引黃有壓管道泥沙沖淤計算模型

引黃有壓管道泥沙沖淤計算模型

黃干線從萬家寨水庫大壩取水。水庫左端的2#和3#水庫，底部高度為948m。設(shè)計運行期間，水庫水位為975.980m。由于黃河水的多泥沙特性,在取表層水的情況下,仍然挾帶著一定數(shù)量的泥沙,這些泥沙在輸水系統(tǒng)中可能產(chǎn)生沖淤變化,對輸水系統(tǒng)造成影響。本文主要對有壓隧洞中的泥沙沖淤計算方法作一個初步的嘗試。1采用壓力鉆孔泥沙沖砂法1.1c克諾羅茲臨界流速公式有壓隧洞中泥沙是否產(chǎn)生淤積,首先用臨界流速來判斷。確定臨界流速有兩種情況:一種是管道兩相流動不發(fā)生顆粒淤積的完全懸浮工作狀態(tài);一種是管道兩相流動允許存在一定的淤積的不完全懸浮工作狀態(tài)。前者稱第一臨界流速,后者稱第二臨界流速。判斷隧洞中的淤積是基于第一臨界流速而進行的。根據(jù)引黃泥沙粒徑小的特點,選擇與此相適應(yīng)的B·C·克諾羅茲臨界流速公式:vk=0.20(1+3.43C′wD0.75k???????√4)β式中,vk為臨界流速(m/s);C′w為重量稠度,即單位時間流過的固體重量與水的重量之比,與100相乘后代入公式;Dk為輸送管道臨界流時的管徑;β為混合液流速校正系數(shù),按下式計算:β=γs/γ?11.7γ、γs分別為清水和密實固體容重,當(dāng)γs/γ≤2.7時,上述臨界流速公式不乘校正系數(shù)。1.2有壓管道恒流計算模式的改進有壓管道泥沙沖淤計算借用明渠流的一維恒定全沙模型,將其應(yīng)用到有壓隧洞計算時,對計算模式進行必要的修改。主要是將明渠的水流圣維南方程組改為有壓管道恒定流計算模式;將斷面泥沙淤積隨水深分布改為淤積水平分布等。1.2.1各斷面流速設(shè)定水流連續(xù)方程:?Q?x=0因沿程流量不變,各斷面流速為:vi=QAi式中,Q為流量;vi為第i斷面流速;Ai為第i斷面過水面積。各斷面過水面積隨泥沙淤積而變化。1.2.2床面泥沙組成泥沙連續(xù)方程:γ′?As?t+?(QS)?x=0懸移質(zhì)不平衡輸沙計算模式:?(QSk)?x=?αωkB(Sk?S*k)床沙組成方程:γ′?(EmPk)?t+?(QSk)?x+ε1[ε2P0k+(1?ε2)Pk](?Zs?t??Em?t)=0式中,As為隧洞斷面淤積變形面積;γ′為泥沙容重;Sk和S*k分別為懸移質(zhì)分組含沙量和分組水流挾沙力;ωk為分組泥沙的沉速;α為恢復(fù)飽和系數(shù);Pk為混合層床沙組成;P0k為原始床面泥沙級配;Em為混合層厚度;ε1和ε2為標(biāo)記純淤積計算時ε1=0,否則ε1=1,當(dāng)混合層下邊界波及到原始床面時ε2=1,否則ε2=0;k為非均勻沙分組序數(shù),且滿足S=∑kSk?S?=∑kS*k。1.2.3泥沙懸移質(zhì)的計算阻力計算采用長管水頭損失的達西公式:Jf=AQ2A為比阻,即單位流量通過單位長度管道所損失的水頭,A=8λπ2gd5=f(λ?d),隨管徑和阻力系數(shù)而變。分組水流挾沙力采用張瑞瑾公式計算:S*k=K(U3gRωk)m式中,K、m分別為待定的系數(shù)和指數(shù),R為水力半徑,U為斷面平均流速?；旌蠈雍穸菶m=Cdh,系數(shù)Cd一般取0.1～0.2。因引黃泥沙顆粒很細(xì),所以只計算懸移質(zhì),不考慮推移質(zhì)計算。引黃隧洞已作襯砌處理,故以不可沖的基面當(dāng)作原始床面。2采用壓力濾波法計算減壓泥漿和沖砂泥漿2.1年平均含沙量及懸沙級配引黃入晉工程引水水源是多泥沙的黃河。萬家寨水庫計算水沙系列長10年,設(shè)計入庫水量200.6億m3,設(shè)計入庫輸沙量1.49億t,多年平均含沙量7.42kg/m3。萬家寨水庫于1998年10月下閘蓄水進入初期運用,水庫初期運用為攔沙運用階段,到達壩前的泥沙較少,引黃引沙量也較小。本次計算的水沙條件,不考慮萬家寨水庫的初期運行,僅考慮萬家寨水庫沖淤相對平衡后的引水引沙。根據(jù)萬家寨水庫和引黃工程的運用情況,引水期為每年10月1日到翌年7月31日,共計引水304d,8、9兩月為萬家寨水庫排沙期,不引水。在萬家寨水庫達到?jīng)_淤平衡后,設(shè)計入庫水沙系列經(jīng)萬家寨水庫泥沙沖淤計算和垂線含沙量分布計算,在引黃取水口得到各年取表層水的月平均含沙量過程和顆粒級配。