極細沙含量對輸沙能力影響的試驗研究

李曉夢 ，尹飛翔 ，劉明 ，左衛廣

（1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.河南省水資源環境工程技術研究中心，河南 鄭州 450003；3.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；4.華北水利水電大學水利學院，河南 鄭州 450045）

泥沙問題是水力學研究的熱門問題，極細顆粒泥沙（泥沙中值粒徑d50小于0.01 mm）引起的泥沙沖淤演變規律更是關注重點。研究表明，在相似的邊界條件和相同的水流條件下，含有一定量細顆粒泥沙的低含沙水流在下游河道中產生的沖刷量大于清水水流的沖刷量。鐘德鈺[1]等研究發現，當上游輸運的細顆粒泥沙濃度較高時，黃河下游河道具有“多來多排”的輸沙特點。

極細顆粒泥沙對河道輸運能力的影響，不僅涉及到泥沙顆粒大小、挾沙力、泥沙沉速及水流流速等物理特性方面；同時，還受到泥沙顆粒的絮凝和流變特性等物理性質方面的影響[2-5]。劉峰[6]通過自循環式明流玻璃水槽實驗得出，在保持混合沙中值粒徑不變的情況下，逐步加大細沙含量，水流挾沙能力是逐步提高的。李文杰[7]等針對三峽水庫常年回水區淤積物多為中值粒徑在0.01 mm細顆粒泥沙的現象，提出了一種基于原型沙的庫區細顆粒泥沙模型試驗方法，模型試驗結果與原型符合較好。白靜[8]等在采用動態亞格子模式對泥沙輸移進行了三維大渦模擬研究，計算結果符合良好。

極細顆粒泥沙對水流輸沙能力的影響非常復雜，對于極細顆粒泥沙輸沙特性的探討還相對較少，特別在小浪底水庫投入運用后，由于水庫具有“攔粗排細”作用，進入下游河道中的極細顆粒泥沙高達50%以上。因此，研究極細顆粒泥沙含量對水流輸沙能力的影響，具有非常重要的意義。

1 物理模型試驗

1.1 試驗布置

模型試驗在循環水槽中進行。水槽尺寸為50 m×0.4 m×0.6 m（長×寬×高）。循環水槽系統包括水庫、電磁流量計、玻璃水槽和退水渠等4部分。水庫位于玻璃水槽出口處，水庫尺寸為8.0 m×1.0 m×1.3 m（長×寬×高）。水庫底部安裝攪拌裝置和噴槍，目的是使水庫泥沙得以充分擾動和懸浮。模型試驗布置見圖1。

圖1 模型試驗布置Fig.1 Layout of model experimental test

循環水槽中共選取5個量測斷面（見圖1中1～5），測量水流流速和含沙量。量測斷面沿垂直于水流方向和沿水深方向分別布設5個量測點（距右岸1.8 cm、10.5 cm、20 cm、29 cm和37.5 cm；距水面0、0.2 h、0.4 h、0.6 h和0.8 h）測量水流流速。量測斷面沿垂直于水流方向和沿水深方向分別布設7個量測點（距右岸5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm和35 cm）和4個量測點（距水面0.2 h、0.4 h、0.6 h和0.8 h）測量水流含沙量。

1.2 試驗參數

按泥沙顆粒粒徑來分，黃河泥沙可分為極細顆粒泥沙、細沙、中沙和粗沙，見表1[9]。

表1 黃河泥沙分類Table 1 Sediment classification in the Yellow River

本試驗主要是研究極細顆粒泥沙（以下簡稱極細沙）含量對中等顆粒泥沙（以下簡稱中沙）輸沙能力的影響。本次試驗選用的極細沙和中沙均為天然沙，其級配曲線見圖2。由圖可見，極細沙和中沙的中值粒徑d50分別為0.006 mm和0.035 mm。

圖2 極細沙和中沙級配曲線Fig.2 Grade distribution curves of extremely fine particle sediment and medium-coarse sediment

