水利樞紐工程高含沙渾水壓力模型試驗研究

周冬 王博 鐘麗佳

摘要：以黃河流域某水利樞紐工程為研究對象，通過設計一套渾水壓力模型來模擬和測試高含沙渾水的基本狀態，用高精度土壓力計直接測量渾水的豎向壓強和水平壓強，并對渾水豎向壓強與水平壓強之間的關系進行了分析。結果表明：①含沙量為96.8～1075.1kg/m³渾水的水平壓強與豎向壓強的比值范圍為0.98～1.02，約等于1.0，即可以認為在模型試驗中各組不同含沙量渾水同一位置處的水平壓強都約等于豎向壓強;②渾水中泥沙沉積較快，在模型底部形成淤積體，淤積體的含水率為27.3%～39.1%，均大于土樣的液限，泥沙淤積體處于可流動狀態;③試驗中渾水壓強沿高度的分布模式與靜水相同，驗證了規范推薦的渾水壓力的計算方法對最大含沙量為1075.1kg/m³的渾水同樣適用。

關鍵詞：模型試驗;壓力試驗;高含沙渾水;水利樞紐

中圖分類號：TV145;TV882.1 文獻標志碼：A

水利工程在我國國民經濟基礎建設中占極其重要的位置，其經濟、生態效益不可小覷。然而，在水工建筑物設計時是否要考慮河流中泥沙荷載的問題目前尚無明確規定。尤其是世界上含沙量最高的黃河，不僅在下游河段的河床中有大量泥沙淤積，而且在黃河中游也存在嚴重的季節性淤積，致使河南、山東等下游地區的水資源不能被充分利用，同時泥沙的存在也大大縮短了許多水庫的使用壽命。

當含沙量較小時，在大壩設計時可以忽略泥沙的壓力。當含沙量較高時，筆者認為必須考慮泥沙對壩體應力的影響。高含沙渾水對水庫的設計和運行等都存在一定的影響，如泥沙淤積可能導致壩前泥沙壓力增大。因此，有必要對高含沙渾水的壓力分布進行研究。不過，目前國內外對于含沙量較高的渾水壓力的研究較少。《混凝土拱壩設計規范》（SL282-2003）[1]中推薦含泥沙水（渾水）壓力的計算方法為

p=γ₂H（1）式中：p為計算點處渾水壓強;γ_w為含泥沙水（渾水）的容重;H為計算點處的作用水頭。

楊賚斐等[2-3]根據水電站建成前后的實測資料，對淤泥的力學性質進行了研究，結果表明淤泥的含水量愈大，其側壓力系數也愈大，當含水量接近液限時，總側壓力系數接近1.0;陳一明等[4]首次對壩前泥沙壓力在淤積固結作用下的變化規律進行了研究，發現壩前泥沙壓力在淤積固結作用下對壩體穩定性不利;陳松偉等[5]利用有限元軟件計算了泥沙壓力作用下混凝土重力壩的應力，指出重力壩設計過程中應考慮泥沙壓力的作用。

本文通過建立黃河流域某水利樞紐高含沙（含沙量為96.8～1075.1kg/m³）渾水壓力模型，模擬高含沙渾水的基本狀態，用高精度土壓力計直接測得渾水的豎向壓強和水平壓強，并對試驗結果進行分析和研究，以期為相關工程設計提供依據。

1 試驗模型及渾水制樣

1.1 試驗儀器、模型

模型試驗中測試渾水壓強所用的儀器設備是BGK4810高精度土壓力計。該壓力計置于渾水之中，水壓力被加載到承壓盤上，從而引起壓力盒內流體壓力的變化，由振弦式壓力傳感器測量壓力值。通過土壓力計直接測得渾水的豎向壓強和水平壓強。試驗中設計了一套圓筒模型：一根內徑28cm、高10m的單開口圓筒，并在圓筒的底部安裝一個閥門，用于試驗完成后排出渾水。加工完成后的實物見圖1，土壓力計放置情況見圖2。

