高含沙水流對(duì)亭口水庫泄洪洞泄流能力影響的試驗(yàn)研究與分析探討

李 樂，張耀哲

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100；2.咸陽市水利工作隊(duì)，陜西 咸陽 712000)

1 引言

多沙河流的泄洪建筑物經(jīng)常遭遇高含沙水流，與一般的清水或低含沙量洪水相比，這一特殊工況對(duì)過流能力的影響如何，經(jīng)常引起工種技術(shù)人員的思考，但很少見到相關(guān)的分析探討。它所涉及到的主要問題是高含沙水流阻力規(guī)律的研究。近年來學(xué)術(shù)界的研究已基本達(dá)成共識(shí)，即水庫河道的高含沙水流為賓漢非牛頓體。本文以亭口水庫工程為例分析和探討了高含沙水流對(duì)水庫泄洪建筑物過流能力的影響，得出了實(shí)際工程運(yùn)行中高含沙水流工況對(duì)排沙洞泄流能力的影響可忽略不計(jì)的初步結(jié)論，為確定亭口水庫工程排沙洞布置方案提供了依據(jù)。

2 關(guān)于賓漢體高含沙水流阻力規(guī)律的研究

2.1 賓漢非牛頓流體

流體的流型問題較為復(fù)雜，總體而言當(dāng)流體流型不能再用牛頓流體的本構(gòu)方程描述時(shí)，稱之為非牛頓流體。為便于研究，一般將挾沙水流顯示為非牛頓流體運(yùn)動(dòng)特征統(tǒng)稱為高含沙水流。學(xué)者通過大量的試驗(yàn)得出結(jié)論，挾沙水流中粘性細(xì)顆粒含量是影響相同濃度時(shí)挾沙水流是否為非牛頓體的重要因素。非牛頓流體一般分為賓漢體、偽塑性體、膨脹體。賓漢體模型的本構(gòu)方程如下式：

(1)

賓漢體流變特性的主要規(guī)律有：①隨著濃度的增加、細(xì)顆粒含量增多，剛度系數(shù)增大。由于“剛度系數(shù)”是反映高含沙水流內(nèi)在阻力的尺度，因此濃度和級(jí)配組成是影響高含沙水流阻力的一個(gè)主要因素。因此泥沙濃度、顆粒級(jí)配是影響高含沙水流阻力的主要因素。②與“剛度系數(shù)”一樣，極限切應(yīng)力值的變化也與泥沙濃度、細(xì)顆粒泥沙含量有關(guān)，其值也隨含沙量和細(xì)顆粒泥沙含量的增加而增加。

2.2 賓漢體高含沙水流阻力規(guī)律問題研究

多年來，對(duì)于高含沙水流的阻力問題主要是通過室內(nèi)水槽及管道試驗(yàn)進(jìn)行研究。但目前由于高含沙水流的模型率問題沒有得到解決，將室內(nèi)小尺度水槽和管道實(shí)驗(yàn)的成果仍無法有效通過比尺放大推演到原型。盡管高含沙水流阻力問題非常復(fù)雜研究成果甚微，但一些定性的研究結(jié)果對(duì)于我們討論相關(guān)工程問題仍具有指導(dǎo)意義。

首先，已有的共性結(jié)論是特定條件下高含沙水流具有一定的減阻作用，其中0.015 mm粒徑以下粘性顆粒的含量，對(duì)減阻的效果有直接影響，級(jí)配適宜的高含沙水流可以在天然河道中和灌溉渠道中長(zhǎng)距離輸送說明了這一點(diǎn)。

其次，用系列模型試驗(yàn)法(不同比尺的模型由小到大研究同一中物理現(xiàn)象，以觀測(cè)尺度對(duì)特定物理規(guī)律的影響)對(duì)高含沙水流的阻力變化規(guī)律進(jìn)行定性研究的結(jié)論是高含沙水流的阻力比尺是小于1的，也就是說受極限切應(yīng)力τb影響，在室內(nèi)的小尺度模型中，水流的阻力等參數(shù)比原型反映得更大。