考慮水槽尺寸和水泵等試驗設備，最終確定模型進口流量為60 m3/h、90 m3/h和120 m3/h。水槽兩側側面材質為玻璃，糙率為0.009 7；水槽底部為水泥抹面，糙率為0.012。經試驗得水槽綜合糙率為0.011，水槽坡度為0.2%。

1.3 試驗內容

本文主要探討極細沙含量對水流輸沙能力的影響，試驗內容主要包括以下兩部分：

1）圖2中試驗所選中沙粒徑0.025 mm＜d＜0.05 mm，近似認為中沙為均勻沙。研究不同流量下中沙的輸沙規律。模型試驗中沖淤平衡主要是通過量測含沙水流中含沙量與加沙量之間的變化關系。若含沙量小于加沙總量，則認為水流發生淤積；若含沙量大于加沙總量，則認為水流發生沖刷；若含沙量略小于加沙總量時，則認為水流達到沖淤平衡。當水流中極細沙含沙量較小時，可以認為極細沙為沖瀉質，在水槽中不存在淤積。

2）當上述中沙第1次達到輸沙平衡（記為加沙1）后，加入一定量極細沙（記為加沙2），判斷水流泥沙的沖淤狀態。然后依次加入中沙（記為加沙3），極細沙（記為加沙4），中沙（記為加沙5）和極細沙（記為加沙6），最終渾水達到第4次輸沙平衡。試驗流程見圖3。

圖3 試驗流程圖Fig.3 Process chart of experiment test

1.4 量測儀器

模型試驗中主要測量流速和含沙量的實時變化關系。本試驗中流速和含沙量的量測儀器分別采用聲學多普勒流速儀（ADV）和超聲波含沙量測量儀，見圖4。ADV和超聲波含沙量測量儀的量測精度分別為 20～5 000 mm/s，0.5～200 kg/m3。

圖4 量測儀器Fig.4 Measuring instrument

2 結果分析

2.1 極細沙對輸沙能力的影響

1）水槽含沙量變化

在一定流量下（Q=60 m3/h）的清水水流中逐步加入中沙，直到達到沖淤平衡。水流中的中沙含沙量為19.64 kg/m3，即為水流的輸沙能力。在加沙1達到沖淤平衡后，加入含沙量為4.64 kg/m3的極細沙（即加沙2）。比較水槽進出口含沙量大小，進出口含沙量均為24.28 kg/m3。在含有上述非均勻沙的挾沙渾水水流中第2次加入中沙，發現中沙并沒有淤積，逐步增加中沙含量，直到達到新的沖淤平衡（即加沙3），此時水流含沙量為29.08 kg/m3。第2次加入含沙量為4.71 kg/m3極細沙（即加沙4），出口含沙量為33.79 kg/m3。第3次加入中沙并達到沖淤平衡（即加沙5），水流含沙量為38.96 kg/m3。最后，在渾水水流中第3次加入含沙量為50 kg/m3的極細沙（即加沙6），出口含沙量為55.83 kg/m3。3個不同流量下出口含沙量變化見表2。

表2 不同流量下出口含沙量變化Table 2 Change of sediment concentration in the outlet with different flow

由表2可見，當加沙1、加沙3和加沙5后，中沙先后3次達到輸沙平衡。此時，加入一定量的極細沙，水槽出口處渾水含沙量均大于未加極細沙時渾水含沙量。加沙2和加沙1，加沙4和加沙3之間含沙量之差與加入的極細沙含沙量相等，說明加入極細沙后，不僅極細沙沒有淤積，而且中沙也沒有淤積；而加沙6和加沙5之間含沙量之差小于加入的極細沙含量。說明在該水流條件下，水流輸沙能力小于加入的極細沙和中沙總的含沙量，水槽內會出現淤積現象。此時，加沙6時，Q=60 m3/h含沙量大于Q=90 m3/h，導致該結果的原因可能為粗顆粒泥沙淤積，細顆粒泥沙沖刷，泥沙沿程分選。