1.2 渾水制樣方法

以黃河流域某水利樞紐工程實測的泥沙級配資料為依據，人工配制與其級配相似的泥沙。配置泥沙所用的土料取自未經人為擾動的灘涂區。再根據試驗所需的渾水含沙量，將制備的泥沙與相應質量的水混合，充分攪拌均勻，制得試驗所需渾水。沙水質量比與含沙量的關系為式中：λ為沙水質量比;S為渾水含沙量;G_s為泥沙顆粒容重與水容重之比，取2.65。

2 試驗的方法、步驟

本次模型試驗計劃制備6組不同含沙量的水樣，并對渾水的豎向壓強和水平壓強進行測量分析。制備的渾水含沙量分別設定為96.8、253.0、379.4、600.8、790.5、1075.1kg/m³。制作渾水并將渾水灌入模型需要4～8h，測試數據的過程為50～200h，試驗耗時較長。

試驗步驟如下：①根據設定的渾水含沙量，由式（2）確定的沙水質量比稱取相應質量的泥沙和水;②將稱取的泥沙和水混合并充分攪拌均勻;③將攪拌制作的渾水灌入圓筒模型中;④待渾水全部灌入到試驗筒之后，立即讀取兩個土壓力計的數值，間隔2～10h再次讀數，直至測取數據趨于穩定。

3 試驗結果分析

3.1 渾水壓強隨時間的變化規律

3.1.1 不同含沙量渾水壓強的測試結果

（1）含沙量96.8kg/m³。試驗結果見圖3～圖4（P₁為豎向壓強，P₂為水平壓強，下同），可知：測試剛開始時水平壓強和豎向壓強相差約3kPa，隨著時間延長，水平壓強和豎向壓強都有一定幅度的減小;P₂/P₁與1.0的差值不大于2%，可以認為P₂=P₁。

（2）含沙量253.0kg/m³。試驗結果見圖5、圖6，可知：水平壓強與豎向壓強均隨著時間的延長有一定的減小，而P₂/P₁為1.00～1.02，與1.0的差異最大值為2%，可以認為水平壓強約等于豎向壓強。

（3）含沙量379.4kg/m³。試驗結果見圖7、圖8，可知：隨著時間的延長，水平壓強和豎向壓強減小的幅度較小，不大于10kPa，壓強比值為0.98-0.99，均小于1.0，但與1.0的差值小于2%，故同樣可以認為水平壓強約等于豎向壓強。

（4）含沙量600.8kg/m³。試驗結果見圖9、圖10，可知：隨著時間延長，水平壓強和豎向壓強的減幅比之前的大，約減小25kPa，但試驗后期測試數據均趨于穩定;壓強比值隨時間延長的變幅很小，不大于2%，且約等于1.0，可認為此含沙量渾水的水平壓強約等于豎向壓強。

（5）含沙量790.5kg/m³。試驗結果見圖11、圖12，可知：水平壓強和豎向壓強均隨時間的延長逐漸減小，在測試后期壓強值有小幅波動，但總體趨于穩定，水平壓強和豎向壓強的穩定值與試驗最初測得的壓強值都相比減小了約30kPa;壓強比值隨著時間的變化在1.0上下波動，但波動范圍不大于1%，可以認為水平壓強約等于豎向壓強。

（6）含沙量1075.1kg/m³。試驗結果見圖13、圖14，可知：水平和豎向壓強在試驗0～60h內隨時間延長逐漸減小，在80～100h時有小幅增大，這可能與人為因素有關，而后逐漸趨于穩定，約等于100kPa;壓強比值除了在168h時等于0.99，其余均等于1.0，故可認為含沙量為1075.1kg/m³時渾水的水平壓強也等于豎向壓強。

綜上所述，各組試驗渾水的水平壓強和豎向壓強都隨測試時間有一定的減小，后期趨于穩定;壓強比值為0.98～1.02，與1.0的差異不大于2%，約等于1.0，可以認為各組不同含沙量渾水同一位置處的水平壓強基本等于豎向壓強。

