水下排沙洞泥沙下泄模型試驗研究

叢中方 馬棟和 李 斌 譚尊祥 王 銳

(1.山東文登抽水蓄能有限公司，山東 威海 266440； 2.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院，吉林 長春 130061； 3.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林 長春 130061； 4.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北 豐寧 068350)

·水利工程·

水下排沙洞泥沙下泄模型試驗研究

叢中方1馬棟和2，3*李 斌4譚尊祥2，3王 銳2，3

(1.山東文登抽水蓄能有限公司，山東 威海 266440； 2.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司科學(xué)研究院，吉林 長春 130061； 3.水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心，吉林 長春 130061； 4.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北 豐寧 068350)

針對我國北方眾多水庫存在較為嚴(yán)重的泥沙淤積問題，開展了水下巖塞爆破模型試驗，分析了巖塞口爆通后淤泥下泄要素變化和過程，研究成果對于水下巖塞爆破清淤設(shè)計具有重要的借鑒意義。

水庫，排沙洞，泥沙，水工模型試驗

1 概述

工程物理模擬方法是解決復(fù)雜工程問題的一種模擬方法[1，2]，具有在試驗中可以直接觀察到各種現(xiàn)象的特點,而且易于掌握，其缺點是除了需制作試驗?zāi)Ｐ凸ぷ髁看笸猓袝r因為測量困難，某些要素不容易控制，因而給試驗結(jié)果帶來一定誤差。

試驗研究以我國北方某水庫水下巖塞爆破清淤設(shè)計為依托，采用水工模型試驗。其基本原理是模擬該水庫的水位、水下淤泥的厚度以及爆破口的尺寸按一定的比尺縮小，制作成模型槽，進(jìn)行爆破過程中淤泥下泄要素變化和過程的觀測。然后將試驗結(jié)果按同一比尺放大，從而得出與原體相應(yīng)的淤泥下泄運(yùn)動要素。

2 試驗?zāi)康?/h2>

通過水工模型試驗?zāi)M水下排沙洞巖塞口爆通后，在水庫水體的靜水壓力作用下能否使排沙洞洞口上方的淤泥順利地從排沙洞排出，為現(xiàn)場爆破提供試驗數(shù)據(jù)。

3 模型設(shè)計

3.1 相似準(zhǔn)則

模型為正態(tài)，應(yīng)滿足SL 155—2012水工常規(guī)模型試驗規(guī)程中規(guī)定的以下各項相似準(zhǔn)則：

幾何相似：

λl=Lp/Lm，λh=Hp/Hm；

時間相似：

λt=λl/λu；

重力相似：

阻力相似：

λn=λl(1/6)；

連續(xù)相似：

λq/λlλhλu=1；

模型比尺選取1∶40的正態(tài)模型，即模型幾何比尺：λl=λh=40。

3.2 淤砂層模擬應(yīng)遵循的比尺

在物理模型試驗中，起控制作用的物理常數(shù)往往因模型中所要解決的問題不同而不同。本次模型試驗中對選擇相似材料有控制作用的物理常數(shù)主要為：

1)λc=Cp/Cm。

2)λγ=γp/γm。

3)λφ=φp/φm。

首先，相似指標(biāo)應(yīng)滿足如下方程：

Cc/(ClCγ)=1

(1)

內(nèi)摩擦角φ為無量綱數(shù)，則：

Cφ=1

(2)

Cμ=1

(3)

內(nèi)聚力C量綱為FL-2，則：

Cc=Cl

(4)

3.3 模型制作

模型庫區(qū)采用8.0 mm的角鋼為材料制作，庫區(qū)的角鋼間距為1.0 m，橫向加肋焊接形成庫區(qū)，庫區(qū)下面采用鐵板封閉。庫區(qū)與供水系統(tǒng)連接，在庫區(qū)設(shè)排水管和平水箱，以控制庫區(qū)水位。庫區(qū)與排沙洞集渣坑連接。為了便于觀察試驗過程，試驗?zāi)M的庫區(qū)等模型材料采用有機(jī)玻璃制作，模型布置如圖1所示。

模型高度的確定是根據(jù)該水庫最高庫水位和淤泥以下原地形再加上安全超高25 cm來考慮，進(jìn)口段集渣坑底高程為1 636.70 m，正常庫水位為1 735 m，差值為98.30 m，模型比尺為40，模型凈高為2.46 m+0.25 m=2.71 m。