2）極細沙對輸沙能力影響

當流量為60 m3/h、90 m3/h和120 m3/h時，第1次輸沙平衡時中沙含沙量分別為19.64 kg/m3、25.95 kg/m3和85.43 kg/m3。加入極細沙后，中沙輸沙能力均有所提高，3個流量下中沙輸沙能力分別增加9.97 kg/m3、8.70 kg/m3和9.45 kg/m3。說明在中沙達到輸沙平衡的水流中加入極細沙，不僅中沙沒有淤積，而且極細沙還可以提高原有含中沙渾水的輸沙能力。

2.2 公式計算值比較

由于非均勻沙輸沙能力的復雜性，國內外學者總結了很多經驗公式。本文分別采用張瑞瑾、韓其為、麥喬威和涂啟華等4個公式進行計算，并與實驗結果進行比較。計算結果見表3。

表3 水流挾沙力比較Table 3 Comparison of sediment-laden capacity

由表3可見，對于4個流量來說，隨著極細沙含量的增加，公式計算值也相應增加，這與模型試驗實測值規律相似。但是公式計算值與模型試驗實測值相差較大，尤其是當流量為60 m3/h時，實測值與理論值之比最大為7.5（實測值與張瑞瑾公式計算值之比）。

同時，由表中還可以看到，隨著極細沙含量增加，中沙含量也隨著增加，說明在輸沙平衡的渾水中加入極細沙，提高了含有中沙的渾水輸沙能力。當流量增加時，中沙增量與極細沙增量比值也相應增加，當Q=90 m3/h時，當水流處于加沙3過程時，中沙增量與極細沙增量比值達到最大，為1.32，即加入極細沙后水流輸沙能力是加入極細沙前水流輸沙能力的兩倍。隨著流量的增加，中沙增量與極細沙增量比值變小。

2.3 極細沙提高輸沙能力分析

通常將泥沙粒徑小于0.01 mm的泥沙顆粒稱之粘性沙；反之，當泥沙粒徑大于0.01 mm時，泥沙顆粒成為非粘性沙。下述分析中，把中沙和極細沙定義為非粘性沙和粘性沙。由上述研究發現，在達到輸沙平衡的水流中加入一定量的粘性沙，不僅中沙不會淤積，而且還能提高非粘性沙的輸沙能力。不同流量下粘性沙含量占全沙比例和渾水沉速見表4。

由表4可見，當水流流量為60 m3/h時，加沙2、加沙4和加沙6的粘性沙含量分別從加沙1、加沙3和加沙5的18%、23%和23%，增加為23%、27%和34%，分別增加了5%、4%和11%。當水流流量分別為90 m3/h和120 m3/h時，加沙2、加沙4和加沙6的粘性沙含量分別增加了7%、2%、7%和5%、2%、8%。

表4 不同流量下粘性沙含量占全沙比例和沉速Table 4 Proportion of cohesive fine sediment in the whole sand and settling velocity with different flow

不同流量下加入極細沙之后粘性沙的比例均有所增加，而粘性沙的增加就代表著其水流粘性增加，水流粘性增加則泥沙沉速減小，沉速減小則泥沙的重力作用減弱，相對來說泥沙向下的力減小，水流的輸沙能力增加，最終在加入極細沙之后，仍能再帶走部分中粗沙，即極細沙能提高中沙的輸沙能力。

3 結論與展望

本文主要研究極細沙對中沙輸沙能力的影響，探討了不同流量和極細沙增量下中沙含沙量的變化情況，并與現有泥沙挾沙力公式進行比較，最終給出了極細沙影響中沙輸沙能力的原因。主要結論如下：

1）在達到輸沙平衡的水流中加入極細沙，可以有效的提高水流的輸沙能力。

2）極細沙可以進一步提高達到輸沙平衡的水流輸沙能力，但是隨著水流流量的增加，單位含量極細沙提高的中沙增量越來越小。

3）本文僅探討了極細沙含量對中沙輸沙能力的影響，對于水流粘性及紊動強度對輸沙能力的影響，在后續的工作中繼續研究。