（水力学及河流动力学专业论文）小浪底水库异重流特性研究.pdf

西安理工大学工程硕士专业学位论文 b 宽度 如泥沙中值粒径 只佛氏数 g 重力加速度 日水库水深 风极限析出高度 矗浑水水深 由清水水深 丸临界水深 乜潜入点水深 f 水面坡度 山库底坡度 正异重流交界面坡度 l 厂能坡 世、女系数 指数 p 压力 胁压力 0 流量 叮单宽流量 吼单宽输沙率 月水力半径 胎雷诺数 s 含沙量 s 沿流管f h 离 s 体积含沙量 主要符号表 挟沙能力 日寸间 u 平均流速 “流速 潜入点平均流速 z 沿异重流运动的方向 y 与异重流运动相垂直的方向， 高度 v 清水容重 泥沙容重 7 浑水容重 4 7 清浑水容重筹 排沙比 仉重力修正系数 k 综合阻力系数 入河床( 河底和岸壁) 阻力系数 p 运动粘滞系数 p 清水密度 p 浑水密度 彳，) 清浑水密度差 7 剪力，异莺流剪力 河床剪力 可异重流交界面上的剪力 泥沙( 群体) 沉速 c 【) 。单颗粒泥沙沉边 独创性声明 秉承学校严谨的作风和优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其他用途使用过 的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：醴冽年3 月2 1 日 保护知识产权声明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间，论文工作的知识产权单位属西安理工大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为西安理工大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：跹导师签名毯乏t 沙丐 年3 月乏日 西安理工大学工程硕士专业学位论文 小浪底水库异重流特性研究 学科：水力学及河流动力学答辩日期：2 0 0 3 3 作者：侯素珍作者签名： 袭孪万 导师：王新宏副教授 导师签名：王汀乃 姜乃迁高级工程师 函心 摘要 异重流排沙是多沙河流上的水库蓄水运用时唯一能够减少库区淤积的措施， 也是水库排沙减淤的一种重要方式。减少黄河下游河道淤积是小浪底水库的主要 开发任务之一。其减淤作用主要依靠水库拦沙与调水调沙运用来实现。在小浪底 水库初期蓄水运用阶段，三门峡水库出库的泥沙部分被拦截在库内，部分以异重 流形式排山库外。对不同河流上的水库，由于水沙条件、河床条件、水库运用方 式及泄流建筑物的差异，异重流产生、运动和排沙特点也不同。研究小浪底水库异 重流的产生、输移和排沙等方面的一般规律便于更好的利用异重流为生产服务 为小浪底水库调水调沙运用提供科学依据，同时对多沙河流水库的蓄水运用具有 重要的参考价值，为异重流理论发展提供宝贵的资料。 本文主要依据2 0 0 1 年洪水期小浪底水库异重流的有关资料，通过对形成异重 流的水沙条件、异重流运动要素的分析，阐明了小浪底异重流的形成、运行和排沙 等方面的一般运动规律和特殊现象，结合理论分析和公式推导，探讨丫异重流输沙 关系。研究表明t 小浪底水库异重流潜入条件同样可用佛氏数等r0 7 8 作为判别标 准，相关临界水深计算公式适合于小浪底水库异重流：异重流为非恒定流，水沙 因子不稳定，总体看，具有流速沿程减小、含沙量沿程增加的趋势：本次异重流 传播速度为l1 7 m s ，到坝前后没有明显爬高现象，形成浑水水库后，清浑水交界 面沉降缓慢：在异重流自由流段，综合阻力系数平均为0 0 2 2 ，与水槽试验结果和 官厅水库情况接近，证明了阻力计算公式的普遍性承i 异重流综台阻力系数的一致； 异重流运行库段发生沿程淤积，坝前段比降平缓，横断面基本为水平抬高；小浪 西安理工大学工程硕士专业学位论文 底水库异重流测验划问，排沙比偏小。最后， 率公式，并得到其它水库资料验证。 关键词：小浪底水库异重流潜入条件 给出了小浪底水库异重流单宽输沙 阻力输沙能力 西安理工大学工程硕士专业学位论文 s t u d y0 nc i a r a c t e r i s t i c s0 fd 删s i t yc u r r e n t 工nx i a o l a n g d ir e s e r l 帕i r c a n d i d a t e ：h o us u z h e nc a n d i d a t es i g n a t u r e ：爿翰“e 以 s u p e r v i s o r ：d o c t o rw a n gx i n h o n g & d o c t o rj i a n gn a i q i a n s u p e r v i s o r s i 州岬机k 1 期咿 a b s t r a c t t h ed i s c h a r g i n gs e d i m e n tw i t hd e n s i t yc u r r e n ti sa no n l ym e a s u r et or e d u c e r e s e r v o i rr e g i o n sd e p o