悬移质分选沉降及其在工程上的应用.docx
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悬移质分选沉降及其在工程上的应用
悬移质分选沉降及其在工程上的应用
摘要:
悬移质泥沙占河流输沙的大部份,由于泥沙的重力作用及水流的紊动混掺的双重作用,悬移质沿垂线的散布呈上稀下浓、上细下粗的规律。
在水流的不平稳输沙条件下,超饱和水流中必然有一部份泥沙沉降落淤,其中较粗的泥沙必然率先沉降,较细的泥沙仍随水流悬浮前进。
不同粒径的泥沙有不同的沉降距离,利用悬移质的这种分选沉降规律,能够预报水库淤积的形态及位置,渠系沉沙池(条渠)中有害泥沙的排除率。
文中举出了两个工程应用的例子,其中涡管排沙式沉沙池已正式运用了两个汛期,排沙成效良好。
关键词:
悬移质分选沉降排沙比涡管排沙
1前言
江河中的泥沙输送,悬移质占要紧部份。
悬移质之因此能在水流中悬浮前进,是与水流的紊动分不开的。
流体紊动涡漩的大小和强度与悬移质含沙量的多少有超级紧密的关系。
尺度大的涡漩能维持大量或较大颗粒泥沙的悬浮,尺度小的涡漩那么只能挟带少量或较细颗粒的泥沙。
水流中的紊动作用和泥沙的重力作用一起作用的结果,形成了悬移质含沙量沿垂线的散布。
水流中的来水来沙条件是在转变的,因此,含沙量沿垂线的散布状况及平均含沙量也随之改变,形成不平稳输沙。
在冲积河流条件下,由于水流强度的增加或减小,产生河床的冲洗或淤积。
含沙水流进入水库或其他较大水体,也会产生泥沙淤积。
泥沙的淤积进程,也确实是悬移质沿垂线散布从头调整的进程。
较粗的泥沙颗粒率先沉降落淤,较细的颗粒仍维持悬浮状态继续随水流前进。
这种现象沿水流是个渐变进程,因此,显现悬移质沉降的分选现象。
水库、沉沙条渠中分选沉降现象最为显著。
即便在渠道、河道等准均匀流条件下,粗细不同的泥沙颗粒,在淤积进程中也会显现分选[1]。
泥沙相对较细,紊动相对较强,那么分选沉降的距离越长,而且越向下游,河床也会发生细化现象。
自然界中这种分选现象很多,人们能够利用不同矿砂的比重进行水力选矿,也能够利用风力,把不饱满的粮食籽粒或杂质和饱满籽粒区分开来。
2悬移质的分选沉降规律
在恒定、均匀流的条件下,泥沙的运动能够达到某种平稳状态,即,泥沙的输沙率沿程不变,河床不产生冲洗或淤积,悬移质沿垂线散布也达到某种均衡状态,称为平稳输沙。
但这只是一种临时现象,一旦水流条件发生转变,旧的平稳将被破坏,水流中的含沙量也会增大或减小,最终为新的平稳所代替。
在平稳输沙中,含沙量沿垂线的散布也是不均匀的,小颗粒的泥沙重量小,下沉趋势弱,因此更易被紊动水流涡漩托浮到水流上层;大颗粒那么偏向基层,并与河床有互换现象。
泥沙的来源在河床,下沉的泥沙也朝床面集中,因此沿垂线方向含沙量是上部含沙量浓度低,基层含沙量浓度高。
依照泥沙运动的扩散理论导出的二元恒定均匀流在平稳输沙情形下,含沙量沿垂线散布的公式为[2]
S/Sa={[(h/y)-1]/[(h/a)-1]}z
(1)
式中Sa为y=a处参考点上的含沙量,Z=ω/κu*称为悬浮指标,它实质上代表重力作用与水流紊动作用的相对关系。
那个地址重力作用用沉速ω表达,紊动作用用阻力流速u*表达,κ为卡门常数。
悬浮指标Z越大,表示重力作用越强,含沙量沿垂线散布越不均匀。
