懸浮泥沙荷載下水庫泥沙淤積變化及流型演變

楊 帆 池苗苗

(1.塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆 庫爾勒 841000;2.塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

水庫淤積是一個非常復(fù)雜的過程。移動河床上的剪切流會引起泥沙輸移和河床形態(tài)變化[1-2]，水流和河床之間的相互作用通常會產(chǎn)生不同類型的規(guī)律模式[3]，相反，泥沙輸移和河床形態(tài)也會影響水流，如生成的河床形態(tài)會增加流動阻力等[4-5]，研究這些規(guī)律模式的發(fā)展和演變具有十分重要的意義。預(yù)測泥沙輸移速率和了解河床形成過程取決于泥沙粒徑如何影響水流特性，有研究表明當向水流中添加大顆粒泥沙時，流體湍流可能會增加或保持相對不變[6-7]，周建銀[8]研究發(fā)現(xiàn)向水流中添加細顆粒泥沙可能會導(dǎo)致湍流衰減。此外，泥沙濃度、粒度分選和泥沙與流體密度比等因素也會影響湍流機制。然而，也有學者提出流動中顆粒的響應(yīng)時間與湍流尺度之間的比率可能會影響湍流的衰減或增強[9-10]。綜上所述，目前對水流特性和泥沙輸移之間的相互作用關(guān)系仍缺乏充分的分析研究。

由于水流紊流的漩渦，大量沉積物懸浮在河床上方，泥沙顆粒浸沒重量與流體剪切作用傳遞的固體法向應(yīng)力處于動態(tài)平衡，在穩(wěn)定、均勻的流動中，泥沙顆?？赡軙诤哟病⒊练e和懸浮之間持續(xù)轉(zhuǎn)換，形成一種動態(tài)平衡狀態(tài)。由此，本文通過物理試驗來確定水庫中存在形態(tài)平衡的時間點，進而重點研究淺水庫懸浮泥沙的淤積問題。通過設(shè)置不同的試驗持續(xù)時間以確定最佳試驗持續(xù)時間，從而繼續(xù)進行其他試驗配置。此外，為更好地理解進入水庫射流與相關(guān)湍流結(jié)構(gòu)之間泥沙交換過程的控制機制，對懸浮泥沙沉積對流場的影響進行研究。同時，對導(dǎo)致出現(xiàn)對稱幾何中的不對稱流型的主要物理過程進行分析。

1 物理建模

1.1 試驗裝置設(shè)計

試驗是在圖1所示的封閉結(jié)構(gòu)中進行的，試驗裝置包括長1.00m、寬0.25m的矩形進水流道，內(nèi)部尺寸長6.00m、寬4.00m、深0.30m的矩形淺水池和長1.00m、寬0.25m的矩形出水流道。水庫水位由出口端寬0.25m、高0.30m的翻板閘門控制。混合槽中的水-泥沙混合物通過重力進入充滿水的矩形水池，沿著水池側(cè)壁，安裝了一個長4.00m、可移動的鋁制框架，用于承載測量儀器。

圖1 試驗裝置

懸浮泥沙的自動測量是研究泥沙輸移的關(guān)鍵，持續(xù)時間短、強度高的水流是泥沙運動的主要原因。為此，在入口和出口通道安裝了兩個傳感器用于連續(xù)監(jiān)測懸浮泥沙。懸浮泥沙由破碎的核桃殼模擬，平均粒徑d50=50μm，無黏性。漂浮的白色聚丙烯示蹤粒子直徑為3.4mm，與深色底部形成鮮明對比，用于顯示表面速度場，瞬時速度場由1.3mpixel數(shù)碼相機PIV算法獲得。使用微型回聲測深儀(UWS)測量床位變化，測深儀安裝在一個可移動的框架上，可掃描整個水池區(qū)域。

1.2 試驗過程

為了解釋漸進的河床形態(tài)演變并驗證最終實現(xiàn)的動態(tài)平衡，本研究試驗時間為18.0h。試驗進行了6次：第1次運行，水流清澈，無泥沙供給，在啟動泵穩(wěn)定輸出排放流量1.0h后，進行LSPIV流場測量；第2、第3、第4、第5和第6次運行是在相同的水流條件下進行的，有泥沙供應(yīng)，在不同橫截面和不同時間點(1.5h、3.0h、4.5h、9.0h和18.0h)測量河床形態(tài)。流入的泥沙混合物由濁度計每分鐘控制1次，UVP探頭測量了一維垂直速度剖面以及局部三維速度，每0.5h進行一次LSPIV流場測量。在所有運行中，流量保持恒定在Q=7.0m/s，下游水位保持恒定在0.2m。

2 數(shù)據(jù)分析和結(jié)果

2.1 有無懸浮泥沙的大型連貫結(jié)構(gòu)

