悬浮泥沙荷载下水库泥沙淤积变化及流型演变

杨 帆 池苗苗

(1.塔里木河流域希尼尔水库管理局，新疆 库尔勒 841000;2.塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

水库淤积是一个非常复杂的过程。移动河床上的剪切流会引起泥沙输移和河床形态变化[1-2]，水流和河床之间的相互作用通常会产生不同类型的规律模式[3]，相反，泥沙输移和河床形态也会影响水流，如生成的河床形态会增加流动阻力等[4-5]，研究这些规律模式的发展和演变具有十分重要的意义。预测泥沙输移速率和了解河床形成过程取决于泥沙粒径如何影响水流特性，有研究表明当向水流中添加大颗粒泥沙时，流体湍流可能会增加或保持相对不变[6-7]，周建银[8]研究发现向水流中添加细颗粒泥沙可能会导致湍流衰减。此外，泥沙浓度、粒度分选和泥沙与流体密度比等因素也会影响湍流机制。然而，也有学者提出流动中颗粒的响应时间与湍流尺度之间的比率可能会影响湍流的衰减或增强[9-10]。综上所述，目前对水流特性和泥沙输移之间的相互作用关系仍缺乏充分的分析研究。

由于水流紊流的漩涡，大量沉积物悬浮在河床上方，泥沙颗粒浸没重量与流体剪切作用传递的固体法向应力处于动态平衡，在稳定、均匀的流动中，泥沙颗粒可能会在河床、沉积和悬浮之间持续转换，形成一种动态平衡状态。由此，本文通过物理试验来确定水库中存在形态平衡的时间点，进而重点研究浅水库悬浮泥沙的淤积问题。通过设置不同的试验持续时间以确定最佳试验持续时间，从而继续进行其他试验配置。此外，为更好地理解进入水库射流与相关湍流结构之间泥沙交换过程的控制机制，对悬浮泥沙沉积对流场的影响进行研究。同时，对导致出现对称几何中的不对称流型的主要物理过程进行分析。

1 物理建模

1.1 试验装置设计

试验是在图1所示的封闭结构中进行的，试验装置包括长1.00m、宽0.25m的矩形进水流道，内部尺寸长6.00m、宽4.00m、深0.30m的矩形浅水池和长1.00m、宽0.25m的矩形出水流道。水库水位由出口端宽0.25m、高0.30m的翻板闸门控制。混合槽中的水-泥沙混合物通过重力进入充满水的矩形水池，沿着水池侧壁，安装了一个长4.00m、可移动的铝制框架，用于承载测量仪器。

图1 试验装置

悬浮泥沙的自动测量是研究泥沙输移的关键，持续时间短、强度高的水流是泥沙运动的主要原因。为此，在入口和出口通道安装了两个传感器用于连续监测悬浮泥沙。悬浮泥沙由破碎的核桃壳模拟，平均粒径d50=50μm，无黏性。漂浮的白色聚丙烯示踪粒子直径为3.4mm，与深色底部形成鲜明对比，用于显示表面速度场，瞬时速度场由1.3mpixel数码相机PIV算法获得。使用微型回声测深仪(UWS)测量床位变化，测深仪安装在一个可移动的框架上，可扫描整个水池区域。

1.2 试验过程

为了解释渐进的河床形态演变并验证最终实现的动态平衡，本研究试验时间为18.0h。试验进行了6次：第1次运行，水流清澈，无泥沙供给，在启动泵稳定输出排放流量1.0h后，进行LSPIV流场测量；第2、第3、第4、第5和第6次运行是在相同的水流条件下进行的，有泥沙供应，在不同横截面和不同时间点(1.5h、3.0h、4.5h、9.0h和18.0h)测量河床形态。流入的泥沙混合物由浊度计每分钟控制1次，UVP探头测量了一维垂直速度剖面以及局部三维速度，每0.5h进行一次LSPIV流场测量。在所有运行中，流量保持恒定在Q=7.0m/s，下游水位保持恒定在0.2m。