反之,悬浮指标越小,含沙量沿垂线散布就越均匀。
若是把悬移质泥沙分成假设干粒径组,每组取其平均沉速ωi,不计泥沙在运动水体中的彼此干扰作用,即每组泥沙各以其自己的沉降特性在水体中运动,每组泥沙都有自己沿垂线散布曲线,那么在每一相对水深上都能够计算出各粒径组总的相对含沙浓度。
不仅底层水流的含沙量远大于表层,而且较粗的泥沙只在底层才能显现,利用含沙量沿垂线散布的这种特性,咱们就能够够熟悉悬移质沿程分选沉降的规律。
在引水建筑物的下游,由于紊动强度慢慢减弱,流速散布渐趋上大下小的正常散布,含沙量也趋于上稀下浓的散布状态。
若是水流中的含沙量和水流挟沙能力相等,那么可达到渠道不冲不淤的平稳状态。
若是上游来水来沙发生转变,那么渠道的平稳输沙受到破坏,渠道也将发生冲洗和淤积,其淤积规律也将遵循分选沉降的规律,因此,在均匀水流中也会显现悬移质的分选现象。
若是水流沿程发生急剧转变,例如,河流进入水库、湖泊或海洋,或渠水进入沉沙池,也都会发生沿程分选沉降现象。
沉降下来的泥沙形成三角洲或冲积扇。
3悬移质泥沙的处置方式
悬移质沿垂线的散布规律既是上稀下浓、上细下粗,在引水时便应尽可能地引取表层清水;在处置泥沙时便应尽可能地从底部排沙,如此能够消耗较少的水排除较多的有害泥沙。
例如,大型水利枢纽的挡水建筑物常设有排沙底孔,排沙隧洞的入口也打在较低的高程,排沙涡管更是布置在渠底上。
咱们以涡管排除悬移质泥沙为例[3],说明应用泥沙分选沉降规律计算分组排沙率的方式。
悬移质泥沙在引沟渠中的分选沉降可分作三部份。
第一部份较粗泥沙,在进入沉沙池后慢慢沉降下来,其沉降距离可按Li=κ(uh/ωI)计算,其中ωi为某粒径组的沉速,κ为考虑紊动随机性的平安系数,可取~,若是Li小于沉沙池的长度,该粒径组都将沉降在沉沙池内。
第二部份是中等粗细的泥沙,这部份泥沙的沉降长度超过沉沙池长度,可是这部份泥沙沿垂线散布也偏于水深的下部,涡管排沙是从渠道底部排出的,能够以为分界流线以下的高含沙水流都进入涡管排出(见图1),如此中粗泥沙又被排出一部份,排出的分沙比大于分流比。
第三部份为细沙,能够为不在沉沙池中沉降。
咱们按以下方式计算中粗泥沙排出的比例。
图1涡管排悬移质示用意
式
(1)是悬移质沿垂线散布公式,参考点常取a=,但在河底周围,推移质和悬移质二者之间互换频繁,河底含沙量不易测定,因此很难确信绝对含沙量的沿垂线散布。
从解决实际问题动身,能够选取其他位置作参考点。
例如,谢鉴衡选在含沙量等于水流挟沙力处。
假设将悬移质分成假设干粒径组,那么分组含沙量沿垂线散布公式可写成
(2)
式中带下标i的表示第i粒径组,Si即为该粒径组在相对水深ξ=y/h处的含沙量,S*i为第i粒径组的垂线平均含沙量,ξ*i=y*/h为该处相对水深。
因此
(3)
采纳对数型流速散布关系,谢鉴衡通过近似积分法求得
(4)
式中J一、J2为两个积分公式,其数值可从有关手册查得,C为谢才系数,κ为卡门常数,Zi为粒径组的悬浮指标。
利用(4)式及J一、J2数值表,可求得绝对含沙量沿垂线的散布。
然后计算出悬移质沿垂线的分组输沙率Siq。
给出不同的ξ=y/h值,依照流速散布公式可计算分流量qξ及分流比Rξ=qξ/q。
再用近似积分法计算出在该ξ值下的排沙比Δqsi/qsi。
