極細(xì)沙含量對(duì)輸沙能力影響的試驗(yàn)研究

李曉夢(mèng) ，尹飛翔 ，劉明 ，左衛(wèi)廣

（1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.河南省水資源環(huán)境工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003；3.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；4.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州 450045）

泥沙問(wèn)題是水力學(xué)研究的熱門(mén)問(wèn)題，極細(xì)顆粒泥沙（泥沙中值粒徑d50小于0.01 mm）引起的泥沙沖淤演變規(guī)律更是關(guān)注重點(diǎn)。研究表明，在相似的邊界條件和相同的水流條件下，含有一定量細(xì)顆粒泥沙的低含沙水流在下游河道中產(chǎn)生的沖刷量大于清水水流的沖刷量。鐘德鈺[1]等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上游輸運(yùn)的細(xì)顆粒泥沙濃度較高時(shí)，黃河下游河道具有“多來(lái)多排”的輸沙特點(diǎn)。

極細(xì)顆粒泥沙對(duì)河道輸運(yùn)能力的影響，不僅涉及到泥沙顆粒大小、挾沙力、泥沙沉速及水流流速等物理特性方面；同時(shí)，還受到泥沙顆粒的絮凝和流變特性等物理性質(zhì)方面的影響[2-5]。劉峰[6]通過(guò)自循環(huán)式明流玻璃水槽實(shí)驗(yàn)得出，在保持混合沙中值粒徑不變的情況下，逐步加大細(xì)沙含量，水流挾沙能力是逐步提高的。李文杰[7]等針對(duì)三峽水庫(kù)常年回水區(qū)淤積物多為中值粒徑在0.01 mm細(xì)顆粒泥沙的現(xiàn)象，提出了一種基于原型沙的庫(kù)區(qū)細(xì)顆粒泥沙模型試驗(yàn)方法，模型試驗(yàn)結(jié)果與原型符合較好。白靜[8]等在采用動(dòng)態(tài)亞格子模式對(duì)泥沙輸移進(jìn)行了三維大渦模擬研究，計(jì)算結(jié)果符合良好。

極細(xì)顆粒泥沙對(duì)水流輸沙能力的影響非常復(fù)雜，對(duì)于極細(xì)顆粒泥沙輸沙特性的探討還相對(duì)較少，特別在小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用后，由于水庫(kù)具有“攔粗排細(xì)”作用，進(jìn)入下游河道中的極細(xì)顆粒泥沙高達(dá)50%以上。因此，研究極細(xì)顆粒泥沙含量對(duì)水流輸沙能力的影響，具有非常重要的意義。

1 物理模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)布置

模型試驗(yàn)在循環(huán)水槽中進(jìn)行。水槽尺寸為50 m×0.4 m×0.6 m（長(zhǎng)×寬×高）。循環(huán)水槽系統(tǒng)包括水庫(kù)、電磁流量計(jì)、玻璃水槽和退水渠等4部分。水庫(kù)位于玻璃水槽出口處，水庫(kù)尺寸為8.0 m×1.0 m×1.3 m（長(zhǎng)×寬×高）。水庫(kù)底部安裝攪拌裝置和噴槍?zhuān)康氖鞘顾畮?kù)泥沙得以充分?jǐn)_動(dòng)和懸浮。模型試驗(yàn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 模型試驗(yàn)布置Fig.1 Layout of model experimental test

循環(huán)水槽中共選取5個(gè)量測(cè)斷面（見(jiàn)圖1中1～5），測(cè)量水流流速和含沙量。量測(cè)斷面沿垂直于水流方向和沿水深方向分別布設(shè)5個(gè)量測(cè)點(diǎn)（距右岸1.8 cm、10.5 cm、20 cm、29 cm和37.5 cm；距水面0、0.2 h、0.4 h、0.6 h和0.8 h）測(cè)量水流流速。量測(cè)斷面沿垂直于水流方向和沿水深方向分別布設(shè)7個(gè)量測(cè)點(diǎn)（距右岸5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm和35 cm）和4個(gè)量測(cè)點(diǎn)（距水面0.2 h、0.4 h、0.6 h和0.8 h）測(cè)量水流含沙量。

1.2 試驗(yàn)參數(shù)

按泥沙顆粒粒徑來(lái)分，黃河泥沙可分為極細(xì)顆粒泥沙、細(xì)沙、中沙和粗沙，見(jiàn)表1[9]。

表1 黃河泥沙分類(lèi)Table 1 Sediment classification in the Yellow River

本試驗(yàn)主要是研究極細(xì)顆粒泥沙（以下簡(jiǎn)稱(chēng)極細(xì)沙）含量對(duì)中等顆粒泥沙（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中沙）輸沙能力的影響。本次試驗(yàn)選用的極細(xì)沙和中沙均為天然沙，其級(jí)配曲線見(jiàn)圖2。由圖可見(jiàn)，極細(xì)沙和中沙的中值粒徑d50分別為0.006 mm和0.035 mm。

圖2 極細(xì)沙和中沙級(jí)配曲線Fig.2 Grade distribution curves of extremely fine particle sediment and medium-coarse sediment