利用LSPIV流場測量技術(shù)對流動特征和大尺度結(jié)構(gòu)進行研究，清水中大型連貫結(jié)構(gòu)的速度場和流型(運行1)見圖2。由圖2可看出，清水條件下主流傾向于向右側(cè)彎曲發(fā)展，直到接觸壁并沿著右側(cè)壁流動，當與右壁分離時，主流會產(chǎn)生一個再循環(huán)區(qū)，在水池中心產(chǎn)生一個主要的大穩(wěn)定環(huán)流，逆時針旋轉(zhuǎn)，且在水池的上游角落形成了兩個順時針旋轉(zhuǎn)的小“三角形”環(huán)流。偏轉(zhuǎn)的射流在中心的主環(huán)流和上游右角的三角形環(huán)流之間充當渦旋脫落區(qū)域。此外，可在主流和兩個環(huán)流之間觀察到左右兩個混合層。在試驗中，射流總是被吸引到右側(cè)。在主環(huán)流和上游左角的小三角形環(huán)流之間產(chǎn)生了第2個反向渦旋脫落區(qū)，由主回轉(zhuǎn)慣性產(chǎn)生的逆流射流將來流射流推到一邊，并在4個特征(主流射流、逆流射流、大主環(huán)流、左右角環(huán)流)之間形成一個脫落點。

圖2 清水中大型連貫結(jié)構(gòu)的速度場和流型

泥沙的加入減小了混合長度或環(huán)流大小，在右角環(huán)流的再附著長度Lr段隨時間的增加，流動也變得更加穩(wěn)定和對稱。圖3顯示了隨著泥沙夾帶而形成的第2個水流特征。由于波紋和懸浮泥沙濃度，導(dǎo)致流場完全改變。上游拐角處的環(huán)流消失，出現(xiàn)了一種相對于中心線對稱的圖案，剩下的兩個環(huán)流與射流相互作用，顯示出某種彎曲的趨勢。綜上所示，與清水流相比，隨著泥沙添加到水流中，湍流減小，混合長度減小，再加上粗糙度增加進而導(dǎo)致速度梯度增加。泥沙淤積引起的河床形態(tài)或有效粗糙度的變化可以完全改變整個流型。

圖3 泥沙夾帶流條件下中大型連貫結(jié)構(gòu)的速度場和流型

2.2 長期形態(tài)演變及相應(yīng)流場

圖4顯示了5次不同運行(1.5h、3.0h、4.5h、9.0h、18.0h)下平均流場和相應(yīng)床層形態(tài)，從而比較出儲層中的長期床層演變。由圖4可以看出，所有測試運行下均可觀察到兩個典型特征：首先是泥沙沉積的發(fā)展，波紋形成集中在右側(cè)，直到河床厚度沉積達到水深的15%；其次波紋沿中心線集中，在入口通道和射流第一部分附近的坡度相對較陡。

圖4 不同運行下的平均流場及相應(yīng)床層形態(tài)

由圖4可以看出，射流中心線下方產(chǎn)生的河床高程隨著沉積增加而變寬。水池從中心向壁池方向填充，從下游向上游方向填充。隨著時間的延長，這些斜坡區(qū)域最終將被最細的泥沙填充。上游兩個拐角處的沉積量小于其他部分。

開始時，光滑平坦河床上的流動阻力相對較小，隨著波紋的形成，流動阻力增加。波紋在邊界層流結(jié)構(gòu)與泥沙輸移的相互作用中起著重要作用。1.5h(運行2)后在右側(cè)壁附近形成的不對稱波紋與流型方向相同。由于懸浮泥沙夾帶和相關(guān)河床形態(tài)的出現(xiàn)導(dǎo)致除了Lr尺寸增加和再附著點向下游移動外，觀察到的流型與之前的清水流型沒有太大差異。然而，與流動沉積物相關(guān)的粗糙度高度增加可能導(dǎo)致剪切速度和湍流強度的增加。盡管存在高速流動，但與入口通道相連的主要流線正下方的泥沙濃度和泥沙沉積量較高。3h后(運行3)，由于波紋形成和懸浮泥沙濃度增加，流場完全改變。9.0h后中心線上的沉積物逐漸增加，在射流中心線下方形成一個更寬的河床高程，其寬度約為入口通道的3倍，并沿水池中心線出現(xiàn)舌狀沉積，舌片平均厚度為0.16m，位于射流中心線下方，平均寬度約為入口通道的8倍。18.0h(運行6)后發(fā)生均勻沉積，沉積物已填滿了水池總體積的50%。

不對稱流型模式在兩側(cè)循環(huán)單元的尺寸和強度不同，導(dǎo)致了后續(xù)模式的不對稱性。4.5h后已達到穩(wěn)定的河床形態(tài)，在水池中達到完全形態(tài)平衡需要18.0h以上。