s i t i o ni nt h er e s e r v o i rw i t hs t o r a g eo p e r a t i o no nt h e o v e r l o a d e dr i v e ra n da ni m p o r t a n tm o d et od s c h a r g es e d i m e n tf o rd e p o s i t i o n r e d u c t i o na sw e l l t or e d u c ed e p o s i t i o ni nt h el o w e ry e l l o wr i v e ri so n eo f m a i nd e v e l o p m e n tt a s k si nx i a o l a n g d ir e s e r v o i r i t s e f f e c t o fd e p o s i t i o n r e d u c t i o ni s 眦i n l yd e p e n d e d b y t r a p p i n g s e d i m e n ta n d r e g u l a t i n g w a t e r s e d i m e n to p e r a ti o nw i t hr e s e r v o i r i nt h ee a r l ys t a g eo fw a t e rs t o r a g e o fx i a o l a n g d i r e s e r v o i r ， i tc a nb a s i c a l l yr e t a i na l lo fs e d i m e n to u to f s 8 n m e n x i ar e s e r v o i r ，i t sm o d eo fd i s c h a r g i n gs e d i m e n ti sm a i n l yd e p e n d e db y d i s c h a r g i n gs e d i m e n tw i t hd e n s i t yf l o wf o rr e s e r v o i r so nd i f f e r e n tr i v e r s ， t h ew a t e r s e d i m e n tc o n d i t i o n ，b e dc o n d i t i o n ，r e s e r v o i ro p e r a t i o nm o d ea n d d i s c h a r g ec o n s t r u c t i o na r ed i f f e r e n t ，t h ep r o d u c i n g ，m o v e m e n ta n dd i s c h a r g i n g s e d i m e n tc h a r a c t e r is t i c so fd e n s i t yc u r r e n ta r ea 1s od i f f e r e n t t os t u d y c o m m o n1 a wo fp r o d u c i n g ，t r a n s d o r t i n ga n dd i s c h a r g i n gs e d i m e n to fd e n s i t yf l o w i nx i a 0 1 a n g d ir e s e r v o i ri sc o n v e n i e n tt ou s i n gd e n s i t yc u r r e n tb e t t e rf o r s e r v i n gt h ep r o d u c ti o na n dp r o v i d i n gs c i e n t i f i cb a s isf o rr e g u l a t i n g w a t e r s e d j m e n ti nx i a 0 1 a n g d ir e s e r v o i r s j m u l t a n e o u s l yi th a sa ni m p o r t a n t r e f e r e n c ev a l u ef o rs t o r a g eo p e r a t i o no fr e s e r v o i ro nt h eo v e r l o a d e dr i v e r a n dp r o v i d e sv a l u a b l e d a t af o rt h e o r yd e v e l o p m e n to fd e n s it yc u r r e n t b a s e do nt h er e l a t i v ed a t ao fd e n s il yf l o wi nx j a o l a n g d ir e s e r v o i ri nf l o o d p e r