水利枢纽工程高含沙浑水压力模型试验研究

周冬 王博 钟丽佳

摘要：以黄河流域某水利枢纽工程为研究对象，通过设计一套浑水压力模型来模拟和测试高含沙浑水的基本状态，用高精度土压力计直接测量浑水的竖向压强和水平压强，并对浑水竖向压强与水平压强之间的关系进行了分析。结果表明：①含沙量为96.8～1075.1kg/m³浑水的水平压强与竖向压强的比值范围为0.98～1.02，约等于1.0，即可以认为在模型试验中各组不同含沙量浑水同一位置处的水平压强都约等于竖向压强;②浑水中泥沙沉积较快，在模型底部形成淤积体，淤积体的含水率为27.3%～39.1%，均大于土样的液限，泥沙淤积体处于可流动状态;③试验中浑水压强沿高度的分布模式与静水相同，验证了规范推荐的浑水压力的计算方法对最大含沙量为1075.1kg/m³的浑水同样适用。

关键词：模型试验;压力试验;高含沙浑水;水利枢纽

中图分类号：TV145;TV882.1 文献标志码：A

水利工程在我国国民经济基础建设中占极其重要的位置，其经济、生态效益不可小觑。然而，在水工建筑物设计时是否要考虑河流中泥沙荷载的问题目前尚无明确规定。尤其是世界上含沙量最高的黄河，不仅在下游河段的河床中有大量泥沙淤积，而且在黄河中游也存在严重的季节性淤积，致使河南、山东等下游地区的水资源不能被充分利用，同时泥沙的存在也大大缩短了许多水库的使用寿命。

当含沙量较小时，在大坝设计时可以忽略泥沙的压力。当含沙量较高时，笔者认为必须考虑泥沙对坝体应力的影响。高含沙浑水对水库的设计和运行等都存在一定的影响，如泥沙淤积可能导致坝前泥沙压力增大。因此，有必要对高含沙浑水的压力分布进行研究。不过，目前国内外对于含沙量较高的浑水压力的研究较少。《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003）[1]中推荐含泥沙水（浑水）压力的计算方法为

p=γ₂H（1）式中：p为计算点处浑水压强;γ_w为含泥沙水（浑水）的容重;H为计算点处的作用水头。

杨赉斐等[2-3]根据水电站建成前后的实测资料，对淤泥的力学性质进行了研究，结果表明淤泥的含水量愈大，其侧压力系数也愈大，当含水量接近液限时，总侧压力系数接近1.0;陈一明等[4]首次对坝前泥沙压力在淤积固结作用下的变化规律进行了研究，发现坝前泥沙压力在淤积固结作用下对坝体稳定性不利;陈松伟等[5]利用有限元软件计算了泥沙压力作用下混凝土重力坝的应力，指出重力坝设计过程中应考虑泥沙压力的作用。

本文通过建立黄河流域某水利枢纽高含沙（含沙量为96.8～1075.1kg/m³）浑水压力模型，模拟高含沙浑水的基本状态，用高精度土压力计直接测得浑水的竖向压强和水平压强，并对试验结果进行分析和研究，以期为相关工程设计提供依据。

1 试验模型及浑水制样

1.1 试验仪器、模型

模型试验中测试浑水压强所用的仪器设备是BGK4810高精度土压力计。该压力计置于浑水之中，水压力被加载到承压盘上，从而引起压力盒内流体压力的变化，由振弦式压力传感器测量压力值。通过土压力计直接测得浑水的竖向压强和水平压强。试验中设计了一套圆筒模型：一根内径28cm、高10m的单开口圆筒，并在圆筒的底部安装一个阀门，用于试验完成后排出浑水。加工完成后的实物见图1，土压力计放置情况见图2。

1.2 浑水制样方法

以黄河流域某水利枢纽工程实测的泥沙级配资料为依据，人工配制与其级配相似的泥沙。配置泥沙所用的土料取自未经人为扰动的滩涂区。再根据试验所需的浑水含沙量，将制备的泥沙与相应质量的水混合，充分搅拌均匀，制得试验所需浑水。沙水质量比与含沙量的关系为式中：λ为沙水质量比;S为浑水含沙量;G_s为泥沙颗粒容重与水容重之比，取2.65。

2 试验的方法、步骤

本次模型试验计划制备6组不同含沙量的水樣，并对浑水的竖向压强和水平压强进行测量分析。制备的浑水含沙量分别设定为96.8、253.0、379.4、600.8、790.5、1075.1kg/m³。制作浑水并将浑水灌入模型需要4～8h，测试数据的过程为50～200h，试验耗时较长。

试验步骤如下：①根据设定的浑水含沙量，由式（2）确定的沙水质量比称取相应质量的泥沙和水;②将称取的泥沙和水混合并充分搅拌均匀;③将搅拌制作的浑水灌入圆筒模型中;④待浑水全部灌入到试验筒之后，立即读取两个土压力计的数值，间隔2～10h再次读数，直至测取数据趋于稳定。

3 试验结果分析

3.1 浑水压强随时间的变化规律

3.1.1 不同含沙量浑水压强的测试结果

（1）含沙量96.8kg/m³。试验结果见图3～图4（P₁为竖向压强，P₂为水平压强，下同），可知：测试刚开始时水平压强和竖向压强相差约3kPa，随着时间延长，水平压强和竖向压强都有一定幅度的减小;P₂/P₁与1.0的差值不大于2%，可以认为P₂=P₁。

（2）含沙量253.0kg/m³。试验结果见图5、图6，可知：水平压强与竖向压强均随着时间的延长有一定的减小，而P₂/P₁为1.00～1.02，与1.0的差异最大值为2%，可以认为水平压强约等于竖向压强。