作为算例,咱们将某火电站引沟渠中的悬移质分成6组(见表1),其中A、B二组的悬浮指标Zi>5,在引沟渠中已不能悬浮,C组Zc=,虽能悬浮,可是悬浮高度不大,在入渠断面不太远处也将沉降,按Li=K(Uh/ωI)别离计算出这三组的沉降距离,得LA=,LB=、LC=。
F组d<,以为可不能沉降,不加处置,现只计算D、E二组的分流比和排沙比。
计算结果列入表2。
表1悬移质分组表
分组号
A
B
C
D
E
F
粒径范围(mm)
~
~
~
~
~
<
所占比例(%)
3
32
表2悬移质涡管排沙的分流比和排沙比
ξ
分流量
分流比%
排沙比(%)EI
qξ
R=qξ/q
ΔqSD/qSD
ΔqSE/qSE
ΔqΣS/qΣS
由表2可见,任一相对水深的排沙比都大于相应分流比,而且ξ越小(即越接近渠底),相差倍数越大。
同一ξ下,粒径越大,排沙比也越大。
例如,当ξ=时,分流比R=%,D组泥沙排沙比ED=%,E组泥沙的排沙比EE=%。
假设A、B、C三组泥沙的排沙比定为100%,F组泥沙的排沙比为%(同分流比),按加权法可计算出总的排沙比为:
E=ΣpiEi=3×100%+×100%+×100%+32×%+×%+×%=(%)
总排沙比E=%已不算小,而其中d>的粗、中沙占了近50%,对浇灌渠道、水电站及工业用水都是十分有利的。
由于水流的紊动作用,泥沙的运动具有随机性质,分选沉降现象不可能像计算的那样,将各组截然分开。
某些较小的粒径可能被排掉,某些粒径较大的泥沙也有部份保留下来,但其所占比例是不大的。
表2是按二元流条件下计算出来的,若是是梯形断面渠道,底部缩窄,含沙量在底部集中,更有利于从底部排沙。
另外,若是渠道中流速太大,可局部扩大渠段断面,减小流速,以利泥沙沉降。
水库中三角洲淤积及锥体淤积,也是悬移质分选沉降的结果,为了减少库容损失,已研究出了许多水库排沙减淤的有效方式[4],其中在汛期实行低水位运用,定出汛限水位,使入库泥沙的分选沉降更趋于坝前,淤积三角洲整体下移,便于水力冲洗排沙出库。
没有沉降下来的泥沙,抵达坝前后也会分选沉降,使表层水变清,底层水含沙浓度增大。
大型水利水电枢纽中都布置有排沙底孔,能够把高浓度的底部含沙水流排出库外,减少淤积。
水电站的进水口布置在大坝的较高处,将排沙孔设在进水口的下边,排除入口周围的泥沙,维持进水口的门前清。
引黄渠系中泥沙颗粒很细,分选沉降距离很远,在灌区设沉沙条渠沉降泥沙,一条条渠淤满后改作农田,用另一条条渠处置泥沙。
表3电厂引沟渠中悬移质分选沉降实验结果
取样地址
泥沙粒径(mm)
d10
d50
d90
进口
1#涡管出口
2#涡管出口
结尾渠底
4工程应用实例
某火力发电厂引沟渠中泥沙的分选沉降及涡管排沙成效实验
某火力发电厂冷却用水从东岸大渠引水,东岸大渠为衬砌渠道。
纵坡i=~%,设计流速v=s,汛期含沙量1~5kg/m3,最大含沙量可达10kg/m3,泥沙粒径d=~,d50=,电厂引沟渠设计流量Q=25m3/s,b=,i=,m=2,渠道全长530m。
由于引沟渠常常处于壅水运用状态,泥沙淤积严峻。
为解决此问题,进行了水力模型实验。
模型比尺1∶20。
依照悬移质沿程分选原理,在离进水口及处各布置一道排沙涡管,在入口处加沙。
在两涡管出口及尾门处渠底(距入口20m)取样分析,得出以下结果(见表3)。
由表3可见:
1.泥沙沿程分选现象明显,下游泥沙各代表粒径均小于上游(入口处除外)。