本次用于有壓隧洞的計算根據(jù)引水含沙量的不同選擇3個方案,每個方案計算一個引水年:方案1取10年系列的平均含沙量;方案2取10年中的大沙年含沙量,方案3取10年中的小沙年含沙量。含沙量和懸沙顆粒級配如表1、2。引黃工程初期運行引水流量12.9m3/s,引水期內(nèi)均勻引水,多年平均引沙量32.02萬t,大沙年引沙量為45.81萬t,小沙年引沙量為5.76萬t。2.2u3/gr—計算參數(shù)的選取泥沙沖淤計算待定參數(shù)的選取一般要通過實測資料的驗證,但目前缺乏有壓管道中泥沙淤積的實測資料,因此參數(shù)只能由通常的取值或查相關(guān)經(jīng)驗關(guān)系曲線來確定。幾個主要參數(shù)取值如下:恢復(fù)飽和系數(shù)α借用通常的取值,淤積時取0.25,沖刷時取1.0。挾沙力公式的系數(shù)k和指數(shù)m的取值由U3/gRω—k和U3/gRω—m經(jīng)驗關(guān)系曲線來確定。根據(jù)水沙及管徑等條件,求得U3/gRω的值為104.8,由關(guān)系曲線查得m=0.65,k=0.3～1.2。通過對k的不同取值進行多次試算及合理性分析,最后確定系數(shù)k取0.35。由于來沙比較細(xì),且只計算一個引水年,即泥沙淤積年限短,由此查孔隙率曲線確定φ的取值,淤積泥沙孔隙率φ取值0.6。3有壓隧道中泥沙的地層引黃干線中,沿程布設(shè)了多段有壓隧洞,其中以3#、4#隧洞長度較長(長度分別為812.21m和1698.92m),洞徑最大(為5.6m),有壓隧洞中的泥沙淤積主要發(fā)生在此二隧洞中。因此,為了分析計算模型的應(yīng)用效果,下面對這兩隧洞的計算結(jié)果作一分析。3.1圍巖泥沙的監(jiān)測根據(jù)克諾羅茲臨界流速公式判斷,引水流量為12.9m3/s,當(dāng)平均含沙量0.94kg/m3和大沙年含沙量1.34kg/m3時,臨界流速分別為0.70m/s和0.75m/s,大于隧洞中的實際流速,因此隧洞中要產(chǎn)生泥沙淤積;而當(dāng)小沙年含沙量0.17kg/m3時,臨界流速為0.42m/s,小于隧洞中的實際流速,因此隧洞中不會產(chǎn)生泥沙淤積。3.2計算兩匝道串聯(lián)成一個長管的計算結(jié)果3#、4#隧洞斷面均為直徑5.6m的圓形。在3#隧洞沿程截取4個斷面,4#隧洞沿程截取7個斷面,將兩隧洞串聯(lián)成一個長管進行計算,計算結(jié)果如下。3.2.1#、3#4#隧道多年平均來沙年(方案1)一個引水年的引沙量為32.02萬t,至4#隧洞末端出口沙量為31.88萬t,3#、4#隧洞共淤積泥沙0.14萬t(1314m3),排沙比為99.56%。其中3#隧洞淤積424m3,4#隧洞淤積890m3。大沙年(方案2)一個引水年的引沙量為45.81萬t,至4#隧洞末端出口沙量45.12萬t,3#、4#隧洞共淤積泥沙0.69萬t(6530m3),排沙比為98.49%。其中3#隧洞淤積2218m3,4#隧洞淤積4312m3。小沙年(方案3)一個引水年的引沙量為5.76萬t,至4#隧洞末端出口沙量仍為5.76萬t,隧洞中不產(chǎn)生泥沙淤積。3.2.2碎片3#、4#隧洞沿程各斷面淤積情況見表3。表中斷面號為從上往下排列,其中1～4是3#隧洞,4～10是4#隧洞。3.2.3圍巖泥沙顆粒級配含沙水流經(jīng)過隧洞,在隧洞中產(chǎn)生一定的淤積,但淤積只發(fā)生在含沙量較大的時段,4#隧洞出口各月平均含沙量見表4。方案1:10月份的含沙量進口是1.84kg/m3,出口是1.83kg/m3,7月份含沙量進口是4.05kg/m3,出口是4.01kg/m3,其它各月的進、出口含沙量幾乎沒有變化。方案2:從10月到翌年6月,隧洞中基本沒有泥沙淤積,淤積主要發(fā)生在含沙量較大的7月,7月份含沙量進口是10.72kg/m3,出口是10.52kg/m3;以上兩個方案,由于淤積率都不大,因此發(fā)生淤積的時段進、出口含沙量變化也都不明顯。方案3進、出口各月含沙量無任何變化。4#隧洞出口泥沙顆粒級配見表5,與進口泥沙顆粒級配比較,方案1和方案2的細(xì)沙比例略有增加,說明隧道中產(chǎn)生的淤