3 亭口水庫壩區(qū)高含沙渾水的流變學(xué)特征

3.1 亭口水庫排沙洞基本情況

亭口水庫工程地處陜西省咸陽市長(zhǎng)武縣境內(nèi)涇河一級(jí)支流黑河上，壩址距離河口2.0 km，為Ⅱ等大(2)型水庫，是彬長(zhǎng)礦區(qū)的骨干水源工程，以工業(yè)和城鎮(zhèn)生活供水為主，兼顧發(fā)電、防洪等綜合效益。壩址處河床段為攔河壩，在右岸依次布置泄洪排沙洞、輸水洞、溢洪道。樞紐右岸緊靠大壩布置泄洪排沙洞，主要任務(wù)是在運(yùn)行期起到泄洪、排沙的作用，在施工期兼顧導(dǎo)流的任務(wù)，洞室圍巖以砂巖、頁巖為主。泄洪排沙洞主要由進(jìn)口放水塔、洞身段、出口明渠段、挑流鼻坎段、護(hù)坦段以及下游先鋒渠等部分組成[1]。根據(jù)亭口水庫工程調(diào)水調(diào)沙的運(yùn)行方式，排沙洞常遇的高含沙水流多由異重流或渾水水庫排沙形成，具有泥沙粒徑細(xì)、粘性顆粒含量高等特點(diǎn)，水流進(jìn)入壩區(qū)后，經(jīng)過排沙洞下泄的高含沙水流中泥沙顆粒的上限粒徑約為0.018 mm，在常遇工況下排沙洞含沙量下限大于等于80 kg/m3。

3.2 亭口水庫壩區(qū)高含沙水流特性

黑河亭口水庫所屬流域是黃河中游細(xì)泥沙源區(qū)，其所在的區(qū)域室內(nèi)試驗(yàn)研究及野外原型觀測(cè)分析的結(jié)果表明，當(dāng)水流泥沙粒徑小于0.01 mm時(shí)的含量同懸移質(zhì)泥沙的含量成正向關(guān)系，細(xì)顆粒含量同懸移質(zhì)含沙量的數(shù)量關(guān)系可以表示為：

S<0.01=135.31lgS-270.6

(2)

式中：S<0.01為水流中泥沙粒徑小于0.01 mm的含沙量；S為含沙水體中懸移質(zhì)的含沙量，kg/m3。

按此共性的規(guī)律特征配置沙樣并進(jìn)行不同濃度的流變?cè)囼?yàn)，結(jié)果表明粒徑小于0.01 mm的細(xì)顆粒泥沙含量大于50 kg/m3時(shí)，即可用賓漢體模型的本構(gòu)方程描述其流型。

3.3 亭口水庫所屬流域高含沙水流的流變參數(shù)測(cè)定

根據(jù)亭口水庫所屬地域高含沙水流的沙樣特征，共配置了三種沙樣(按照不同粘性顆粒含量)，在含沙濃度不同的情況下進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)，可以估算出亭口水庫泄洪排沙洞在常遇高含沙水流的情況下流變參數(shù)的變化范圍。如表1所示，極限切應(yīng)力τb項(xiàng)可由3組沙樣觀測(cè)到，表明了在所測(cè)試的含沙濃度范圍內(nèi)的水流流型為典型的非牛頓賓漢流體，其流變特性符合賓漢體流變特性的共性規(guī)律，現(xiàn)有的高含沙非牛頓賓漢流體理論可以對(duì)該問題進(jìn)行分析討論。

表1 亭口水庫排沙洞常遇高含沙水流流變參數(shù)

4 清水與高含沙量渾水對(duì)排沙洞泄流能力的影響分析

4.1 對(duì)比試驗(yàn)觀測(cè)方法的設(shè)計(jì)