i o do f2 0 0 1 ，a n dt h r o u g ha n a l y z i n go nw a t e r s e d i m e n tc o n d i t i o n0 fd e n s i t y f l o wf o r m e da n dm o v e m e n te le m e n to fd e n s jt yc u r r e n t ， t h ec o m m o nm o v e m e n t1 a w a n ds p e c i a lp h e n o m e n o no nf o r i n g ， o p e r a t i n ga n dd is c h a r g i n gs e d i m e n to f d e n s i t yf l o w i nx i a 0 1 a n g d ir e s e r v o i rh a v eb e e nc l a r i f i e di nt h i sp a p e r t h e r e l a t i o n s h i po fs e d i m e n tt r a n s p o r to fd e n s it yf l o wh a sb e e ne x p l o r e dc o m b i n i n g w i t ht h e o r ya n a l y s isa n df o r m u l ad e d u c t i o n i ti ss h o w nf r o mt h er e s e a r c ht h a t 3 西安理工大学工程硕士专业学位论文 t h et a l e n tc o n d i t i o no fd e n s i t yf l o wi nx i a o l a n g d ir e s e r v o i rc a n u s ef r o u d e c o e f f j c i e n te q u a lt o0 7 8a sad is t j n g u i s h i n gs t a n d a r d ， f r o u d ec o e f f i c i e n t a n dc r i t i c a ld e p t hf o r m u l ab ya s h i d a ka r es u i t a b l et od e n s i t yf l o wi n x i a o l a n g d lr e s e r v o i r ：d o n s i t yf l o wisn o n s t e a d yf l o w ，w a t c r s e d i m e n tf a c t o r i sn o ts t a h l e o nt h ew h 0 1 et h ed e n s i t vf l o wh a sat e n d e n c yw i t hv e l o c i t v r e d u c i n ga n ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s i n g a l o n gt h ed i s t a n c e t h e p r o p a g a t i o nv e l o c i t yo fd e n s i t yf l o wi s1 1 7 m s ， w i t h o u to b v i o u sc l i m b i n g p h e l l o m e n o ni nf r o n tt h ed a m a f t e rf o r m i n gt h er e s e r v o i rw i t hm u d d yw a t e r ， t h ei n t e r f a c eb e t w e e nc l e a rw a t e ra n dm l i d d yw a t e riss e t t l i n gs l o w l y ：j nt h e f r e ef l o ws e c t i o no fd e n s j t yf l o w ，t h ec o m p r e h e n s i v er e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t i s o 0 2 2o n a na v e r a g e ，c l o s et ot h a tw i t hf l u m ee x p e r i m e n ta n dg l l a n t i n g r e s e r v o i r i tisp r o v e dl h a tt h eu n i v e r s a l i t yo fr e s i s t a n c ec o m p u t a t j o n f o r m u l ai si na g r e e m e n to nc o m p r e h e n s i