新疆克孜尔水库异重流排沙影响因素研究

靳子璇

（新疆水利水电勘测设计研究院试验研究所，新疆 昌吉 831100）

1 工程概况

新疆克孜尔水库是一座多功能的水利枢纽工程，兼顾防洪、灌溉、发电等。流域主要来源是上游冰川性融水与降水，入库水沙年际变化不大，年内分布不均。入库干流穆扎提河上游来沙较细，为粉土和沙组合而成，小于0.007 mm的细粉土约占十分之一，介于0.007 mm和0.05 mm之间的粗粉土约占七成，0.05 mm＜d＜0.5 mm的中、细沙占16.5%；小于0.007 mm的细粉土和介于0.007 mm和0.05 mm之间的粗粉土在支流黑孜河上游来沙中占主要成分，较干流来沙更细，故在相同的条件下，单位体积水流含沙量更大，水流浓度更高。

2 异重流运动特性

上游含沙浑水涌入库区高水位库段，因来水与库区清水浓度不同，质量体积比不同，来水在重力作用下沉入清水以下，沿库底前行。来水进入清水的位置可在水面上看到清、混水的分界线，此分界线即类似于明流中缓流向急流变化的临界面[1-2]。

采用范家骅公式[3]，来判别异重流是否产生：

式（1）、（2）中：Fr′-修正弗汝德数；

v0——潜入点的流速，m/s；

ηg——重力修正系数；

h0——潜入点的水深，m；

g′——有效重力加速度，m/s2；

Q——潜入点流量，m3/s；

B——潜入点宽度，m；

q0——潜入点单宽流量，m3/（s·m）；

g——重力加速度，m/s2。

芦田和男就异重流的潜入点水深h0与单宽流量q的关系，通过假定静压力和v为常数得出[4]，公式如下：

式中：q——单流量，m3/（s·m）；

J——河床比降，‰。

武汉大学水利学院总结的明渠挟沙能力公式：

式中：K、m——经验系数、经验指数；

h——计算点水深；

v——流速，（v=C；C—谢才系数，C=，λ—沿程阻力系数）；

ω0——单颗泥沙沉降速度，而异重流运动中泥沙为群体式沉降，用ωs表示；

单颗泥沙沉降速度ω0的计算公式为：

式中：ρα——颗粒密度，g/cm3，取1.5；

ρ0——流体密度，g/cm3，取1.0；

d50——含量占50%的粒径值，mm；

μ——动力粘度μ=vp，运动粘滞系数v=，t取25℃。

ω0、ωs两者关系为：

式中：Sv——体积含沙量，kg/m3。

将v、C代入公式（4）得异重流挟沙力计算公式：

式中：Δγ、γ′——分别为水和泥沙的容重差、含沙水流的容重；

K、K′——挟沙力计算系数。

由范家骅、芦田和男及武汉大学关于异重流研究资料成果显示，库区运行水位、库区河段地形、上游入库水沙等因素会影响异重流的形成与运行。

3 影响因素分析

结合克孜尔水库运行资料分析各因素对异重流的影响[6-7]。

3.1 水库运行水位对异重流的影响

经变换可得：

式中：H——库水位，m；

hs——河底高程，m。

故异重流运动能否形成受水库运行水位正相关影响。在已知水库运行水位和库区河底高程的情况下，可反推出异重流的沉入位置。由于浑水下潜位置会决定异重流在库区内运行的距离，而水库库水位的变化则会改变潜入位置。当上游来水流量减少时，水库运行水位会随之降低，浑水潜入位置则会向下游偏移。反之，潜入位置会向上游偏移。根据克孜尔水库监测异重流运动在行洪期间排沙资料，并统计出相应的水库运行库水位高程，见表1。

表1 克孜尔水库洪水期间异重流排沙资料

3.2 库区地形的影响

异重流在库区内的运动能量主要由上游高地势产生的势能逐渐转换为运动的动能，沿程会在河道变宽、分叉、河道转弯等处不断消耗能量，在水流剩余能量不能继续维持异重流向下游继续运动时，异重流现象就会消失，水流挟带泥沙就会原地落淤。

克孜尔水库入库河流均为上游狭窄，到下游逐渐变宽，水流在库区动荡，流向不统一，水流相互混掺，内部能量相互抵消，使得已形成的异重流运动能量不足，没有足够的能量将上游来沙挟带出库。另外，逐年不断淤积的泥沙逐渐抬高库底河床，库底比降不断变缓，异重流重力沿水流流向的分量减少，异重流运行速度降低。

3.3 入库流量与含沙量

由挟沙力公式可知，上游含沙水流流速越大，挟带泥沙能力就越强，异重流运动的动力即为重力沿库底方向的分量，因此来洪期间入库水流流量大，含沙浓度高，异重流的运行速度快，在库内运行时间段。统计黑孜河历年洪水期间入库洪水流量、含沙量、排沙比资料，并点绘成图，详见图1。

图1 黑孜河多年入库洪水流量与含沙量关系图

根据图1可知：黑孜河多年入库含沙量Qs≥10kg/m3，入库流量Q≤100 m3/s时黑孜河来水容易达到异重流形成条件，可利用异重流排沙方式进行排沙。当入库流量Q＞100 m3/s时，水流挟带泥沙能力随水流流量增加而增强，含沙浓度增高。但异重流运动属于动力学的超饱和运动形态，并不是流速越大、含沙量越高异重流排沙效果越好。入库流量大，含沙浓度高，只能表明产生的异重流的初速度大，运行速度快，最终泥沙能否被挟带出库还应综合考虑其他因素。

4 结论

通过异重流运动特性分析表明，在特定的边界条件下，异重流现象的产生及其运动、传播等，受水库运行水位、库区河段地形、上游入库水沙影响。

利用克孜尔水库多年洪水期间异重流排沙数据，定量分析水库运行水位、库区河段地形、上游入库水沙等数据对异重流在库区内运动的影响：一是潜入位置随水库运行水位降低，潜入点向下游偏移。反之，向上游偏移。二是库区底坡坡度越大，异重流前进动力越大，运行速度越快。反之，运行速度慢；三是来水来沙量越小，异重流初始能量越低，异重流运行的速度越慢。反之，初始能量高，运行速度快。