洛惠渠高含沙水流的特性分析

泥２０００年４月　沙研究　第２期　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｅｄｉｍｅｎｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　，一一　洛惠渠高含沙水流的特性分析　／　，（中国水利水电科学研究院泥秒研究所，北京１０ｏ０４４）　苎旦　王力，刘葳　摘要：利用洛惠榘近二十年的实潮资料．从泥抄颗粒沉速、流变特性等基本概念着手分析洛惠榘高音抄水流　的特性。指出水流中古抄量的增大和细颗粒古量的增加，一方面使流体牯度增加；另一方面使流体窖重增大，　从而导致颗粒的沉逮大幅度降低．甚至形成不分选泥浆。文章为进一步研究黄河等多抄河流的高古秒水流输　抄提供了科学依据。　美蕾词　；　；　婺；　竺；　文章编号　。　中圈分类号：ＴＶ１４３文献标识码：Ａ斑　１灌区概况　人民引洛灌区位于陕西关中东部，是河源泥沙干扰比较突出、泥沙含量较大的灌区。灌区平面图见　图１，总干渠全长２１．５ｋｉｎ，沿洛河东岸沟壑区经五号隧洞到达义井，再分为东、中、西三条干渠，呈扇形　分布　丁　，，●　乒　圈１人民引洛渠灌区平面圈　Ｓｋｅｔｃｈ　０ｆ　Ｒｅｎｍｉｎ　Ｙｉｎ　Ｌｕｏ　Ｉｒｒｉｇａｆｏｎ　Ｄｉｓｔｒｉｃｔ　灌区水源为北洛河，它是黄河多沙支流之一，发源于陕北定边县白宇山区。北洛河多年平均流量为　２５．７ｍ３／ｓ￣洪水期７－－９月，最大洪峰流量为４４２０ｍ　／ｓ；枯水期５～５月，最小流量为１．２　／ｓ；一般流量　在１０ｍ　／ｓ左右。、状头站多年平均水、沙及各级含沙量（以重量百分比计）情况见表１。　基金项目：国家自拣科学基金和水利部联合资助项目（５９８９０２００　作者葡舟：张德茹（￣９６５）．女，中国柬科院高工。　维普资讯 http://www.cqvip.com

衰１北洛河滞头站多年平均水、沙情况统计裹【１９５２￣１９７４　Ａｎｎ￣［ｍｎｏｆｌ　ａｎｄ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｔｏａｄ　ａｔ　Ｚｈ￣ｎｇｔｏｕ　ｓｔａｔｉｏｎ　据前十五年的资料统计，一次洪峰持续高含沙的情况如下：含沙量大于４０％、历时超过四天的有三　年，超过三天的有九年；洪峰含沙量大于５０％的几乎每年都出现，其中持续两天以上的有两年。　北洛河洪水一般多出现于７～８月份，最早于６月中、下　旬出现。洪峰和沙峰基本相适应，沙峰稍迟于洪峰，洪峰峰　型陡瘦，沙峰陡涨缓落。人民引洛渠直接引用北洛河水，水　沙关系与北洛河水变化过程基本相同。从１９７４年至１９８６年　ｅ０ｏ　ｌ００ｏ　实测资料分析，引洛渠汛期含沙量与悬沙粒径有一定关系，三　即：含沙摄越大，粒径越粗（见图２）；从汛期各次洪峰相比较，嚣～　由于来水来沙区不同，悬沙粒径也有所不同。一般来说，每　年第一次洪峰的悬沙粒径较粗。据１９６３～１９７０年资料统　计；北洛河悬沙平均粒径为０．０３９９～０．０４３７ｍｍ，中值粒径为　０．０３５３～０．０４２０ｍｍ。　中值植柽ｄ‘．（－Ｉ】　２００　２泥沙颗粒在高含沙水流中的特性　颗粒沉速是泥沙运动中的一个重要参数，如沉淀落淤速　圈２　东干义井厮面洪一时段Ｓ～ｄ　美系圈　Ｒｅｂａｔｌｏｎ　ｂｅｔｗｅｅ力　ｔｔ一　ｎ１ｒａｔｉｏｎ　ｎｄ　ｄ　度、挟沙能力等都与这一参数密切相关。已有的研究表明含　沙量对泥沙颗粒的沉速有着一定的影响。粘土浆液的含沙　ｔ　Ｖｉｊｉｏｇ　ｎ０ｎｉｎｐ蛆ｋ　ｄｉｎｅ　量达到一定程度以后，具有非牛顿流体的特性。国内外学者多采用宾汉方程来近似描述其流变特　性　。　２．１洛惠渠高台沙水流的流变特性　１９８５年费祥俊教授【。　以爱因斯坦在球形颗粒的稀悬液条件下，推得的相对粘度理论公式　蔽　。　