v cr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n to fd e n s i t y f l o w ： t h ed e p o s i t i o na 】o n gt h ed is t a n c eo c c u r si nr e s e r v o i r ss e c t i o no f d e n s it yf l o wo p e r a t i o n ，t h es l o p ei nf r o n to fd a misg e n t l ya n d t h e c r o s ss e c t i o ni sr is i n gh o r i z o n t a 儿y d u r i n gt h ed e n s i t yf l o wm e a s u r e m e n ti n x i a o l a n g d ir e s e r v o i r ，t h er a l i oo fd is c h a r g i n gs e d i m e n tiss m a l l f i n a l l yt h e f o r i n u l ao fu n i ts e d i m e n tr a l eo fd e n s i t yf l o wi nx i a o l a n g d ir e s e r v o i r1 1 a sb e e n d o i n t c do u ta n dt h ed a t ao fo t h e rr e s e r v o i r sh a sb e e nv c r i f i e d k e yw o r d s ： x i a o l a n g d ir e s c r v 。i r ：d e n s i t yc u r r e n t ： l a t e n lc o n d n i o n r e s is t a n c e ： c a p a c i t yo fs e d i m e n tt r a n s p o r t 4 第一章概连 1 概述 1 1 异重流研究概况 异重流是两种密度相差不大的流体，因密度差异而发生相对运动， 两种流体各自基本保持其本身的流动，不因交界面上的扰动或底部所产 生的紊动而混和为一体成为均质流“1 。 异重流是自然界中的一种常见现象“1 。在气象中，冷空气越过山峰 沿山坡流动，密度较大的冷空气在较热的空气下面运动形成锋面：在河 口入海河段上，河水以扇状向海面散漫，而含盐的海水沿河底向上游延 伸，形成盐水锲运动；在水库、湖泊中进入其中的寒冷河水不与温暖的 湖水相混而潜入湖底形成潜流运动，火屯厂在水库或河道中引用冷水作 为冷却水，退出来的热水回到河流或水库形成上层异重流。对于蓄水运 用的水库，含沙水流进入水库潜入库底运动，形成浑水异重流。浑水进 入水库形成异重流后，根据它与库水的相对位置，可以分为上异重流、 中异重流和下异重流。不同学科对异重流的叫法也不同，如密度流 ( d e n s i t yc u r r e n t ) 、层流( s t r a t i f ie df l o w ) 、浑浊流( t u r b i d i t y c u r r e 兀t ) 、底流( u n d e rf l o w ) 、潜流( u n d e rr u n ) 、重力流( g r a v i t y c u r r e n t ) 等。 异重流的发现和研究由来已久“1 ，而水库异重流的研究源于4 0 年代。 1 9 3 5 年美围米德湖蓄水后水库底孔排出浑水，这一实事指出，异重流町 以挟带大量泥沙历经长距离而不与清水相混，埘减少水库淤积、延长水 库寿命提供了种可能。从此以后水库异重流的排沙和运动引起许多学 者的注意，并分别在水利实验室和水库进行实验和观测。如在异重流运 动规律方面，累诺、盖撒与伏契锡和麻省理工学院进行过试验研究：法 国谢都水利试验所对异重流的各种特性进行过比较系统的研究”1 ：加里 埃对异重流排出极限高度进行试验，并得出不同孔口情况下与出库流量 i 西安理工大学工程硕士专业学位论文 和含沙量的关系“1 ；此外，对异重流潜入现象的研究，有基于野外观测“” 和实验室试验”“，还有通过理论分析的成果“2 ，得到的潜入水深公式 十分相似，在异重流流速分布等方面也有研究”3 ”。在我国，1 9 5 3 年官 厅水库发现异重流排沙现象，此后在很多水库开展异重流观测工作，如 巴家咀、刘家峡、红山、三门峡等水库。1 9 5 6 年水利水电科学研究院范 家骅等在砖砌水槽中进行盐水、泥水异重流实验研究“1 ，1 9 8 0 年和1 9 8 4 年曹如轩和焦恩泽相继开展高含沙异重流实验，研究有关异重流运动紊 流阻力系数等。8 ”1 。曹如轩通过理论分析1 ，推导出异重流临界水深 公式，通过试验研究建立了不同流态和不同含沙量情况下阻力系数与雷 诺数的关系，并对异重流的流速分布和挟沙能力进行了系统研究。在异 重流的形成条件、运动( 输移) 规律和排沙的理论研究方面，从5 0 年代 到8 0 年代取得了很多研究成果“。