2 数据分析和结果

2.1 有无悬浮泥沙的大型连贯结构

利用LSPIV流场测量技术对流动特征和大尺度结构进行研究，清水中大型连贯结构的速度场和流型(运行1)见图2。由图2可看出，清水条件下主流倾向于向右侧弯曲发展，直到接触壁并沿着右侧壁流动，当与右壁分离时，主流会产生一个再循环区，在水池中心产生一个主要的大稳定环流，逆时针旋转，且在水池的上游角落形成了两个顺时针旋转的小“三角形”环流。偏转的射流在中心的主环流和上游右角的三角形环流之间充当涡旋脱落区域。此外，可在主流和两个环流之间观察到左右两个混合层。在试验中，射流总是被吸引到右侧。在主环流和上游左角的小三角形环流之间产生了第2个反向涡旋脱落区，由主回转惯性产生的逆流射流将来流射流推到一边，并在4个特征(主流射流、逆流射流、大主环流、左右角环流)之间形成一个脱落点。

图2 清水中大型连贯结构的速度场和流型

泥沙的加入减小了混合长度或环流大小，在右角环流的再附着长度Lr段随时间的增加，流动也变得更加稳定和对称。图3显示了随着泥沙夹带而形成的第2个水流特征。由于波纹和悬浮泥沙浓度，导致流场完全改变。上游拐角处的环流消失，出现了一种相对于中心线对称的图案，剩下的两个环流与射流相互作用，显示出某种弯曲的趋势。综上所示，与清水流相比，随着泥沙添加到水流中，湍流减小，混合长度减小，再加上粗糙度增加进而导致速度梯度增加。泥沙淤积引起的河床形态或有效粗糙度的变化可以完全改变整个流型。

图3 泥沙夹带流条件下中大型连贯结构的速度场和流型

2.2 长期形态演变及相应流场

图4显示了5次不同运行(1.5h、3.0h、4.5h、9.0h、18.0h)下平均流场和相应床层形态，从而比较出储层中的长期床层演变。由图4可以看出，所有测试运行下均可观察到两个典型特征：首先是泥沙沉积的发展，波纹形成集中在右侧，直到河床厚度沉积达到水深的15%；其次波纹沿中心线集中，在入口通道和射流第一部分附近的坡度相对较陡。

图4 不同运行下的平均流场及相应床层形态

由图4可以看出，射流中心线下方产生的河床高程随着沉积增加而变宽。水池从中心向壁池方向填充，从下游向上游方向填充。随着时间的延长，这些斜坡区域最终将被最细的泥沙填充。上游两个拐角处的沉积量小于其他部分。

开始时，光滑平坦河床上的流动阻力相对较小，随着波纹的形成，流动阻力增加。波纹在边界层流结构与泥沙输移的相互作用中起着重要作用。1.5h(运行2)后在右侧壁附近形成的不对称波纹与流型方向相同。由于悬浮泥沙夹带和相关河床形态的出现导致除了Lr尺寸增加和再附着点向下游移动外，观察到的流型与之前的清水流型没有太大差异。然而，与流动沉积物相关的粗糙度高度增加可能导致剪切速度和湍流强度的增加。尽管存在高速流动，但与入口通道相连的主要流线正下方的泥沙浓度和泥沙沉积量较高。3h后(运行3)，由于波纹形成和悬浮泥沙浓度增加，流场完全改变。9.0h后中心线上的沉积物逐渐增加，在射流中心线下方形成一个更宽的河床高程，其宽度约为入口通道的3倍，并沿水池中心线出现舌状沉积，舌片平均厚度为0.16m，位于射流中心线下方，平均宽度约为入口通道的8倍。18.0h(运行6)后发生均匀沉积，沉积物已填满了水池总体积的50%。