考慮水槽尺寸和水泵等試驗(yàn)設(shè)備，最終確定模型進(jìn)口流量為60 m3/h、90 m3/h和120 m3/h。水槽兩側(cè)側(cè)面材質(zhì)為玻璃，糙率為0.009 7；水槽底部為水泥抹面，糙率為0.012。經(jīng)試驗(yàn)得水槽綜合糙率為0.011，水槽坡度為0.2%。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

本文主要探討極細(xì)沙含量對(duì)水流輸沙能力的影響，試驗(yàn)內(nèi)容主要包括以下兩部分：

1）圖2中試驗(yàn)所選中沙粒徑0.025 mm＜d＜0.05 mm，近似認(rèn)為中沙為均勻沙。研究不同流量下中沙的輸沙規(guī)律。模型試驗(yàn)中沖淤平衡主要是通過(guò)量測(cè)含沙水流中含沙量與加沙量之間的變化關(guān)系。若含沙量小于加沙總量，則認(rèn)為水流發(fā)生淤積；若含沙量大于加沙總量，則認(rèn)為水流發(fā)生沖刷；若含沙量略小于加沙總量時(shí)，則認(rèn)為水流達(dá)到?jīng)_淤平衡。當(dāng)水流中極細(xì)沙含沙量較小時(shí)，可以認(rèn)為極細(xì)沙為沖瀉質(zhì)，在水槽中不存在淤積。

2）當(dāng)上述中沙第1次達(dá)到輸沙平衡（記為加沙1）后，加入一定量極細(xì)沙（記為加沙2），判斷水流泥沙的沖淤狀態(tài)。然后依次加入中沙（記為加沙3），極細(xì)沙（記為加沙4），中沙（記為加沙5）和極細(xì)沙（記為加沙6），最終渾水達(dá)到第4次輸沙平衡。試驗(yàn)流程見(jiàn)圖3。

圖3 試驗(yàn)流程圖Fig.3 Process chart of experiment test

1.4 量測(cè)儀器

模型試驗(yàn)中主要測(cè)量流速和含沙量的實(shí)時(shí)變化關(guān)系。本試驗(yàn)中流速和含沙量的量測(cè)儀器分別采用聲學(xué)多普勒流速儀（ADV）和超聲波含沙量測(cè)量?jī)x，見(jiàn)圖4。ADV和超聲波含沙量測(cè)量?jī)x的量測(cè)精度分別為 20～5 000 mm/s，0.5～200 kg/m3。

圖4 量測(cè)儀器Fig.4 Measuring instrument

2 結(jié)果分析

2.1 極細(xì)沙對(duì)輸沙能力的影響

1）水槽含沙量變化

在一定流量下（Q=60 m3/h）的清水水流中逐步加入中沙，直到達(dá)到?jīng)_淤平衡。水流中的中沙含沙量為19.64 kg/m3，即為水流的輸沙能力。在加沙1達(dá)到?jīng)_淤平衡后，加入含沙量為4.64 kg/m3的極細(xì)沙（即加沙2）。比較水槽進(jìn)出口含沙量大小，進(jìn)出口含沙量均為24.28 kg/m3。在含有上述非均勻沙的挾沙渾水水流中第2次加入中沙，發(fā)現(xiàn)中沙并沒(méi)有淤積，逐步增加中沙含量，直到達(dá)到新的沖淤平衡（即加沙3），此時(shí)水流含沙量為29.08 kg/m3。第2次加入含沙量為4.71 kg/m3極細(xì)沙（即加沙4），出口含沙量為33.79 kg/m3。第3次加入中沙并達(dá)到?jīng)_淤平衡（即加沙5），水流含沙量為38.96 kg/m3。最后，在渾水水流中第3次加入含沙量為50 kg/m3的極細(xì)沙（即加沙6），出口含沙量為55.83 kg/m3。3個(gè)不同流量下出口含沙量變化見(jiàn)表2。

表2 不同流量下出口含沙量變化Table 2 Change of sediment concentration in the outlet with different flow

由表2可見(jiàn)，當(dāng)加沙1、加沙3和加沙5后，中沙先后3次達(dá)到輸沙平衡。此時(shí)，加入一定量的極細(xì)沙，水槽出口處渾水含沙量均大于未加極細(xì)沙時(shí)渾水含沙量。加沙2和加沙1，加沙4和加沙3之間含沙量之差與加入的極細(xì)沙含沙量相等，說(shuō)明加入極細(xì)沙后，不僅極細(xì)沙沒(méi)有淤積，而且中沙也沒(méi)有淤積；而加沙6和加沙5之間含沙量之差小于加入的極細(xì)沙含量。說(shuō)明在該水流條件下，水流輸沙能力小于加入的極細(xì)沙和中沙總的含沙量，水槽內(nèi)會(huì)出現(xiàn)淤積現(xiàn)象。此時(shí)，加沙6時(shí)，Q=60 m3/h含沙量大于Q=90 m3/h，導(dǎo)致該結(jié)果的原因可能為粗顆粒泥沙淤積，細(xì)顆粒泥沙沖刷，泥沙沿程分選。

