靳子璇

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院試驗(yàn)研究所，新疆 昌吉 831100）

1 工程概況

新疆克孜爾水庫(kù)是一座多功能的水利樞紐工程，兼顧防洪、灌溉、發(fā)電等。流域主要來(lái)源是上游冰川性融水與降水，入庫(kù)水沙年際變化不大，年內(nèi)分布不均。入庫(kù)干流穆扎提河上游來(lái)沙較細(xì)，為粉土和沙組合而成，小于0.007 mm的細(xì)粉土約占十分之一，介于0.007 mm和0.05 mm之間的粗粉土約占七成，0.05 mm＜d＜0.5 mm的中、細(xì)沙占16.5%；小于0.007 mm的細(xì)粉土和介于0.007 mm和0.05 mm之間的粗粉土在支流黑孜河上游來(lái)沙中占主要成分，較干流來(lái)沙更細(xì)，故在相同的條件下，單位體積水流含沙量更大，水流濃度更高。

2 異重流運(yùn)動(dòng)特性

上游含沙渾水涌入庫(kù)區(qū)高水位庫(kù)段，因來(lái)水與庫(kù)區(qū)清水濃度不同，質(zhì)量體積比不同，來(lái)水在重力作用下沉入清水以下，沿庫(kù)底前行。來(lái)水進(jìn)入清水的位置可在水面上看到清、混水的分界線，此分界線即類(lèi)似于明流中緩流向急流變化的臨界面[1-2]。

采用范家驊公式[3]，來(lái)判別異重流是否產(chǎn)生：

式（1）、（2）中：Fr′-修正弗汝德數(shù)；

v0——潛入點(diǎn)的流速，m/s；

ηg——重力修正系數(shù)；

h0——潛入點(diǎn)的水深，m；

g′——有效重力加速度，m/s2；

Q——潛入點(diǎn)流量，m3/s；

B——潛入點(diǎn)寬度，m；

q0——潛入點(diǎn)單寬流量，m3/（s·m）；

g——重力加速度，m/s2。

蘆田和男就異重流的潛入點(diǎn)水深h0與單寬流量q的關(guān)系，通過(guò)假定靜壓力和v為常數(shù)得出[4]，公式如下：

式中：q——單流量，m3/（s·m）；

J——河床比降，‰。

武漢大學(xué)水利學(xué)院總結(jié)的明渠挾沙能力公式：

式中：K、m——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)、經(jīng)驗(yàn)指數(shù)；

h——計(jì)算點(diǎn)水深；

v——流速，（v=C；C—謝才系數(shù)，C=，λ—沿程阻力系數(shù)）；

ω0——單顆泥沙沉降速度，而異重流運(yùn)動(dòng)中泥沙為群體式沉降，用ωs表示；

單顆泥沙沉降速度ω0的計(jì)算公式為：

式中：ρα——顆粒密度，g/cm3，取1.5；

ρ0——流體密度，g/cm3，取1.0；

d50——含量占50%的粒徑值，mm；

μ——?jiǎng)恿φ扯圈?vp，運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)v=，t取25℃。

ω0、ωs兩者關(guān)系為：

式中：Sv——體積含沙量，kg/m3。

將v、C代入公式（4）得異重流挾沙力計(jì)算公式：

式中：Δγ、γ′——分別為水和泥沙的容重差、含沙水流的容重；

K、K′——挾沙力計(jì)算系數(shù)。

由范家驊、蘆田和男及武漢大學(xué)關(guān)于異重流研究資料成果顯示，庫(kù)區(qū)運(yùn)行水位、庫(kù)區(qū)河段地形、上游入庫(kù)水沙等因素會(huì)影響異重流的形成與運(yùn)行。

3 影響因素分析

結(jié)合克孜爾水庫(kù)運(yùn)行資料分析各因素對(duì)異重流的影響[6-7]。

3.1 水庫(kù)運(yùn)行水位對(duì)異重流的影響

經(jīng)變換可得：

式中：H——庫(kù)水位，m；

hs——河底高程，m。

故異重流運(yùn)動(dòng)能否形成受水庫(kù)運(yùn)行水位正相關(guān)影響。在已知水庫(kù)運(yùn)行水位和庫(kù)區(qū)河底高程的情況下，可反推出異重流的沉入位置。由于渾水下潛位置會(huì)決定異重流在庫(kù)區(qū)內(nèi)運(yùn)行的距離，而水庫(kù)庫(kù)水位的變化則會(huì)改變潛入位置。當(dāng)上游來(lái)水流量減少時(shí)，水庫(kù)運(yùn)行水位會(huì)隨之降低，渾水潛入位置則會(huì)向下游偏移。反之，潛入位置會(huì)向上游偏移。根據(jù)克孜爾水庫(kù)監(jiān)測(cè)異重流運(yùn)動(dòng)在行洪期間排沙資料，并統(tǒng)計(jì)出相應(yīng)的水庫(kù)運(yùn)行庫(kù)水位高程，見(jiàn)表1。