不对称流型模式在两侧循环单元的尺寸和强度不同，导致了后续模式的不对称性。4.5h后已达到稳定的河床形态，在水池中达到完全形态平衡需要18.0h以上。

2.3 沉积深度截面比较

图5详细比较了4个不同截面的横向形态发展。在横截面X1=1.5m、X2=2.0m、X3=3.0m和X4=4.5m处的5次运行(1.5h、3.0h、4.5h、9.0h和18.0h)中可以看到沉积物的时间演变。图5(a)显示了在距入口1.5m处的水池横向沉积物，1.5 h后(运行2)，观察到水池上几乎均匀的沉积物，平均厚度为0.015m；由于3.0h(运行3)后流型完全改变，泥沙沉积厚度略微增加(增加0.005m)。4.5h(运行4)后观察到的床层厚度几乎是3.0h(运行3)后中心的两倍，但左右壁的差异不大，有两个平均向中心倾斜2%的横向缓坡。但9.0h后(运行5)，两侧出现陡坡，沿沉积物山丘中心线上形成了通道，宽度为0.75m。在添加悬浮泥沙的9.0h内，可以在中心观察到更多沉积物，18.0h后厚度达到0.170m(运行6)。沿中心线形成了宽度为2.000m的水平沉积河段，上游拐角处沉积物更少。

图5(b)中显示了运行2、运行3和运行4前几个小时内几乎恒定的泥沙沉积，但运行4和5的沉积速率有所增加。1.5h和3.0h后，河床形状几乎均匀，但4.5h后沉积物显示为波浪状河床。9.0h后观察到的床层厚度几乎是4.5h的3倍。在18.0h后水池内已达到稳定的形态，并且几乎达到形态平衡。

由图5(c)可以看出，3.0h后中间横截面河床厚度明显减小，可以清楚地看到流向水池中心线的水流偏差。此外，由于环流漩涡，泥沙沉积在中间并逐渐开始增加。4.5h后，沉积从左壁逐渐增加，在中间部分达到0.030m的峰值，然后在右壁略有下降。18.0h后，呈现了与X2=2.0m时相似的泥沙沉积行为。

由图5(d)可以看出，1.5h、3.0h和4.5h后的沉积层相互平行，两侧几乎达到均匀的沉积速率。但9.0h后，沉积物在中心形成水下山脊，并向两侧倾斜。经过9.0h的测试，两侧的沉积逐渐增加，在射流中心线下方形成更宽的河床高程，宽度约为1.250m。

2.4 悬浮泥沙浓度

通过仪器详细监测了入口和出口通道的悬浮泥沙浓度(SSC)，连续数据可能存在虚假性，但可通过扫描数据来确定堵塞期，即SSC突然下降、尽管床形发生显著变化但SSC保持稳定的时期、流动模式发生突然变化。图6显示了每小时从储层中释放的SSC。试验期间，沉积物流入量在3.0g/L左右保持恒定。由图6可看出，由于床层形成和内部循环之间的混合交换，运行2、运行3和运行4开始时沉积物释放量较低，在运行5和运行6期间逐渐增加，并在运行6结束时保持相对稳定。运行2开始时由于流型向右偏转，波纹开始在右侧形成，SSC开始减少，3.0h(运行3)后，流型开始从右向中心改变，并在中心形成新的波纹。经过18.0h后，SSC流入和流出的速率大致相等，此时水池达到平衡。

图6 18.0h内水池中释放的悬浮沉积物浓度

3 结 语

本文利用多种测量技术在不同横截面和不同时间点上测量河床形态，研究了当悬浮泥沙被添加到浅水池平面河床上方的湍流中时，湍流结构、悬浮颗粒、河床形态和其他不稳定性之间的相互作用关系，研究表明： ⓐ与清水流相比，随着泥沙添加到水流中，湍流减小，混合长度减小，粗糙度增加，从而导致速度梯度增加；ⓑ悬浮泥沙和波纹稳定了水流，并将流型从与清水不对称改变为与泥沙对称；ⓒ厚度达到水深的15%的沉积物和波纹是水流结构变化的直接影响因素；ⓓ4.5h后已达到稳定的河床形态，但想要达到完全形态平衡需要18.0h以上；ⓔ18.0h后，悬浮泥沙流入和流出的速率大致相等，水池达到平衡。泥沙淤积是水库工程设计中必须考虑的问题，特别是浅水库，泥沙淤积对其影响较大，本文研究的泥沙淤积问题可以保障浅水库使用年限，更好地发挥工程效益。