1 ”，这些研究成果对多沙河流上水库泄 水建筑物进水口的设计具有重要的实用价值，在学科方面有重大的科学 价值。异重流排沙也成为蓄水水库排沙的主要方式。 1 2 小浪底枢纽 1 2 1 枢纽概况 小浪底水利枢纽位于河南省洛阳市以北4 0 k m 处的黄河干流上，上距 三门峡水利枢纽坝址1 3 0 k m ，下距郑州花园口1 2 8 k m 。坝址控制流域面积 6 9 4 万k m 2 ，实测多年平均入库径流量4 0 5 5 亿m 3 ，输沙量1 3 5 亿t “”， 其中汛期水、沙量分别占全年的5 8 、8 6 。 小浪底水库是黄河丁流三门峡以下唯一能够取得较大库容的控制性 工程，其丌发任务是以防洪( 防凌) 、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电。 水库设计正常蓄水位2 7 5 m ，设计总库容1 2 6 5 亿m 3 ，其中拦沙库容7 5 5 亿m 3 ，防洪库容4 0 5 亿f 【1 3 ，调水调沙库容1 0 5 亿m 3 ，后期有效库容即 西安理工大学工程硕士专业学位论文 兴利库容为5 1 亿m 1 。 1 9 9 4 年9 月主体工程开工，水库大坝于1 9 9 7 年l o 月截流，】9 9 9 年 1 0 月下闸蓄水，2 0 0 0 年第一台机组开始发电。 汛期投入运用的泄洪建筑物有3 条明流洞、3 条排沙洞、3 条孔板洞 和正常溢洪道。各洞布置和进口高程见图卜1 。 3 。导流洞，2 。导流洞 墨 口口 ) 嚣县 图卜1 小浪底水库泄水建筑物上游立视示意图 1 2 2 库区河道特点 小浪底水库库区干流河段属峡谷型山区河流，两岸山势陡峭，自然 河道平水情况下水面宽15 0 5 0 0 m ，急流与跌水交错，水流湍急，平均比 降1 1 。河段总体e 呈上窄下宽趋势，自三门峡水文站( 一常蓄水位回 水末端) 至河堤水沙因子站( 距坝6 3 8 2 k m ，2 7 5 m 水面中心线长，下同) 西安理工大学工程硕士专业学位论文 全长5 9 6 k m ，河宽2 0 0 8 0 0 m ，比降1 1 9 。河堤站以下到黄淤3 l 断面 主河道突然变宽，有板涧河、涧河、毫清河、沉西河等支流加入，正常 情况下河道宽4 0 0 8 0 0 m ，蓄水位在2 7 5 m 时水面宽达到1 0 0 0 2 8 0 0 m ； 之后进入峡谷河段，其中八里胡同为全库区最狭窄河段，入口在黄淤1 9 和1 8 断面之间，长约4 k m ，河宽仅2 0 0 3 0 0 m ，河道顺直，两岸为陡峻 直立的石山。河堤至八里胡同河段比降为1 1 4 。八里胡同出口至大坝 段河宽增大，蓄水位2 7 5 m 时水面宽1 0 0 0 3 0 0 0 m ，比降为o 9 8 。 小浪底库区属土石山区，沟壑纵横，支流众多，且支流流域面积小， 河长短，比降大。各级支流有5 0 余条，其中大峪河、煤窑沟、畛水河、 石井河、东洋河、西阳河、芮村河、沈西河、毫清河等1 2 条支流库容均 大于l 亿m 3 ，支流库容占总库容的4 2 2 。 黄河干流三门峡、小浪底水文站为小浪底水库进出库水沙控制站， 库区设两个水沙因子站和8 个水位站，布设淤积断面1 7 4 个，其中干流 5 6 个，支流1 1 8 个。典型断面位置见表卜l ，小浪底库区平面示意图见 图1 2 。 表卜1小浪底库区典型站和断面位置 站或断面距坝里程( k m )站或断面距坝里程( k m ) 三门峡( 水文站) 1 2 3 4 l 黄淤3 l 5 1 7 8 黄淤4 9 9 3 9 6黄淤1 82 9 3 5 黄淤3 8 6 4 8 3 黄淤l l 1 6 3 9 河堤桐树岭 6 3 8 21 3 2 ( 水沙因子站)( 水沙因子站) 黄淤3 6 6 0 1 3 小浪底( 水文站)坝下3 9 0 1 3 研究目的和主要内容 对处于蓄水状态的多沙河流水库而言，异重流排沙可以说是唯一能 4 第一章概述 5 匝阻睁凶世嵯氍 甲一匝 西安理工大学工程硕士专业学位论文 够减少库区淤积的措施。利用水库异重流，可以在蓄存清水、保持一定 水头的条件下排泄入库浑水，达到既能蓄水、又能排沙，既能使近期保 持较高的兴利效益，又能减少水库淤积、延长水库寿命的目的。因此异 重流排沙是水库排沙减淤的种重要方式。异重流在自然界中不仅非常 普遍而且是一种复杂的现象，其形成和运动的影响因素很多。因此，人 们十分重视对异重流运动规律的研究。 减少黄河下游河道淤积是小浪底水库的主要开发任务之一。其减淤 作用主要依靠水库拦沙与调水调沙运用来实现。水库调水调沙运用往往 使库区处于蓄水状态，这也为异重流排沙创造了条件。小浪底水库初期 蓄水阶段，基本上拦截三门峡水库出库的全部泥沙，洪水期主要以异重 流形式排沙。2 0 0 0 年以来小浪底水库洪水期均发生了异重流，特别是2 0 0 1 年8 月异重流期涮对异重流运动过程的水沙因子进行了全面系统的测量， 给研究水库异重流运行规律创造了条件。分析研究小浪底水库异重流的发 生、运行和排沙等方面的一般运动规律和特殊现象，可为小浪底水库调水 调沙运用提供科学依据，同时对多沙河流水库的蓄水运用具有重要的参 考价值，为异重流理论发展提供宝贵的资料。 