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分，由于泥沙的重力作用及水流的紊动混掺的双重作用，悬移质沿垂线的分布呈上稀下浓、上细下粗的规律。在水流的不平衡输沙条件下，超饱和水流中必然有一部分泥沙沉降落淤，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，可以预报水库淤积的形态及位置，渠系沉沙池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，排沙效果良好。

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，悬移质占主要部分。悬移质之所以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非常密切的关系。尺度大的涡漩能维持大量或较大颗粒泥沙的悬浮，尺度小的涡漩则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共同作用的结果，形成了悬移质含沙量沿垂线的分布。

水流中的来水来沙条件是在变化的，因此，含沙量沿垂线的分布状况及平均含沙量也随之改变，形成不平衡输沙。在冲积河流条件下，由于水流强度的增加或减小，产生河床的冲刷或淤积。含沙水流进入水库或其他较大水体，也会产生泥沙淤积。泥沙的淤积过程，也就是悬移质沿垂线分布重新调整的过程。较粗的泥沙颗粒率先沉降落淤，较细的颗粒仍保持悬浮状态继续随水流前进。这种现象沿水流是个渐变过程，因此，出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着。即使在渠道、河道等准均匀流条件下，粗细不同的泥沙颗粒，在淤积过程中也会出现分选[1]。泥沙相对较细，紊动相对较强，则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，人们可以利用不同矿砂的比重进行水力选矿，也可以利用风力，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，泥沙的运动可以达到某种平衡状态，即，泥沙的输沙率沿程不变，河床不产生冲刷或淤积，悬移质沿垂线分布也达到某种均衡状态，称为平衡输沙。但这只是一种暂时现象，一旦水流条件发生变化，旧的平衡将被破坏，水流中的含沙量也会增大或减小，最终为新的平衡所代替。在平衡输沙中，含沙量沿垂线的分布也是不均匀的，小颗粒的泥沙重量小，下沉趋势弱，因此更容易被紊动水流涡漩托浮到水流上层；大颗粒则偏向下层，并与河床有交换现象。泥沙的来源在河床，下沉的泥沙也朝床面集中，所以沿垂线方向含沙量是上部含沙量浓度低，下层含沙量浓度高。

根据泥沙运动的扩散理论导出的二元恒定均匀流在平衡输沙情况下，含沙量沿垂线分布的公式为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。这里重力作用用沉速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，含沙量沿垂线分布越不均匀。反之，悬浮指标越小，含沙量沿垂线分布就越均匀。

如果把悬移质泥沙分成若干粒径组，每组取其平均沉速ωi，不计泥沙在运动水体中的相互干扰作用，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分布曲线，则在每一相对水深上都可以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出现，利用含沙量沿垂线分布的这种特性，我们就可以认识悬移质沿程分选沉降的规律。

在引水建筑物的下游，由于紊动强度逐渐减弱，流速分布渐趋上大下小的正常分布，含沙量也趋于上稀下浓的分布状态。如果水流中的含沙量和水流挟沙能力相等，则可达到渠道不冲不淤的平衡状态。如果上游来水来沙发生变化，则渠道的平衡输沙遭到破坏，渠道也将发生冲刷和淤积，其淤积规律也将遵循分选沉降的规律，因此，在均匀水流中也会出现悬移质的分选现象。如果水流沿程发生急剧变化，例如，河流进入水库、湖泊或海洋，或者渠水进入沉沙池，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。

悬移质泥沙在引水渠中的分选沉降可分作三部分。第一部分较粗泥沙，在进入沉沙池后逐渐沉降下来，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安全系数，可取～，如果Li小于沉沙池的长度，该粒径组都将沉降在沉沙池内。第二部分是中等粗细的泥沙，这部分泥沙的沉降长度超过沉沙池长度，但是这部分泥沙沿垂线分布也偏于水深的下部，涡管排沙是从渠道底部排出的，可以认为分界流线以下的高含沙水流都进入涡管排出，这样中粗泥沙又被排出一部分，排出的分沙比大于分流比。第三部分为细沙，可认为不在沉沙池中沉降。我们按以下方法计算中粗泥沙排出的比例。d10d50d90进口1#涡管出口2#涡管出口末端渠底

说明：上断面位于沉沙池上游引水渠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。1、2号涡管中有些粒径大于上断面粒径，是在较长时间内积存下来的。由表4可见，各涡管出口泥沙粒径愈向下游愈细，经过沉沙池处理后水流中的泥沙，d50=,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。在沉沙池设计过程中进行了水力模型试验，证实了悬移质沿程分选沉降及涡管排沙的有效性，还对原设计作了有益的改进。此外，这种沉沙池按渠道设计，造价低，运行管理也方便可靠，现已经安全运行了两个汛期，排沙效果良好。大大减轻了水轮机的磨损现象。渠道不再需要清淤，经济效益、社会效益良好。5结语悬移质问题是比较复杂的，在工程处理上相对推移质而言难度也更大一些。但是悬移质和推移质之间并没有绝对界限，在一定条件下的悬移质，可以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理，主要的就是把悬移质通过分选沉降转化成推移质加以排除，水库的淤积过程，更是悬移质分选沉降的过程。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着作用。所以悬移质的分选沉降现象早已为人们所熟知并加以利用。但是在水利水电工程及其它领域中的悬移质问题非常众多，分选沉降规律的应用可能是解决问题的方向之一。我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、冲洗式沉沙池的最佳冲洗时间、城镇供水的初步处理、环境工程中处理某些悬浮物质等，还是很有发展前景的。此外，这一规律如何用数学形式表达出来，也尚需进一步研究，有待对此问题有兴趣的学者共同努力。参考文献[1]钱宁，万兆惠.泥沙运动力学