（１＋２．５Ｓ　）为基础，分析求得不同粒度组成下高浓度悬液的相对粘度表达式，并做了比较系统的粘性　试验进行验证，最后得出高浓度泥沙悬液相对粘度的公式　／，ｕ０＝［１一Ｋ　：　（１）　式中　系数Ｋ是对固体浓度的修正系数，即考虑了细颗粒表面的薄膜水，又考虑了粒间封闭水对浓度　的影响。Ｓ　和ｓ　分别表示固体体积比浓度及其极限浓度，　陵和　０则表示泥沙悬液及同温度的清水　的牯滞系数。当悬液中固体浓度较高时，已属非牛顿流体，可用宾汉模型来描述其剪切力与切变率关　系。宾汉极限剪切力的试验结果可用下列经验式表达　Ｊ　ｒ月＝９．８×１０　ｅｘｐ（Ｂｅ＋１．５）　（２）　式中　——Ｎ／ｍ２，系数Ｂ＝８．４５，ｅ＝　。　这里Ｓ　０为由牛顿体转变到非牛顿体的临界浓度。公式（１）和（２）的特点是除了浓度Ｓ　作为影响悬液　流变参数的因素以外，又加人了反映颗粒组成特性的ｓ　值，使流变参数的应用范围明显扩大。　　。根据采集黄河中下游有关水文站的悬沙沙样进行的流变试验　Ｊ，得出如下关系式　Ｓ　＝１．２６Ｓ３２　．．唧（３）　Ｓ　＝０．９２—０．２１ｇ∑　（４）　Ｋ＝…．　－一未）　㈣　４５　维普资讯 http://www.cqvip.com

洛惠渠引水是引黄河之水，上述公式可以应用于此。　２．２泥沙颗粒在宾汉流体中的受力分析　下面，我们分析一下作用于流体中下沉颗粒上的力。当泥沙颗粒的水下有效重量与作用于颗粒的　阻力平衡时，它便达到其晟终沉速　（　＝ｃ。ｙ等・　２　（６）　式中　ｙ　为泥沙颗粒比重，ｙ　＝ｐ　；７为流体比重。　知道了阻力系数如何变化，就可以推得沉速如何变化。作用于泥沙颗粒的阻力等于作用于泥沙颗　粒表面的切应力和压应力沿运动方向的台力。泥沙颗粒在牛顿流体中作层流沉降时，作用于其上的总　阻力（即式（６）等号右边的项）为３即　，其中三分之一是压应力的合力，三分之二是切应力的合力。若　ｃＤ－ｙ　－　ｃｏ２＝３　（７）　（８）　＝　２４　见＝　（９）　泥沙颗粒在做紊流沉降时，切应力的作用便退居次席。在充分紊动区，阻力系数ｃ。趋于一个常　数；在层流沉降与紊流沉降之间，则有一个过渡区。总的来说，阻力系数ｃ　是雷诺数的函数。　泥沙颗粒在宾汉流体中沉降时，不仅有相当于牛顿流体动力粘滞系数　的刚度系数　，宾汉切应力　ｒ　也会引起水流阻碍泥沙颗粒的运动。　参照安斯列的概念，下面讨论作用于宾汉体中层流沉降颗粒上的力　】。可以假定由刚度系数　（相　当于　）引起的力仍为３　，由ｒ月引起的力由两部分组成：１．设作用于球体表面的切应力为ｒ月，则它　们沿垂直方向的合力为÷Ｒ－２ｄ　ｒ月　；２根据塑性流滑动线理论，作用于球面的压应力沿垂直方向的合　力为詈Ｒ－２ｄ　ｒＢ。所有这些力的合力亦即总阻力，应为３　式，可得　ＣＤ－７・舌　ｄ　ｒ月。如果同样用一般阻力表达形　等－　ｃｏ２：３ｔｒｒｔｄ，￣＋詈　ｄ　ｒＢ　ＣＤ＝　（１０）　（１１）　若认为在层流区ｃ　仍与雷诺数Ｒ　ｌ成反比　则由上式可以得出修正雷诺数Ｒ　ｌ的形式为　Ｒ　ｔ＝　（１２）　西　对于牛顿流体，ｒＢ＝０这时Ｒ　。即转化成式（９）形成的Ｒ　。　对比泥沙颗粒在牛顿体中的沉降情况，泥沙颗粒在宾汉流体中沉降时，阻力系数ｃ　也应是修正后　的雷诺数Ｒ　ｔ的函数。　将上述方程式（６）和（１０）联和求解　一（　＝３ｔｒｒｔｄ，￣＋吾　上式ｙ为清水比重。如果泥沙颗粒在高含沙水流中运动，那么就用浑水比重ｙ｛直来代替清水比重ｙ，即　（　—ｙ　）　＝３砷如　＋詈　ｄ　ｒＲ　（　ｄｉ２詈　∞｛直＝　一（１３）　维普资讯 http://www.cqvip.com

