷沖淤，則與實際情況不符，因此可嘗試用流速作為判別庫區(qū)細(xì)沙輸移狀態(tài)的條件[12]，原型觀測水深流速分布如圖2中實測部分所示。

圖2 不同流速和水深條件下的泥沙運動狀態(tài)Fig.2 Status of sediment movement in the presence of varying flow velocity and water depth

3 試驗設(shè)計

現(xiàn)采用水槽試驗的方法，對該結(jié)論進(jìn)一步分析與驗證。試驗在6.0 m×0.25 m×0.20 m(長×寬×高)的水槽中進(jìn)行，水槽變坡范圍為0.0%～3.0%，最大供水流量可達(dá)25 L/s，在水槽進(jìn)口設(shè)玻璃珠和過流板組成的消能措施來保證進(jìn)口水流平順。水槽采用非恒定流控制系統(tǒng)，選用LS-401型直讀式流速儀測流速，測量時間為10 s。采用電磁流量計實時監(jiān)測流量過程，采用超聲水位計進(jìn)行實時水位測量，計算機(jī)采樣頻率為10 Hz。試驗在水槽的上部、中部和尾部布設(shè)3 個超聲水位探頭。為使水位的測量更加準(zhǔn)確，試驗前對超聲水位計進(jìn)行標(biāo)定。

試驗用沙為忠縣皇華城河段現(xiàn)場取回的原沙樣[13]。采用激光粒度分析儀對沙樣進(jìn)行粒徑測量分析，選取3組沙樣分別進(jìn)行測定，結(jié)果取3組平均值，由測量結(jié)果得沙樣的平均中值粒徑D為17.406 μm。

本試驗針對沖刷、淤積流速的測定設(shè)置2組不同的方案。主要目標(biāo)為測定細(xì)沙呈沖刷、淤積狀態(tài)時的臨界流速，通過對不同水深流速下泥沙運動狀態(tài)的觀察，劃分淤積、相對平衡輸送和沖刷狀態(tài)的區(qū)域范圍，并判定淤積與沖刷流速。

3.1 沖刷流速測定試驗方案

試驗整體布置如圖3所示，中間為4 m 長的試驗段，試驗段內(nèi)鋪設(shè)厚度為1 cm的試驗沙，兩端鋪設(shè)粒徑為5 mm的粗沙，水槽比降為0‰，分別在1#，2#，3#斷面處設(shè)置流速測點，流速取值為3個斷面測定流速的平均值，水流含沙量為1 g/L，每組試驗時間為1 h。在1#，2#，3#斷面中點處設(shè)置底部沙樣厚度觀測點，分別測定每組試驗前后鋪設(shè)沙樣的厚度差值，當(dāng)?shù)撞砍拭黠@沖刷狀態(tài)且底部泥沙厚度呈累積減小趨勢時，判定該流速下泥沙運動呈沖刷狀態(tài)，該組流速為沖刷區(qū)域流速，記錄水位值，測定流速，記錄泥沙運動狀態(tài)。

圖3 沖刷流速測定的水槽試驗布置Fig.3 Arrangement of flume experiment on the critical flow velocity of scouring

3.2 淤積流速測定試驗方案

由于水槽底部鋪沙不易于淤積量觀測，在測定淤積流速時，水槽內(nèi)不鋪設(shè)沙樣，從玻璃水槽底部觀測泥沙淤積情況，試驗布置見圖4。水流含沙量為1 g/L，每組試驗時間為1 h ，根據(jù)泥沙淤積量大小定時在水流中補(bǔ)充一定量原沙，使水流含沙量保持在1 g/L左右。隨流速減小，水流中粗顆粒泥沙較早淤積，此時可以在水槽底部觀察到淤積泥沙，但并不好判定細(xì)沙的淤積流速。為準(zhǔn)確測定該沙樣充分淤積時的流速，在試驗后分別取水槽底部淤積泥沙及水流中沙樣，量測泥沙粒徑。當(dāng)?shù)撞坑俜e泥沙粒徑接近原沙樣粒徑時，可推斷：該流速下泥沙已充分淤積，即小于該流速時，泥沙呈淤積狀態(tài)；大于該流速且小于沖刷流速時，泥沙呈輸沙平衡狀態(tài)。

圖4 淤積流速測定的水槽試驗布置Fig.4 Arrangement of flume experiments on the critical flow velocity of deposition

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 試驗數(shù)據(jù)及現(xiàn)象

表1為淤積流速測定粒徑結(jié)果分析。從表1中數(shù)據(jù)可以看出:隨流速減小，淤積泥沙中值粒徑值均逐漸降低，即淤積泥沙細(xì)沙含量增大，細(xì)沙沉降逐漸增多；當(dāng)流速為0.098 m/s時，底部中值粒徑為18.115 μm，接近皇華城泥沙中值粒徑17.406 μm，此時，水流中細(xì)沙大部分沉降，可判斷該流速為細(xì)沙淤積流速。沖淤流速測定水槽試驗數(shù)據(jù)見表2。

表1 淤積流速測定泥沙粒徑分析Table 1 Median particle sizes for determining the critical velocity of deposition