模型模擬范圍為水庫局部庫區(qū)及排沙洞。排沙洞模擬長度是由巖塞口以下到閘門井的中線距離為110.87 m，上游模型庫區(qū)取原體長120.00 m的正方形。下游模型加上退水段長2.00 m，模型長度為5.00 m,模型寬度為3.00 m。

3.4 模擬工況

庫水位1 730.00 m，淤泥層的密度為1.63 g/cm3，厚度為30.00 m，在不加任何干擾的情況下進(jìn)行壓淤試驗。模型制作的主要建筑物有巖塞口、集渣坑、閘門井等。

4 試驗結(jié)果

原型巖塞體爆破的方量為2 606 m3，爆破后形成松散石渣，其松散系數(shù)為實際方量的1.54倍。計算后的松散方量為4 015 m3，按級配曲線配置礫石來模擬巖塞爆破后的松散石渣，其中一部分根據(jù)巖塞體體積留用填筑巖塞，剩余部分通過巖塞口預(yù)先滑落進(jìn)入集渣坑中。

試驗正式開始后，撤掉巖塞口封板(用于模擬爆通)，填筑在巖塞口的巖塞松散方量自由下落到集渣坑里，從撤掉封口底板起即有少量淤泥下落；在模型歷時50 s時，經(jīng)試驗觀察有大塊淤泥塌落；在2 min 11 s時已有大塊淤泥呈不間斷的下落到集渣坑里；在封口底板撤掉2 min 17 s時淤泥層貫通下泄。

5 結(jié)語

1)由于巖塞口上面的淤泥層厚度是不均勻的，巖塞口上邊緣的淤泥層薄，下邊緣的淤泥層厚，當(dāng)巖塞爆通后，從模型側(cè)面觀察，巖塞口上方的淤泥層開始慢慢地滲水，隨后出現(xiàn)自然塌落，在巖塞口上方形成塌落拱，隨著塌落拱的發(fā)展，淤泥層瞬間失穩(wěn)，淤泥層貫通過水，并迅速發(fā)展。由此可見，通過靜態(tài)淤泥穩(wěn)定試驗表明，如果不加爆破外力的擾動，單靠靜水壓力和淤泥層的自重也可以形成進(jìn)流通道。

2)淤泥層密度的大小將直接影響其貫通時間。如果在巖塞爆破時，同時對巖塞口上方的淤泥層進(jìn)行大面積爆破擾動，使淤泥層密度下降，達(dá)到泥水混合物狀態(tài)，對于淤泥層下泄有利。

[1] 胡 勇,李熙喆,萬玉金,等.致密砂巖氣滲流特征物理模擬[J].石油勘探與開發(fā),2013,40(5):580-584.

[2] 俞伯汀,孫紅月,尚岳全.含碎石粘土邊坡滲流系統(tǒng)的物理模擬試驗[J].巖土工程學(xué)報,2006,28(6):705-708.

[3] 江 浩,李榮建,閆 蕊,等.隧道模型試驗中幾何比尺相似程度的差異性及影響比較[A].中國土木工程學(xué)會第十二屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)大會論文集[C].2015.

[4] 楊佑宗,蔣乾緯,劉 海,等.幾何相似模型推進(jìn)性能的尺度效應(yīng)及相關(guān)分析[J].中國造船,1984(2):14-24.

[5] 章志勇.三維模型幾何相似性比較的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2005.

Silt drainage model testing research of underwater desilting tunnel

Cong Zhongfang1Ma Donghe2,3*Li Bin4Tan Zunxiang2,3Wang Rui2,3

(1.ShandongWendengPumpedStorageCo.,Ltd,Weihai266440,China; 2.ReclaimedWaterNortheastSurvey&DesignInstituteCompanyScienceAcademy,Changchun130061,China; 3.HydraulicMinistryCold-RegionEngineeringTechnologyResearchCenter,Changchun130061,China; 4.HebeiFengningPumpedStorageCo.,Ltd,Fengning068350,China)

In light of serious sediment accumulating problems of reservoirs in norther China, the paper launches underwater rock-plug blasting damage model test, and analyzes silt drainage factors change and process after rock-plug blasting. The above-mentioned research achievements have significant guiding meaning for designing underwater rock-plug blast silt.

reservoir, desilting tunnel, silt, hydraulic model test

1009-6825(2017)02-0230-02

2016-11-05

馬棟和(1986- )，男，博士，高級工程師

TV145

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