由于當(dāng)前的學(xué)術(shù)水平無法將一般的水工模型試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)推演到原型直接應(yīng)用，故本文依據(jù)小尺度模型試驗(yàn)所觀測(cè)的結(jié)果和高含沙水流系列模型的試驗(yàn)研究成果，對(duì)高含沙水流影響排沙洞過流能力的問題作初步分析和評(píng)估。試驗(yàn)方案主要考慮了相同流量不同含沙量之間的對(duì)比，并通過觀測(cè)上游渠道的量水、在前池加沙、排沙洞出口測(cè)試濃度這種過程控制的方法進(jìn)行試驗(yàn)，通過對(duì)上游相同來流量的觀測(cè)，并根據(jù)泄洪排沙洞內(nèi)在不同含沙量下水庫水位的壅高程度，得出過流能力受高濃度含沙量的影響程度。試驗(yàn)采用的排沙洞體型及進(jìn)出口邊界條件與《亭口水庫工程排沙洞水工模型試驗(yàn)報(bào)告》推薦方案相同。模型尺度為原型的1/50。

4.2 試驗(yàn)工況及觀測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)按下泄流量大小分為六組，每組又分為三種含沙量，觀測(cè)水庫水位壅高程度。每組設(shè)清水試驗(yàn)做參照，估算由于水位壅高值導(dǎo)致的流量變化，繼而給出相同模型尺度下的含沙量對(duì)過流能力的相對(duì)影響程度，在此基礎(chǔ)上再根據(jù)系列模型試驗(yàn)的初步研究結(jié)論，評(píng)估原型工程應(yīng)用時(shí)高含沙水流對(duì)過流能力的影響。觀測(cè)結(jié)見表2。

表2 相同來流量及運(yùn)行條件不同含沙量庫水位壅高統(tǒng)計(jì)

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，與清水試驗(yàn)相比，在高含沙量水流情況下，壩前的水庫水位均有壅高；在不同工況下，模型內(nèi)由測(cè)針讀出的水位壅高值均分布在0 cm～3 mm范圍內(nèi)，由此推演至原型水位雍高值在0 cm～12 cm之間，但是在相同流量不同含沙量和不同流量間之間沒有反映出明顯的規(guī)律[2]。此次試驗(yàn)采用的是上游量水，但在本次的渾水試驗(yàn)中前池庫底有薄層泥沙淤積，它會(huì)所引起整體體積增大，導(dǎo)致水位升高，考慮到這個(gè)原因，水庫水位的實(shí)際壅高值小于試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)表2所得到的結(jié)果，參照推薦的弧門全開時(shí)、用清水試驗(yàn)方案得出的水位流量關(guān)系曲線，上述水庫水位的壅高值等同于過流能力減少了0～3%。但是，考慮到試驗(yàn)觀測(cè)手段的誤差影響，尤其是考慮到高含沙水流阻力參數(shù)模型比尺小于1的共性規(guī)律，傾向于認(rèn)為高含沙量對(duì)排沙洞泄流能力的影響可以忽略不計(jì)。

5 結(jié)論

1)亭口水庫所在地域的高含沙水流在所測(cè)試的含沙濃度范圍內(nèi)的水流流型為典型的非牛頓賓漢流體，可用現(xiàn)有的高含沙非牛頓賓漢流體的相關(guān)理論進(jìn)行本工程問題的分析討論。

2)根據(jù)小尺度模型試驗(yàn)所得到的結(jié)果，結(jié)合高含沙水流系列模型試驗(yàn)的相關(guān)研究成果，對(duì)高含沙水流影響排沙洞過流能力的問題作初步分析和評(píng)估。考慮到試驗(yàn)觀測(cè)手段的誤差影響，尤其是考慮到高含沙水流阻力參數(shù)模型比尺小于1的共性規(guī)律，傾向于認(rèn)為高含沙量水流對(duì)排沙洞泄流能力的影響可以忽略不計(jì)，所得此結(jié)論可以在工程實(shí)際的運(yùn)行管理中參考使用。