李 樂(lè)，張耀哲

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100；2.咸陽(yáng)市水利工作隊(duì)，陜西 咸陽(yáng) 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(guò)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(jiàn)到相關(guān)的分析探討。它所涉及到的主要問(wèn)題是高含沙水流阻力規(guī)律的研究。近年來(lái)學(xué)術(shù)界的研究已基本達(dá)成共識(shí)，即水庫(kù)河道的高含沙水流為賓漢非牛頓體。本文以亭口水庫(kù)工程為例分析和探討了高含沙水流對(duì)水庫(kù)泄洪建筑物過(guò)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(kù)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(wèn)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(guò)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(wèn)題研究

多年來(lái)，對(duì)于高含沙水流的阻力問(wèn)題主要是通過(guò)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(wèn)題沒(méi)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(wú)法有效通過(guò)比尺放大推演到原型。盡管高含沙水流阻力問(wèn)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(wèn)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(shuō)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(shuō)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(kù)壩區(qū)高含沙渾水的流變學(xué)特征

3.1 亭口水庫(kù)排沙洞基本情況

亭口水庫(kù)工程地處陜西省咸陽(yáng)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(kù)，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(yè)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(kù)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(kù)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(guò)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(kù)壩區(qū)高含沙水流特性

黑河亭口水庫(kù)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(kù)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(kù)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(kù)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(wèn)題進(jìn)行分析討論。

表1 亭口水庫(kù)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(wú)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(guò)流能力的問(wèn)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(guò)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(guò)程控制的方法進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)上游相同來(lái)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(kù)水位的壅高程度，得出過(guò)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(kù)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(kù)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(guò)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(guò)流能力的影響。觀測(cè)結(jié)見(jiàn)表2。

表2 相同來(lái)流量及運(yùn)行條件不同含沙量庫(kù)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(kù)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(méi)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(kù)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(kù)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(kāi)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(kù)水位的壅高值等同于過(guò)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(kù)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(wèn)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(guò)流能力的問(wèn)題作初步分析和評(píng)估?？紤]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。