2）極細(xì)沙對(duì)輸沙能力影響

當(dāng)流量為60 m3/h、90 m3/h和120 m3/h時(shí)，第1次輸沙平衡時(shí)中沙含沙量分別為19.64 kg/m3、25.95 kg/m3和85.43 kg/m3。加入極細(xì)沙后，中沙輸沙能力均有所提高，3個(gè)流量下中沙輸沙能力分別增加9.97 kg/m3、8.70 kg/m3和9.45 kg/m3。說(shuō)明在中沙達(dá)到輸沙平衡的水流中加入極細(xì)沙，不僅中沙沒(méi)有淤積，而且極細(xì)沙還可以提高原有含中沙渾水的輸沙能力。

2.2 公式計(jì)算值比較

由于非均勻沙輸沙能力的復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn)公式。本文分別采用張瑞瑾、韓其為、麥喬威和涂啟華等4個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 水流挾沙力比較Table 3 Comparison of sediment-laden capacity

由表3可見(jiàn)，對(duì)于4個(gè)流量來(lái)說(shuō)，隨著極細(xì)沙含量的增加，公式計(jì)算值也相應(yīng)增加，這與模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值規(guī)律相似。但是公式計(jì)算值與模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值相差較大，尤其是當(dāng)流量為60 m3/h時(shí)，實(shí)測(cè)值與理論值之比最大為7.5（實(shí)測(cè)值與張瑞瑾公式計(jì)算值之比）。

同時(shí)，由表中還可以看到，隨著極細(xì)沙含量增加，中沙含量也隨著增加，說(shuō)明在輸沙平衡的渾水中加入極細(xì)沙，提高了含有中沙的渾水輸沙能力。當(dāng)流量增加時(shí)，中沙增量與極細(xì)沙增量比值也相應(yīng)增加，當(dāng)Q=90 m3/h時(shí)，當(dāng)水流處于加沙3過(guò)程時(shí)，中沙增量與極細(xì)沙增量比值達(dá)到最大，為1.32，即加入極細(xì)沙后水流輸沙能力是加入極細(xì)沙前水流輸沙能力的兩倍。隨著流量的增加，中沙增量與極細(xì)沙增量比值變小。

2.3 極細(xì)沙提高輸沙能力分析

通常將泥沙粒徑小于0.01 mm的泥沙顆粒稱(chēng)之粘性沙；反之，當(dāng)泥沙粒徑大于0.01 mm時(shí)，泥沙顆粒成為非粘性沙。下述分析中，把中沙和極細(xì)沙定義為非粘性沙和粘性沙。由上述研究發(fā)現(xiàn)，在達(dá)到輸沙平衡的水流中加入一定量的粘性沙，不僅中沙不會(huì)淤積，而且還能提高非粘性沙的輸沙能力。不同流量下粘性沙含量占全沙比例和渾水沉速見(jiàn)表4。

由表4可見(jiàn)，當(dāng)水流流量為60 m3/h時(shí)，加沙2、加沙4和加沙6的粘性沙含量分別從加沙1、加沙3和加沙5的18%、23%和23%，增加為23%、27%和34%，分別增加了5%、4%和11%。當(dāng)水流流量分別為90 m3/h和120 m3/h時(shí)，加沙2、加沙4和加沙6的粘性沙含量分別增加了7%、2%、7%和5%、2%、8%。

表4 不同流量下粘性沙含量占全沙比例和沉速Table 4 Proportion of cohesive fine sediment in the whole sand and settling velocity with different flow

不同流量下加入極細(xì)沙之后粘性沙的比例均有所增加，而粘性沙的增加就代表著其水流粘性增加，水流粘性增加則泥沙沉速減小，沉速減小則泥沙的重力作用減弱，相對(duì)來(lái)說(shuō)泥沙向下的力減小，水流的輸沙能力增加，最終在加入極細(xì)沙之后，仍能再帶走部分中粗沙，即極細(xì)沙能提高中沙的輸沙能力。

3 結(jié)論與展望

本文主要研究極細(xì)沙對(duì)中沙輸沙能力的影響，探討了不同流量和極細(xì)沙增量下中沙含沙量的變化情況，并與現(xiàn)有泥沙挾沙力公式進(jìn)行比較，最終給出了極細(xì)沙影響中沙輸沙能力的原因。主要結(jié)論如下：

1）在達(dá)到輸沙平衡的水流中加入極細(xì)沙，可以有效的提高水流的輸沙能力。

2）極細(xì)沙可以進(jìn)一步提高達(dá)到輸沙平衡的水流輸沙能力，但是隨著水流流量的增加，單位含量極細(xì)沙提高的中沙增量越來(lái)越小。

3）本文僅探討了極細(xì)沙含量對(duì)中沙輸沙能力的影響，對(duì)于水流粘性及紊動(dòng)強(qiáng)度對(duì)輸沙能力的影響，在后續(xù)的工作中繼續(xù)研究。