（3）含沙量379.4kg/m³。试验结果见图7、图8，可知：随着时间的延长，水平压强和竖向压强减小的幅度较小，不大于10kPa，压强比值为0.98-0.99，均小于1.0，但与1.0的差值小于2%，故同样可以认为水平压强约等于竖向压强。

（4）含沙量600.8kg/m³。试验结果见图9、图10，可知：随着时间延长，水平压强和竖向压强的减幅比之前的大，约减小25kPa，但试验后期测试数据均趋于稳定;压强比值随时间延长的变幅很小，不大于2%，且约等于1.0，可认为此含沙量浑水的水平压强约等于竖向压强。

（5）含沙量790.5kg/m³。试验结果见图11、图12，可知：水平压强和竖向压强均随时间的延长逐渐减小，在测试后期压强值有小幅波动，但总体趋于稳定，水平压强和竖向压强的稳定值与试验最初测得的压强值都相比减小了约30kPa;压强比值随着时间的变化在1.0上下波动，但波动范围不大于1%，可以认为水平压强约等于竖向压强。

（6）含沙量1075.1kg/m³。试验结果见图13、图14，可知：水平和竖向压强在试验0～60h内随时间延长逐渐减小，在80～100h时有小幅增大，这可能与人为因素有关，而后逐渐趋于稳定，约等于100kPa;压强比值除了在168h时等于0.99，其余均等于1.0，故可认为含沙量为1075.1kg/m³时浑水的水平压强也等于竖向压强。

综上所述，各组试验浑水的水平压强和竖向压强都随测试时间有一定的减小，后期趋于稳定;压强比值为0.98～1.02，与1.0的差异不大于2%，约等于1.0，可以认为各组不同含沙量浑水同一位置处的水平压强基本等于竖向压强。

3.1.2 不同含沙量时水平压强随时间的变化规律

从图3、图5、图7、图9、图11、图13可知，在试验过程中，各组不同含沙量的渾水压强都随时间在变化，再绘制各组试验浑水的水平压强随时间的变化曲线，见图15。

由图15可知，6组不同含沙量浑水的水平压强都是在试验开始阶段减小较快，含沙量为96.8～790.5kg/m³的浑水经过大约20h后压强值趋于稳定，在稳定值附近小范围波动;含沙量为1075.1kg/m³的浑水经过大约60h后压强值也趋于稳定。

试验过程中所测的压强值实际上是浑水从初始密度到沉积至最终状态这个过程中的压强数值。在模型试验中出现压强随时间逐渐减小的现象，经分析主要原因是：试验开始时，灌入的是经人为搅拌均匀的浑水，浑水含沙量较高，在灌入圆筒模型后，泥沙颗粒在自重作用下下沉，经过一段时间沉降后，泥沙在钢筒下部堆积固结，形成泥沙柱状体，柱状体与钢筒内壁产生摩擦，内壁对柱状体产生一个向上的作用力，所以测试的压强随着时间推移逐渐减小，待泥沙沉积基本完成后，摩擦力趋于稳定，压强处于一个较为稳定的数值。因为试验过程中两个土压力计的位置基本一致，所以管壁摩擦力对二者比值的影响非常微小。

3.2 浑水沉积后的状态

试验过程中随着时间的推移，泥沙颗粒会沉积固结。试验结束后排出的泥沙见图16，其密度、含水率测试结果见表1。

由表1可知，试验后沉积固结的泥沙含水率为27.3%～39.1%，而模型试验配置泥沙所用土样的液限为25.9%，沉积后的泥沙处于流态，即在整个试验过程中，浑水基本处于黏稠状的可流动状态。可见，沉积后的泥沙淤积体处于高含水量的饱和状态，含水量均大于所用土料的液限，内摩擦角几乎等于零。根据土压力基本理论，泥沙的侧向压力基本等于竖向压力。整个过程的测试数据表明浑水的水平压强与竖向压强比值约等于1.0，所以泥沙均匀分布的浑水水平压强等于其竖向压强。

以上试验结果及分析均符合流体力学基本理论，故可以认为高含沙浑水（含沙量96.8～1075.1kg/m³）的压强沿高度的分布模式与静水相同，这与《混凝土拱坝设计规范》（SL282-2003）中的含泥沙水（浑水）压力的计算方法一致，验证了该计算方法对高含沙量（最大1075.1kg/m³）情况也适用。

4 结论

（1）含沙量为96.8～1075.1kg/m³浑水的水平压强与竖向压强的比值范围为0.98～1.02，约等于1.0，即可以认为在模型试验中，各组不同含沙量浑水同一位置处的水平压强都约等于竖向压强。

（2）浑水中泥沙沉积较快，在模型底部形成淤积体，淤积体的含水率为27.3%～39.1%，均大于土样的液限，泥沙淤积体处于可流动状态。

（3）试验中浑水压强沿高度的分布模式与静水相同，验证了规范推荐的含泥沙水（浑水）压力的计算方法对高含沙量（最大1075.1kg/m³）同样适用。

参考文献：

[1]中华人民共和国水利部.混凝土拱坝设计规范：SL282-2003[S].北京：中国水利水电出版社，2003：72.

[2]杨赉斐，昊孝任，苏凤玉.黄河上游水电站泥沙问题初步总结[J].水力发电，1985（2）：11-17.

[3]徐志英.淤泥的某些力学性质之研究[J].水利学报，1958（2）：88-99.

[4]陈一明，谈广鸣.淤积固结条件下坝前泥沙压力对坝体影响的试验[J].武汉大学学报（工学版），2014，47（2）：145-176.

[5]陈松伟，崔振华.浅析泥沙压力对重力坝应力的影响[J].中国水运，2008，8（5）：163-164.