本项研究的主要内容包括： ( 1 ) 小浪底水库异重流形成条件分析 ( 2 ) 异重流流速含沙量分布，运动规律和排沙特点分析 ( 3 ) 清浑水交界面及浑水厚度变化 ( 4 ) 异重流阻力分析 ( 5 ) 异重流输沙能力分析 ( 6 ) 异重流淤积形态 第二章小浪底水库水沙特征 2 小浪底水库水沙特征 2 1 近期水沙特点 根据实测水文资料统计，1 9 5 2 1 9 9 6 年三门峡、小浪底实测年平均 径流量分别为3 8 1 7 亿m 3 和3 8 5 9 亿m 3 ，年均输沙量分别为1 2 2 9 亿t 和1 2 儿亿t ，三门峡小浪底区间多年平均加入水量为8 8 亿m 3 ，年平 均产沙总量o 0 7 4 亿t 。 1 9 9 7 年截流后至1 9 9 9 年施工期，小浪底和三门峡两站径流量相差不 大，年平均为1 7 l 亿m 3 ，小浪底站3 年总输沙量1 3 6 3 亿t ，较三门峡减 少1 3 4 亿t 。如果不考虑区间产沙，可认为小浪底库区淤积量为1 3 4 亿t 。2 0 0 0 年水库已开始蓄水运用，全年入库径流量为1 6 3 1 亿m 3 ，入 库沙量为3 5 7 亿t ，出库径流量为1 5 2 亿m 3 ，相应沙量只有0 0 4 亿t ， 进库沙量的9 8 8 淤在水库之中。 2 2 2 0 0 1 年水沙条件 2 0 0 1 年三门峡站( 小浪底入库) 径流量为1 3 5 亿m 3 ，沙量为2 8 3 亿t ，其中汛期径流量5 3 8 亿m 3 ，沙量2 8 3 亿t ，分别为1 9 5 2 1 9 9 6 年平均值的2 5 和2 6 。潼关水文站为三门峡水库入库控制站，汛期径 流量6 1 1 亿m 3 ，沙量2 g l 亿t ，分别为1 9 5 2 1 9 9 6 年平均值的2 9 和 2 8 ，为枯水少沙年份。 2 0 0 1 年8 月1 5 1 8 日，黄河中游山陕区间、北洛河、泾河有一次明 显的降雨过程，降雨中心主要分布在皇甫川下游、无定河中游、北洛河 和泾河下游地区。受上述降雨的影响，龙门站8 月1 9 日洪峰流量 3 4 0 0 m 3 s ，最大含沙量5 2 0 k g m 3 ；华县站8 月2 1 日洪峰流量9 2 5 m 3 s ，含 沙量高达7 2 4 k g 3 ，连续三天日平均含沙量大于3 5 0 k g m 3 ；状头站8 月 西安理工大学工程硕士专业学位论文 2 0 口最大流量1 3 9 0 m 3 s ，相应含沙量8 8 0 k g m 3 。8 月2 1 同潼关洪峰流量 2 7 8 0 m 3 s ，洪水期最大含沙量4 7 3 k g m 3 ，洪峰平均含沙量高达2 5 9 k g m 3 。 洪水期各站水沙特征见表2 1 。 表2 12 0 0 1 年8 月19 2 4 日洪水期特征值 径流量沙量最大流量含沙量 ：k g m 3 ) 站名时段( 月同) ( 亿i n 3 )( 亿t ) ( k g m 3 ) 平均 最大 龙门 8 1 9 8 2 34 3 81 0 5 73 4 0 02 4 15 2 0 华县 8 2 0 8 2 41 19 20 5 2 29 2 54 3 8 7 2 4 潼关 8 2 0 8 2 45 4 71 4 1 62 7 8 02 5 94 7 3 三门峡 8 2 0 8 2 45 4 41 7 8 02 8 9 03 2 75 3 l 洪水期三门峡水库敞泄运用，8 月2 0 2 4 日史家滩水位基本在3 0 0 m 以下，8 月2 0 日出库流量由2 0 0 m 3 s 陡增到1 0 0 0 i i l 3 s 以上，2 1 日8 时以 后达2 0 0 0 m 3 s 以上，持续近3 0 h ，2 3 日3 时以后减至1 0 0 0 m 3 s 以下：出 库最大流量2 8 9 0 m 3 s ( 2 2 日8 时) ，大于潼关站峰值。洪水峰形失瘦，陡 涨陡落，日均流量大于1 0 0 0 m 3 s 只有3 天( 2 0 2 2 日) ，8 月2 4r 三门 峡日均流量减到2 9 9 m 3 s 。三门峡站最大含沙量5 3 1 k g m 3 ，洪水期平均含 沙量3 2 7 k g m 3 。2 5 日以后逐步抬高水位按3 0 5 m 控制运用。洪水期三门峡 库区发生冲刷，出库沙量大于入库沙量。三门峡水库进出库流量、吉沙 量过程见图2 一l 。 洪水期二门峡出库流量、含沙量过程与潼关站相似，仍保持高含沙量 洪水的特点，其中值粒径d 。为o 0 3 3 o 0 4 5 m m ，d 。为0 0 7 0 1 5 m m ，小 于o 0 2 5 m 含沙量占3 0 4 0 。 受水库蓄水运用的影响，小浪底水库出库的流量、含沙量过程发生很 大变化。汛期出库水量为4 1 4 亿m 3 ，沙量为o 2 2 亿t ，分别为入库的7 7 和7 6 。