2.3 沉積深度截面比較

圖5詳細比較了4個不同截面的橫向形態(tài)發(fā)展。在橫截面X1=1.5m、X2=2.0m、X3=3.0m和X4=4.5m處的5次運行(1.5h、3.0h、4.5h、9.0h和18.0h)中可以看到沉積物的時間演變。圖5(a)顯示了在距入口1.5m處的水池橫向沉積物，1.5 h后(運行2)，觀察到水池上幾乎均勻的沉積物，平均厚度為0.015m；由于3.0h(運行3)后流型完全改變，泥沙沉積厚度略微增加(增加0.005m)。4.5h(運行4)后觀察到的床層厚度幾乎是3.0h(運行3)后中心的兩倍，但左右壁的差異不大，有兩個平均向中心傾斜2%的橫向緩坡。但9.0h后(運行5)，兩側(cè)出現(xiàn)陡坡，沿沉積物山丘中心線上形成了通道，寬度為0.75m。在添加懸浮泥沙的9.0h內(nèi)，可以在中心觀察到更多沉積物，18.0h后厚度達到0.170m(運行6)。沿中心線形成了寬度為2.000m的水平沉積河段，上游拐角處沉積物更少。

圖5(b)中顯示了運行2、運行3和運行4前幾個小時內(nèi)幾乎恒定的泥沙沉積，但運行4和5的沉積速率有所增加。1.5h和3.0h后，河床形狀幾乎均勻，但4.5h后沉積物顯示為波浪狀河床。9.0h后觀察到的床層厚度幾乎是4.5h的3倍。在18.0h后水池內(nèi)已達到穩(wěn)定的形態(tài)，并且?guī)缀踹_到形態(tài)平衡。

由圖5(c)可以看出，3.0h后中間橫截面河床厚度明顯減小，可以清楚地看到流向水池中心線的水流偏差。此外，由于環(huán)流漩渦，泥沙沉積在中間并逐漸開始增加。4.5h后，沉積從左壁逐漸增加，在中間部分達到0.030m的峰值，然后在右壁略有下降。18.0h后，呈現(xiàn)了與X2=2.0m時相似的泥沙沉積行為。

由圖5(d)可以看出，1.5h、3.0h和4.5h后的沉積層相互平行，兩側(cè)幾乎達到均勻的沉積速率。但9.0h后，沉積物在中心形成水下山脊，并向兩側(cè)傾斜。經(jīng)過9.0h的測試，兩側(cè)的沉積逐漸增加，在射流中心線下方形成更寬的河床高程，寬度約為1.250m。

2.4 懸浮泥沙濃度

通過儀器詳細監(jiān)測了入口和出口通道的懸浮泥沙濃度(SSC)，連續(xù)數(shù)據(jù)可能存在虛假性，但可通過掃描數(shù)據(jù)來確定堵塞期，即SSC突然下降、盡管床形發(fā)生顯著變化但SSC保持穩(wěn)定的時期、流動模式發(fā)生突然變化。圖6顯示了每小時從儲層中釋放的SSC。試驗期間，沉積物流入量在3.0g/L左右保持恒定。由圖6可看出，由于床層形成和內(nèi)部循環(huán)之間的混合交換，運行2、運行3和運行4開始時沉積物釋放量較低，在運行5和運行6期間逐漸增加，并在運行6結(jié)束時保持相對穩(wěn)定。運行2開始時由于流型向右偏轉(zhuǎn)，波紋開始在右側(cè)形成，SSC開始減少，3.0h(運行3)后，流型開始從右向中心改變，并在中心形成新的波紋。經(jīng)過18.0h后，SSC流入和流出的速率大致相等，此時水池達到平衡。

圖6 18.0h內(nèi)水池中釋放的懸浮沉積物濃度

3 結(jié) 語

本文利用多種測量技術(shù)在不同橫截面和不同時間點上測量河床形態(tài)，研究了當懸浮泥沙被添加到淺水池平面河床上方的湍流中時，湍流結(jié)構(gòu)、懸浮顆粒、河床形態(tài)和其他不穩(wěn)定性之間的相互作用關(guān)系，研究表明： ?與清水流相比，隨著泥沙添加到水流中，湍流減小，混合長度減小，粗糙度增加，從而導(dǎo)致速度梯度增加；?懸浮泥沙和波紋穩(wěn)定了水流，并將流型從與清水不對稱改變?yōu)榕c泥沙對稱；?厚度達到水深的15%的沉積物和波紋是水流結(jié)構(gòu)變化的直接影響因素；?4.5h后已達到穩(wěn)定的河床形態(tài)，但想要達到完全形態(tài)平衡需要18.0h以上；?18.0h后，懸浮泥沙流入和流出的速率大致相等，水池達到平衡。泥沙淤積是水庫工程設(shè)計中必須考慮的問題，特別是淺水庫，泥沙淤積對其影響較大，本文研究的泥沙淤積問題可以保障淺水庫使用年限，更好地發(fā)揮工程效益。