表1 克孜爾水庫(kù)洪水期間異重流排沙資料

3.2 庫(kù)區(qū)地形的影響

異重流在庫(kù)區(qū)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)能量主要由上游高地勢(shì)產(chǎn)生的勢(shì)能逐漸轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，沿程會(huì)在河道變寬、分叉、河道轉(zhuǎn)彎等處不斷消耗能量，在水流剩余能量不能繼續(xù)維持異重流向下游繼續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，異重流現(xiàn)象就會(huì)消失，水流挾帶泥沙就會(huì)原地落淤。

克孜爾水庫(kù)入庫(kù)河流均為上游狹窄，到下游逐漸變寬，水流在庫(kù)區(qū)動(dòng)蕩，流向不統(tǒng)一，水流相互混摻，內(nèi)部能量相互抵消，使得已形成的異重流運(yùn)動(dòng)能量不足，沒(méi)有足夠的能量將上游來(lái)沙挾帶出庫(kù)。另外，逐年不斷淤積的泥沙逐漸抬高庫(kù)底河床，庫(kù)底比降不斷變緩，異重流重力沿水流流向的分量減少，異重流運(yùn)行速度降低。

3.3 入庫(kù)流量與含沙量

由挾沙力公式可知，上游含沙水流流速越大，挾帶泥沙能力就越強(qiáng)，異重流運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力即為重力沿庫(kù)底方向的分量，因此來(lái)洪期間入庫(kù)水流流量大，含沙濃度高，異重流的運(yùn)行速度快，在庫(kù)內(nèi)運(yùn)行時(shí)間段。統(tǒng)計(jì)黑孜河歷年洪水期間入庫(kù)洪水流量、含沙量、排沙比資料，并點(diǎn)繪成圖，詳見(jiàn)圖1。

圖1 黑孜河多年入庫(kù)洪水流量與含沙量關(guān)系圖

根據(jù)圖1可知：黑孜河多年入庫(kù)含沙量Qs≥10kg/m3，入庫(kù)流量Q≤100 m3/s時(shí)黑孜河來(lái)水容易達(dá)到異重流形成條件，可利用異重流排沙方式進(jìn)行排沙。當(dāng)入庫(kù)流量Q＞100 m3/s時(shí)，水流挾帶泥沙能力隨水流流量增加而增強(qiáng)，含沙濃度增高。但異重流運(yùn)動(dòng)屬于動(dòng)力學(xué)的超飽和運(yùn)動(dòng)形態(tài)，并不是流速越大、含沙量越高異重流排沙效果越好。入庫(kù)流量大，含沙濃度高，只能表明產(chǎn)生的異重流的初速度大，運(yùn)行速度快，最終泥沙能否被挾帶出庫(kù)還應(yīng)綜合考慮其他因素。

4 結(jié)論

通過(guò)異重流運(yùn)動(dòng)特性分析表明，在特定的邊界條件下，異重流現(xiàn)象的產(chǎn)生及其運(yùn)動(dòng)、傳播等，受水庫(kù)運(yùn)行水位、庫(kù)區(qū)河段地形、上游入庫(kù)水沙影響。

利用克孜爾水庫(kù)多年洪水期間異重流排沙數(shù)據(jù)，定量分析水庫(kù)運(yùn)行水位、庫(kù)區(qū)河段地形、上游入庫(kù)水沙等數(shù)據(jù)對(duì)異重流在庫(kù)區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的影響：一是潛入位置隨水庫(kù)運(yùn)行水位降低，潛入點(diǎn)向下游偏移。反之，向上游偏移。二是庫(kù)區(qū)底坡坡度越大，異重流前進(jìn)動(dòng)力越大，運(yùn)行速度越快。反之，運(yùn)行速度慢；三是來(lái)水來(lái)沙量越小，異重流初始能量越低，異重流運(yùn)行的速度越慢。反之，初始能量高，運(yùn)行速度快。