进入7 月份以来，为满足黄河下游工农业及生态用水，实现不 第= 章小浪底水库水沙特征 断流，全河水量统一调度，小浪底出库流量大于入库；7 月底，山、陕区间 图2 12 0 0 1 年汛期三门峡进出库流量、含沙量过程 2 9 0 2 8 5 出现较强的降雨过程，小浪底入库流量增大，出库流量不足l o o m 3 s ；8 月 份洪水期出库流量在1 0 0 1 5 0m 3 s 之间，到9 月6 日逐渐增加到3 0 0 m 3 s ； 8 月2 1 目1 5 时开始有泥沙排出，出库最大含沙量1 9 6k g m 3 ，相应出库流 量只有11 9m 3 s ，此时2 # 排沙洞闸门开启2 5 7 m 。洪水期出库水沙量均很 少，进出库流量、含沙量过程见图2 2 。 (m)堪*般低制 m l 晏 姗 l s 姗 咖 湖 咖 湖 o m o 2 2 l 1 一，一挺 一。皇一愈加 西安理工大学工程硕士专业学位论文 o 5 删 煨 f 兰 唰 叁 如 2 5 0 0 o 1 0 0 o 7 8 月份 2 2 0 3 2 1 0 翼 蓍 z 鬟 19 0 1 8 0 图2 22 0 0 1 年汛期小浪底库水位和进出库流量、含沙量过程 0 第三章异重流形成条件 3 异重流形成条件 3 1 异重流的形成 3 1 1 异重流潜入现象n 3 5 与潜入点变化 挟沙浑水进入蓄有清水的水库，如果有足够的流速并含有一定浓度 的细沙，就会潜入清水下面形成一股浑水沿库底向坝前流动，这就是水 库异重流，在一定条件下可以流动到坝前。浑水从明流潜入水下形成异 重流的位置为潜入点，如图3 1 所示，在异重流向下游流动过程中，由 于紊动的作用将清浑水交界面上层的清水带向下游，引起清水水量不平 衡，在潜入点以下库区表面水体逆流而上，形成横轴环流，同时带动漂 浮物聚集至潜入点附近。这种现象是判断是否形成异重流、并确定潜入 位置的明显标志。 图3 1浑水异重流形成示意图 2 0 0 1 年8 月2 1 日9 时，在小浪底水库黄淤3 1 断面上游约1 0 0 m 附近 聚集有大量如柴草、树枝、泡沫塑料等漂浮物，这正是异重流的潜入点。 潜入点下首水面形成一个巨大的旋涡，夹杂着枯枝树根不停地翻腾，可 明显看到许多浑水旋涡不时冒出水面的翻花现象。同时还可以看到，潜 1 1 西安理工大学工程硕士专业学位论文 入带主槽两侧滩地上有泥沙大量落淤现象，这是“翻花”及泥沙剧烈 掺混所致。 在洪水过程中，小浪底水库蓄水位上升，回水末端不断上移，异重 流潜入位置上移。8 月2 0 日蓄水位在2 0 3 m 左右，2 0 时开始形成异重流， 潜入点在黄淤3 0 断面附近；8 月2 1 曰9 时潜入点在黄淤3 1 断面上游约 1 0 0 m 处；8 月2 4 日潜入点在黄淤3 6 断面上游8 0 0 m ；9 月3 同潜入点位 于黄淤3 6 断面下游5 0 0 n 1 附近。潜入点的变化特征见表3 一l ，潜入点位置 的变化与小浪底蓄水位和入库流量密切相关，随蓄水位的升高，潜入点 上移，流量大时，潜入点下移。潜入点附近的河床坡度约在1 7 2 6 。 表3 1小浪底水库异重流潜入点的位置及水沙条件 三门峡( 日均)潜入点桐树岭 时间 流量含沙量位置相应水水位 ( 月曰时：分) ( m 3 s ) ( k g m 3 )( 黄淤)深( m ) ( m ) 8 月2 0 日2 0 ：o o 1 1 1 02 7 3 3 0 断面附近 8 月2 1 日9 ：o o 2 2 0 02 8 9 3 l 断面上1 0 0 m 2 0 3 2 7 8 月2 4 日9 ：3 0 2 9 91 2 4 3 6 断面上8 0 0 m 3 82 1 0 0 4 9 月3 日1 0 ：4 0 8 7 71 5 7 3 6 断面下5 0 0 m 6 52 1 5 7 8 3 1 2 形成异重流的水沙特征 8 月2 0 日2 0 时在3 0 断面附近发现异重流潜入，而三门峡到黄淤3 0 断面的洪水传播时间约6 小时，相应时段三门峡的流量1 0 6 0 1 0 9 0 m 3 s ， 河堤流量8 4 0 9 8 0r 1 3 s ，相应含沙量均大于1 0 0 k g m 3 ；9 月3 目l o 时4 0 分仍观测到有浑水潜入现象，对应三门峡流量1 0 6 0 m 3 s ，含沙量约 1 3 k g m 3 。这次异重流的产生和持续表明，在入库流量1 0 0 0 m 3 s ，含沙量 在1 3 k g m 3 以上即可产生异重流。 三门峡站洪水自8 月2 0 日起至2 3 日止，4 天洪水水量为5 1 8 亿i t l 3 2 第三章异重流形成条件 沙量为1 7 4 8 亿t ，平均入库流量为1 5 0 0 m 3 s ，平均含沙量3 3 7 k g m 3 。最 大流量2 8 9 0 m 3 s ( 2 2 日8 时，相应含沙量5 0 4 k g m 3 ) ，最大含沙量5 3 1 k g m 3 ( 2 2 日4 时，相应流量2 8 4 0m 3 s ) 。8 月2 4 2 6 日三门峡流量较小，2 7 日以后流量增大，有几次超过1 0 0 0 m 3 s ，8 月2 9 日瞬时最大流量为 1 7 6 0 3 s 。异重流期间的入库流量、含沙量过程见图3 2 。 根据文献【1 4 】的研究，当洪水含沙量中粒径小于0 叭i 】1 m 的含沙量 大于7 0 虹m 3 ，水流具有强大的输沙能力，属于高含沙洪水。