三峽庫區(qū)細(xì)沙輸移運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的水槽試驗(yàn)研究

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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的水槽試驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(shí)際觀測(cè)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(cè)的基礎(chǔ)上，通過水槽試驗(yàn)研究庫區(qū)細(xì)顆粒泥沙的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)不同水深流速下細(xì)顆粒泥沙的運(yùn)動(dòng)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(gè)區(qū)域，即沖刷區(qū)、相對(duì)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(shí)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(cè)；水槽試驗(yàn)；泥沙沖淤

1 研究背景

三峽工程的泥沙問題一直受到社會(huì)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(diǎn)，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(yùn)行十余年后的實(shí)測(cè)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(huì)落淤[9]。對(duì)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(cè)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(yàn)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)過程及規(guī)律奠定理論基礎(chǔ)。

2 原型觀測(cè)

由于泥沙運(yùn)動(dòng)問題的復(fù)雜性，在研究過程中對(duì)三峽泥沙具體情況進(jìn)行原型觀測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)具有代表性，觀測(cè)時(shí)間選擇在2012年汛期進(jìn)行。觀測(cè)地點(diǎn)在忠縣皇華城典型淤積河段，如圖1所示，共布置8個(gè)斷面，27條垂線，193個(gè)測(cè)點(diǎn)。采用聲學(xué)多普勒流速儀測(cè)量測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)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(cè)量平均流速，回聲測(cè)深儀測(cè)量水深，水下攝像系統(tǒng)觀察測(cè)點(diǎn)泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

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

根據(jù)現(xiàn)場觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該河段泥沙沖淤特點(diǎn)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(shí)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(shí)，則輸沙相對(duì)平衡，為不沖不淤狀態(tài)。水深流速關(guān)系存在3個(gè)明顯的分區(qū)：沖刷區(qū)、相對(duì)平衡輸送區(qū)和淤積區(qū)。且若以挾沙力判斷沖淤，則與實(shí)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(cè)水深流速分布如圖2中實(shí)測(cè)部分所示。

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

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

現(xiàn)采用水槽試驗(yàn)的方法，對(duì)該結(jié)論進(jìn)一步分析與驗(yàn)證。試驗(yàn)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(cè)流速，測(cè)量時(shí)間為10 s。采用電磁流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量過程，采用超聲水位計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)水位測(cè)量，計(jì)算機(jī)采樣頻率為10 Hz。試驗(yàn)在水槽的上部、中部和尾部布設(shè)3 個(gè)超聲水位探頭。為使水位的測(cè)量更加準(zhǔn)確，試驗(yàn)前對(duì)超聲水位計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。

試驗(yàn)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(duì)沙樣進(jìn)行粒徑測(cè)量分析，選取3組沙樣分別進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果取3組平均值，由測(cè)量結(jié)果得沙樣的平均中值粒徑D為17.406 μm。

本試驗(yàn)針對(duì)沖刷、淤積流速的測(cè)定設(shè)置2組不同的方案。主要目標(biāo)為測(cè)定細(xì)沙呈沖刷、淤積狀態(tài)時(shí)的臨界流速，通過對(duì)不同水深流速下泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的觀察，劃分淤積、相對(duì)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(cè)定試驗(yàn)方案

試驗(yàn)整體布置如圖3所示，中間為4 m 長的試驗(yàn)段，試驗(yàn)段內(nèi)鋪設(shè)厚度為1 cm的試驗(yàn)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(cè)點(diǎn)，流速取值為3個(gè)斷面測(cè)定流速的平均值，水流含沙量為1 g/L，每組試驗(yàn)時(shí)間為1 h。在1#，2#，3#斷面中點(diǎn)處設(shè)置底部沙樣厚度觀測(cè)點(diǎn)，分別測(cè)定每組試驗(yàn)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(shì)時(shí)，判定該流速下泥沙運(yùn)動(dòng)呈沖刷狀態(tài)，該組流速為沖刷區(qū)域流速，記錄水位值，測(cè)定流速，記錄泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

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

3.2 淤積流速測(cè)定試驗(yàn)方案

由于水槽底部鋪沙不易于淤積量觀測(cè)，在測(cè)定淤積流速時(shí)，水槽內(nèi)不鋪設(shè)沙樣，從玻璃水槽底部觀測(cè)泥沙淤積情況，試驗(yàn)布置見圖4。水流含沙量為1 g/L，每組試驗(yàn)時(shí)間為1 h ，根據(jù)泥沙淤積量大小定時(shí)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(shí)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(cè)定該沙樣充分淤積時(shí)的流速，在試驗(yàn)后分別取水槽底部淤積泥沙及水流中沙樣，量測(cè)泥沙粒徑。當(dāng)?shù)撞坑俜e泥沙粒徑接近原沙樣粒徑時(shí)，可推斷：該流速下泥沙已充分淤積，即小于該流速時(shí)，泥沙呈淤積狀態(tài)；大于該流速且小于沖刷流速時(shí)，泥沙呈輸沙平衡狀態(tài)。

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

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)象

表1為淤積流速測(cè)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(shí)，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(shí)，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(cè)定水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表1 淤積流速測(cè)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(yàn)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(shí)，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?。划?dāng)流速小于0.126 m/s時(shí)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(shí)，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(gè)區(qū)域，各區(qū)泥沙沖淤形態(tài)如圖5所示。結(jié)合圖2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與水槽試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可知，無論是在現(xiàn)場觀測(cè)還是在水槽試驗(yàn)中，細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)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(gè)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(yùn)動(dòng)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(cè)情況對(duì)庫區(qū)細(xì)沙開展輸移運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的水槽試驗(yàn)研究，通過對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象及所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到主要結(jié)論如下：

(1) 原型觀測(cè)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(shí)測(cè)地形顯示的三峽蓄水運(yùn)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(duì)性地開展進(jìn)一步研究。

(2) 據(jù)原型觀測(cè)和水槽試驗(yàn)結(jié)果可知，在所量測(cè)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(gè)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(cè)結(jié)果，在三峽庫區(qū)皇華城水道原型觀測(cè)中，可初步判斷流速約<0.5 m/s時(shí)發(fā)生淤積，流速介于約0.5～1.1 m/s時(shí)泥沙平衡輸送，流速約>1.1 m/s時(shí)發(fā)生沖刷。在水槽試驗(yàn)中，可初步判斷流速約<0.13 m/s時(shí)發(fā)生淤積，流速介于約0.13～0.36 m/s時(shí)泥沙平衡輸送，流速約>0.36 m/s時(shí)發(fā)生沖刷。其中原型觀測(cè)與水槽試驗(yàn)所量測(cè)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。

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[3] 國務(wù)院三峽工程建設(shè)委員會(huì)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(shí)產(chǎn)權(quán)出版社, 2008.

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(編輯：劉運(yùn)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YEC0402104)；重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)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(dòng)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