2.涡管出口及结尾渠底泥沙中值粒径d50均大于入口泥沙的d50,可见涡管排沙成效好。
金沟河渠首电站涡管排沙式沉沙池
渠首电站是金沟河上的最上一级电站,为径流引水式。
金沟河是山溪性河道,坡陡流急,泥沙量大粒粗。
其中推移质已在渠首及引沟渠0+125处用排沙涡管加以处置。
悬移质最大粒径dmax=,d50=需要在沉沙池加以处置。
沉沙池为一扩大了的梯形断面渠道,长54m,在池底分设7道排沙涡管,用来排除分选沉落到池底的悬移质。
经原型水沙观测取样分析,结果如表4所示。
表4金沟河渠首电站沉沙池泥沙颗粒级配
粒径(mm)
小于某粒径的沙重百分比(%)
25
d50
上断面
100
1#号涡管
100
2#号涡管
100
3#号涡管
100
4#号涡管
100
5#号涡管
100
6#号涡管
2706
100
7#号涡管
100
下断面
100
说明:
上断面位于沉沙池上游引沟渠100m处,下断面位于沉沙池溢流堰下游30m处。
各涡管在沉沙池中均匀布置。
一、2号涡管中有些粒径大于上断面粒径,是在较长时刻内积存下来的。
由表4可见,各涡管出口泥沙粒径愈向下游愈细,通过沉沙池处置后水流中的泥沙,d50=,d>的泥沙仅%,可见这种型式的沉沙池对排除悬移质中的有害粒径是十分有效的。
在沉沙池设计进程中进行了水力模型实验,证明了悬移质沿程分选沉降及涡管排沙的有效性,还对原设计作了有利的改良。
另外,这种沉沙池按渠道设计,造价低,运行治理也方即靠得住,现已经平安运行了两个汛期,排沙成效良好。
大大减轻了水轮机的磨损现象。
渠道再也不需要清淤,经济效益、社会效益良好。
5结语
悬移质问题是比较复杂的,在工程处置上相对推移质而言难度也更大一些。
可是悬移质和推移质之间并无绝对界限,在必然条件下的悬移质,能够在改变其外部条件后转变成推移值。
沉沙池中的悬移质泥沙处置,要紧的确实是把悬移质通过度选沉降转化成推移质加以排除,水库的淤积进程,更是悬移质分选沉降的进程。
有些引水工程,如宝鸡峡引渭工程渠首,设置沉沙渠,后接排沙闸,对排除推移质和悬移质有显高作用。
因此悬移质的分选沉降现象早已为人们所熟知并加以利用。
可是在水利水电工程及其它领域中的悬移质问题超级众多,分选沉降规律的应用可能是解决问题的方向之一。
咱们把它和涡管排沙技术结合起来,设计出一种涡管排沙式沉沙池,并成功地运行了两个汛期,取得可喜的经济效益和社会效益,只是一种尝试。
如何把这一规律和更多的工程问题联系起来,比如说,水库淤积问题中预报淤积部位和数量、冲洗式沉沙池的最正确冲洗时刻、城镇供水的初步处置、环境工程中处置某些悬浮物质等,仍是很有进展前景的。
另外,这一规律如何用数学形式表达出来,也尚需进一步研究,有待对此问题有爱好的学者一起尽力。
参考文献
[1]钱宁,万兆惠.泥沙运动力学。
科学出版社,1983年,333-335.
[2]武汉水利电力学院.河流泥沙工程学.上册:
水利出版社,1981,117.
[3]张开泉,刘焕芳.用涡管排沙技术解决水电站泥沙问题.新疆水利水电,1995年第1期,32-38.
[4]陕西省水利科学研究所,清华大学水利工程系.水库泥沙.水利电力出版社,1978.
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