3.1.2 不同含沙量時水平壓強隨時間的變化規律

從圖3、圖5、圖7、圖9、圖11、圖13可知，在試驗過程中，各組不同含沙量的渾水壓強都隨時間在變化，再繪制各組試驗渾水的水平壓強隨時間的變化曲線，見圖15。

由圖15可知，6組不同含沙量渾水的水平壓強都是在試驗開始階段減小較快，含沙量為96.8～790.5kg/m³的渾水經過大約20h后壓強值趨于穩定，在穩定值附近小范圍波動;含沙量為1075.1kg/m³的渾水經過大約60h后壓強值也趨于穩定。

試驗過程中所測的壓強值實際上是渾水從初始密度到沉積至最終狀態這個過程中的壓強數值。在模型試驗中出現壓強隨時間逐漸減小的現象，經分析主要原因是：試驗開始時，灌入的是經人為攪拌均勻的渾水，渾水含沙量較高，在灌入圓筒模型后，泥沙顆粒在自重作用下下沉，經過一段時間沉降后，泥沙在鋼筒下部堆積固結，形成泥沙柱狀體，柱狀體與鋼筒內壁產生摩擦，內壁對柱狀體產生一個向上的作用力，所以測試的壓強隨著時間推移逐漸減小，待泥沙沉積基本完成后，摩擦力趨于穩定，壓強處于一個較為穩定的數值。因為試驗過程中兩個土壓力計的位置基本一致，所以管壁摩擦力對二者比值的影響非常微小。

3.2 渾水沉積后的狀態

試驗過程中隨著時間的推移，泥沙顆粒會沉積固結。試驗結束后排出的泥沙見圖16，其密度、含水率測試結果見表1。

由表1可知，試驗后沉積固結的泥沙含水率為27.3%～39.1%，而模型試驗配置泥沙所用土樣的液限為25.9%，沉積后的泥沙處于流態，即在整個試驗過程中，渾水基本處于黏稠狀的可流動狀態。可見，沉積后的泥沙淤積體處于高含水量的飽和狀態，含水量均大于所用土料的液限，內摩擦角幾乎等于零。根據土壓力基本理論，泥沙的側向壓力基本等于豎向壓力。整個過程的測試數據表明渾水的水平壓強與豎向壓強比值約等于1.0，所以泥沙均勻分布的渾水水平壓強等于其豎向壓強。

以上試驗結果及分析均符合流體力學基本理論，故可以認為高含沙渾水（含沙量96.8～1075.1kg/m³）的壓強沿高度的分布模式與靜水相同，這與《混凝土拱壩設計規范》（SL282-2003）中的含泥沙水（渾水）壓力的計算方法一致，驗證了該計算方法對高含沙量（最大1075.1kg/m³）情況也適用。

4 結論

（1）含沙量為96.8～1075.1kg/m³渾水的水平壓強與豎向壓強的比值范圍為0.98～1.02，約等于1.0，即可以認為在模型試驗中，各組不同含沙量渾水同一位置處的水平壓強都約等于豎向壓強。

（2）渾水中泥沙沉積較快，在模型底部形成淤積體，淤積體的含水率為27.3%～39.1%，均大于土樣的液限，泥沙淤積體處于可流動狀態。

（3）試驗中渾水壓強沿高度的分布模式與靜水相同，驗證了規范推薦的含泥沙水（渾水）壓力的計算方法對高含沙量（最大1075.1kg/m³）同樣適用。

參考文獻：

[1]中華人民共和國水利部.混凝土拱壩設計規范：SL282-2003[S].北京：中國水利水電出版社，2003：72.

[2]楊賚斐，昊孝任，蘇鳳玉.黃河上游水電站泥沙問題初步總結[J].水力發電，1985（2）：11-17.

[3]徐志英.淤泥的某些力學性質之研究[J].水利學報，1958（2）：88-99.

[4]陳一明，談廣鳴.淤積固結條件下壩前泥沙壓力對壩體影響的試驗[J].武漢大學學報（工學版），2014，47（2）：145-176.

[5]陳松偉，崔振華.淺析泥沙壓力對重力壩應力的影響[J].中國水運，2008，8（5）：163-164.