8 月2 0 日 2 3 日进库洪水的泥沙组成中，粒径小于0 0 2 5 m 占3 0 4 0 ，小于 0 o l m m 约占2 0 ，相应含沙量约6 7 k g m 3 ，据上述定义，基本为高含沙洪 水。8 月2 4 日2 6 日小流量期间进库含沙量为7 0 1 2 4 k g m 3 。 前 占 _ 删 楼 时间( 月日) 图3 22 0 0 1 年异重流期间实测入库流量、含沙量过程 3 2 异重流潜入条件 ”e 毒 删 受 加 前文已经论述了异重流潜入现象，异重流形成的根本原因是入库浑水 和库内清水的比重不同。可以设想，位于清浑水垂直交界面两侧的流体， 一侧为清水，另一侧为浑水，显然，交界面上任一点所承受的两侧压强并 1 3 西安理工大学工程硕士专业学位论文 不相等。因浑水的比重较清水大，浑水一侧的压力大于清水一侧的压力而 产生压力差，越接近河底压力差越大，就促使浑水向清水侧以下潜的形式 流动。随着水深的增加压力逐渐增大，在槽底无滑移边界条件下，浑水以 潜入的形式向清水底部流动。 从异重流的发生和运动方式看，潜入现象是异重流开始形成的标志。 从明流潜入过渡到异重流，就其交界面来说是不连续的。在潜入后下游不 远的交界面上存在一个拐点( 如图3 3 所示) ，拐点处的交界面比降竽很 大，即交界面同稳定的异重流的交界面接近于垂直时，竺专o o ，这就相当 d s 谢醐斑徽徽2 轰乩蚜猷触桃息啪漕入 点水深大于 。，应有 善王 1 水流为急流，当f ， 1 。：1 1 8 5 ( ) ； ( 3 3 ) 式中g 为单宽流量，为重力修正系数，2 笋。等。 芦田和男在研究异重流的潜入条件时“”，将异重流潜入断面简化如图 单宽流量的关系 西安理工大学工程硕士专业学位论文 1 0 0 1 0 o o o l 0 1 5 赢 图3 4 潜入点水力条件 f一 l h o l l i 一 刊i 到i h 图3 5 异重流潜入示意图 6 1 0 第三章异重流形成条件 ”们s s j 和式( 3 3 ) 相比，芦氏公式增加了能坡j ( 河床比降) 。 曹如轩等在研究高含沙异重流的流速分布时推导出类似的关系”1 。：国；( 竽) ； y ( 3 4 ) ( 3 5 ) 其中c ：兰篁，式( 3 5 ) 首次考虑了水流粘滞性的影响，建立了 、1 + 8 c 2 1 不同水流条件下k 与r b 的关系。对于低含沙水流或流量较大的高含沙非 均质流，流态处于紊流阻力平方区，阻力系数为常数，式( 3 5 ) 与芦氏公 式完全相同；对高含沙非均质流和均质流，阻力系数与雷诺数存在不同的 经验关系。式( 3 5 ) 理论推导更为严格，适合于不同流态和含沙量的异重 流，但本次小浪底实际测验项目难以满足计算的需要。 根据三门峡水库1 9 6 1 年异重流观测资料，e 变化范围为o 2 9 o 9 ， 平均为0 5 6 。小浪底水库异重流期间，根据潜入点附近的观测资料，f r 计算值与三门峡水库相近，计算如表3 2 。由于潜入点水流条件复杂，小 浪底水库资料观测多在潜入点下游，b 计算值偏小，将其水力条件点绘 表3 2潜入点f 计算表 日期水深垂线平均流速 垂线平均含沙量 f 。 ( m )( m ，s )( k m 3 ) 2 0 0 1 年8 月2 4 日 3 80 8 5 11 3 6 60 5 0 2 0 0 1 年9 月3 日 6 5o 2 2 l5 6 8o 6 l 2 0 0 2 年7 月7 日 9 51 4 82 9 1 o0 3 9 2 0 0 2 年7 月7 日 1 0 51 0 11 3 2 o0 3 6 2 0 0 2 年7 月1 2 日6 o0 4 8l o 6o 7 7 西安理工大学工程硕士专业学位论文 于图3 4 中，小浪底资料在关系线下方，但基本在点群范围。 根据式( 3 5 ) 阻力系数为常数的情况或公式( 3 4 ) ，计算潜入点临界 水深列如表3 3 。考虑到水流的传播和演进，潜入点的水沙条件与入库会有 出入，假定相近的几组进行计算。8 月2 4 日和9 月3r 实测潜入点水深为 3 8 m 和6 5 m ，可见，临界水深的计算值与实测值比较接近。 表3 3潜入点临界水深的计算 流量单宽流量 含沙量 日期 河宽( m ) o ( m ) ( m 3 s )( m 。s m )( k m 。) 2 5 01 61 5 03 9 4 0 0 8 月2 4 日2 7 01 4 81 7 03 5 3 0 01 t3 31 7 03 3 7 0 01 4 32 06 8 g 月3 目 1 0 0 08 0 01 2 52 06 2 8 0 01 2 51 56 9 第四章小浪底水库异重流要素分析 4 小浪底水库异重流要素分析 4 1 异重流特征值 2 0 0 1 年小浪底水库异重流潜入位置在黄淤3 6 断面附近，运行最大长 度6 0 9 k m ，垂线平均含沙量一般在5 0 1 0 0 k g m 3 ，垂线平均流速为 o 0 3 7 1 6 6 m s ，实测异重流厚度最小为o 6 m ，最大为2 0 3 m ，d 。最大 为o 0 5 8 m m ，最小为o 0 2 4 m m ，