式中　是泥沙颗粒在浑水中的沉速。　根据流体的流变特性可知，当含沙浓度ｓ　＜　ｏ时，液体是牛顿体，　＝０，刚度系数　等于粘滞系　数　｛疰（　＝　），式（１３）可化为　（　叫液　ｙ　）ｄ　１８　（１４）　式中／ｚ￣ｆ根据方程式（１）求得，含沙量越大，／，ｚ￣ｆ越大，且太于相同温度下清水的粘滞系数　ｏ。，　通过上式可以看出泥沙颗粒在高含沙水流中的沉速与在　清水中的沉速　如图３所示。从图３可以看出，相同的粒径组成在高含沙水流　清水中沉速的１／７。究其原因：一方面是由于液体的比重　液　大于清水比重，使泥沙颗粒受的上浮力增大；另一方面是粘滞　系数　增大。这两方面引起泥沙颗粒在高含沙水流中的沉　速减小。　由于泥沙颗粒在高含沙水流中的沉速减小，如果采用Ｓ　～　０　４　不同，根据洛惠渠资料可以点出关系曲线，一　０　３　Ｏ　２　　中的平均沉速远远小于在清水中的平均沉速，有的只相当于：　０　１０　０　ｏ．Ｏｌ　０　０２　ｏ　０３　ｏ　０４　ｏ．０５　脚　（－）　围３泥沙颗粒在清水和浑水中的沉逋　Ｆａｌｌ￣ｌｏｃｉｔｙ　ｉｎ　ｃｌｅａｒ　ｗ￣ｔｏｒ　ａｎｄ　ｓｉｌｔｙ　ＷａＩＰＦ　关系作为挟沙能力的基础ｓ　（　＿＿　５么在流速　和水深＾一定的情况下，挟沙能力就增　当Ｓ　≥Ｓ∞时，高含沙水流成为宾汉体，切应力　、ｙ液和刚度　（相当于粘性　）三种因素共同影响　大，从而使得泥沙淤积量减小。这更有利于泥沙的远距离输送。　造成泥沙颗粒在宾汉体中的沉速与在清水中的沉速不一样。而当高含沙水流一旦成为宾汉体，　的切　应力便可以托住一般细小颗粒，使其不下沉。如果令式（１３）等于零，如下式　２　１　（　—ｙ　）兰　音　…ｒ月　０　一　“一一４（ｙ　一ｙ　）　兰　便可以得到相应含沙量情况下能使泥沙颗粒不下沉（即　＝０）的最大粒径ｄ　。根据洛惠渠的资料，计　算得到ｄ～如表２。从表２可以看出ｄ…是很大的　从另一个角度，我们也可以认为当高含沙水流形　成宾汉体后，挟沙能力大大增加。这也是高含沙水流产生揭河底现象的一个重要原因。　裹２高含沙Ｉ宾汉体）水流不沉的最大粒径值　Ｔｈｅ……０　ｎ０￣ｔｔｉｎｇ　ｉｎ　ｈｙｐｅｒｃｏｎｃｅｎｔｍｔｅｄ　ｆｌｏｗ　３结语　通过对洛惠渠水沙资料的分析，可以看出，含沙量越大，泥沙粒径越粗，流体容重就越大，粘性系数　也增大。从而导致沉速大大降低，流体挟沙能力增强，河道淤积量减少。　４７　维普资讯 http://www.cqvip.com

参考文献　［１］　钱宁，万兆惠．高含沙水流研究述评水利学报．１９８５，（５）　ｒｄ，Ｒ．Ｄａｉ　Ｇ　Ｃ　ａｎｄ　Ｂａｒｂａｒａ　Ｊ　Ｙａｒｕｓｓｏ，Ｔｈｅ　Ｒｈｅｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｆｌｏｗ　ｏｆⅥｓ　１ａｓｔ１ｃ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｒｅｖｉｅｗｓ　ｉｎ　Ｃｈｅｍｉ　２］　Ｂｙｍｎ　Ｂｉａｌｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｖ０１．Ｉ．Ｎｏ．１，１９８２　　：３　Ｊ　费样俊黄河中下游含沙水流粘度的计算模型．泥沙研究，１９９１，（２）．１４］　Ｆｅｉ　Ｘｉａｎｇ】ｋｉｎ，Ｙａｎｇ　Ｍｅｉ　ｑｉｒｔｇ，Ｔｈｅ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅ￣ｏｆ　ＦｌｏｗＷｉｔｈ　Ｈｙｐｅｒｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｓｅｄｉｍｅｎｔ，Ｓｅｐｔ　１０～１４　１９８５　ｅｙ．Ｒ　Ｗ　ａｎｄ　Ｓｍｉｔｈ，Ｔ　Ｎ．Ｍｏｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｉｎ　ａ　Ｂｉｎｇｈａｍ　Ｐｌａｓｔｉｃ　Ｊ．ｏｆ　ＡＩＣＨＥ　Ｖｏ１．