表2 部分水槽試驗數(shù)據(jù)Table 2 Part of flume experimental data

4.2 結(jié)果分析

由表2可知：當(dāng)流速大于0.363 m/s時，泥沙呈沖刷狀態(tài)，水槽底部出現(xiàn)較明顯沙波，隨流速降低，沙波尺度逐漸減小；當(dāng)流速小于0.126 m/s時泥沙呈淤積狀態(tài)，淤積泥沙表面平順，無明顯波紋；流速介于二者之間時，水槽底部泥沙呈小尺度沙波或沙紋，厚度無明顯變化，為輸沙平衡狀態(tài)?？沙醪綄?種狀態(tài)劃分為3個區(qū)域，各區(qū)泥沙沖淤形態(tài)如圖5所示。結(jié)合圖2實測數(shù)據(jù)與水槽試驗結(jié)果的對比可知，無論是在現(xiàn)場觀測還是在水槽試驗中，細(xì)顆粒泥沙運動均可根據(jù)泥沙沖淤狀態(tài)隨流速分布情況的不同劃分為3個區(qū)域，因此基本確定可用流速作為判斷庫區(qū)細(xì)沙輸移運動狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 水槽底部泥沙沖淤形態(tài)Fig.5 Sediment status on the bottom of flume

5 結(jié) 論

本文基于三峽庫區(qū)皇華城水道原型觀測情況對庫區(qū)細(xì)沙開展輸移運動狀態(tài)的水槽試驗研究，通過對試驗現(xiàn)象及所測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到主要結(jié)論如下：

(1) 原型觀測中觀察到中值粒徑約為0.01 mm的細(xì)沙在庫區(qū)大水深條件下發(fā)生落淤現(xiàn)象，與實測地形顯示的三峽蓄水運行后常年回水區(qū)內(nèi)所呈現(xiàn)的淤積狀態(tài)不相符，表明三峽成庫初期泥沙的淤積規(guī)律與原有研究成果存在一定的差異，需有針對性地開展進(jìn)一步研究。

(2) 據(jù)原型觀測和水槽試驗結(jié)果可知，在所量測的水深范圍內(nèi)此類細(xì)沙的輸移狀態(tài)隨著流速的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律，可將其初步劃分為3個區(qū)域：沖刷區(qū)、淤積區(qū)以及沖淤平衡狀態(tài)的輸送區(qū)，初步可用流速作為劃分庫區(qū)細(xì)沙輸移狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 據(jù)量測結(jié)果，在三峽庫區(qū)皇華城水道原型觀測中，可初步判斷流速約<0.5 m/s時發(fā)生淤積，流速介于約0.5～1.1 m/s時泥沙平衡輸送，流速約>1.1 m/s時發(fā)生沖刷。在水槽試驗中，可初步判斷流速約<0.13 m/s時發(fā)生淤積，流速介于約0.13～0.36 m/s時泥沙平衡輸送，流速約>0.36 m/s時發(fā)生沖刷。其中原型觀測與水槽試驗所量測數(shù)據(jù)結(jié)果之間的關(guān)系及庫區(qū)細(xì)沙輸移狀態(tài)與水深的關(guān)系有待進(jìn)一步探究。

[1] 長江科學(xué)院.三峽工程泥沙問題研究成果匯編(150米蓄水位方案)[R].武漢：長江科學(xué)院,1986.

[2] 國務(wù)院三峽工程建設(shè)委員會辦公室泥沙專家組.長江三峽工程泥沙問題研究(1996—2000)第八卷[M]. 北京: 知識產(chǎn)權(quán)出版社, 2002.

[3] 國務(wù)院三峽工程建設(shè)委員會辦公室泥沙專家組.長江三峽工程泥沙問題研究(2001—2005)第二卷[M]. 北京: 知識產(chǎn)權(quán)出版社, 2008.

[4] 梁棲蓉,黃 齡. 三峽水庫泥沙淤積預(yù)估[J]. 長江科學(xué)院院報,1994,11(3):1-8.

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(編輯：劉運飛)

Flume Experiment of Fine Sediment Transport inthe Three Gorges Reservoir

LI Pei-lin1, YANG Sheng-fa1, ZHOU Qian-qian2, LI Qian1

(1.National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation, Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074, China; 2. Xuzhou Institute of Hydraulic Research, Xuzhou 221000, China)

Most sediment deposition in the Three Gorges Reservoir is fine sediment with complex transport laws. The erosion and deposition calculated from traditional theories, in which sediment carrying capacity is regarded as a criterion, is inconsistent with actual measurement results. On the basis of field measurement results of Huanghuacheng reach, a typical reach of sediment deposition, flume experiment was conducted to further explore the transport of fine sediment. According to the experimental data, three different areas can be divided according to flow velocity and water depth: erosion area, sediment transport area with relative equilibrium, and deposition area. The discriminating standard of critical condition of erosion or deposition status was not determined by the comparison between sediment concentration and sediment carrying capacity, but by the flow rate.

Three Gorges Reservoir; backwater area; fine sediment; prototype observation; flume experiment; erosion and deposition

2016-02-29；

2016-04-27

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YEC0402104)；重慶市研究生科研創(chuàng)新項目(CYS16175)

李沛霖(1991-)，女，河南禹州人，碩士研究生，主要從事河道治理及航道工程方面的研究，(電話)023-62647196(電子信箱)aglindsay@163.com。

楊勝發(fā)(1970-)，男，四川鄰水人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事港口、海岸及近海工程和水力學(xué)及河流動力學(xué)方面的研究，(電話)023-62896714(電子信箱)ysf777@163.com。

10.11988/ckyyb.20160159

2017,34(5):1-4

TV143.4

A

1001-5485(2017)05-0001-04