１３，Ｎｏ　６　５］　Ａｎｓｌ１９６７，ＰＰ　１１９３—１１９６　６］　齐璞极细沙言量水流挟沙能力影响机理的探讨黄河水利委员会水利科学研究所科研成果选编，１９７８年第２期　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｈｙｐｅｒｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ　Ｆｌｏｗ　ｉｎ　Ｌｕｏｈｕｉ　Ｃａｎａｌ　ＺＨＡＮＧ　Ｄｅ—ｒｕ，ＳＵ　Ｘｉａｏ－ｐｏ．ＷＡＮＧ　Ｌｉ，ＬＩＵ　Ｗｅｉ　（ＣｈｉｎａＩｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＷａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃａｓ　ａｎｄ　Ｈ）ｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａ　ｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｏｂｓｅｒｖｅｄ　ｄａｔａ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｌｕｏｈｕｉ　Ｃａｎａｌ，ｗｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｈｙｐｅｒｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ　ｆｌｏｗ　ｉｎ　Ｌｕｏｈｕｌ　Ｃａｎａ１　ｆｒｏｍ　ｆａｌ１　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｆ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａ１　ｐｒｏｐｅｒｔｙ，ａｎｄ　ｇｅｔ　ａ　ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　ｒｅａｔｉｚａｔｌｏｎ：ｕｓｕａｌｌｙ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｌｏｗ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ｆｉｎｅｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｗｉｌｌ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　ｆｌｏｗ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｈｕｓ　ｔｈｅ　ｓｅｔｔｌｉｎｇ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｏｆ　ｓｅｄｉｍｅｎｔ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｌｏｗｅｒｅｄ，ｅｖｅｎ　ｎｏｎ—　ｇｒａｄｉｎｇ　ｍｕｄ　ｆｌｏｗ　ｃａｎ　ｂｅ　ｆｏｒｍｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｌｕｏｈｕｉ　Ｃａｎａｌ，ｈｙｐｅｒｅｏｎｅａｎｔｒａｔｅｄ　ｆｌｏｗ；ｓｅｔｔｈｎｇ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ；ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ，Ｂｉｎｇｈａｍ　ｍｏｄｅｌ　４８