极细沙含量对输沙能力影响的试验研究

李晓梦 ，尹飞翔 ，刘明 ，左卫广

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.河南省水资源环境工程技术研究中心，河南 郑州 450003；3.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；4.华北水利水电大学水利学院，河南 郑州 450045）

泥沙问题是水力学研究的热门问题，极细颗粒泥沙（泥沙中值粒径d50小于0.01 mm）引起的泥沙冲淤演变规律更是关注重点。研究表明，在相似的边界条件和相同的水流条件下，含有一定量细颗粒泥沙的低含沙水流在下游河道中产生的冲刷量大于清水水流的冲刷量。钟德钰[1]等研究发现，当上游输运的细颗粒泥沙浓度较高时，黄河下游河道具有“多来多排”的输沙特点。

极细颗粒泥沙对河道输运能力的影响，不仅涉及到泥沙颗粒大小、挟沙力、泥沙沉速及水流流速等物理特性方面；同时，还受到泥沙颗粒的絮凝和流变特性等物理性质方面的影响[2-5]。刘峰[6]通过自循环式明流玻璃水槽实验得出，在保持混合沙中值粒径不变的情况下，逐步加大细沙含量，水流挟沙能力是逐步提高的。李文杰[7]等针对三峡水库常年回水区淤积物多为中值粒径在0.01 mm细颗粒泥沙的现象，提出了一种基于原型沙的库区细颗粒泥沙模型试验方法，模型试验结果与原型符合较好。白静[8]等在采用动态亚格子模式对泥沙输移进行了三维大涡模拟研究，计算结果符合良好。

极细颗粒泥沙对水流输沙能力的影响非常复杂，对于极细颗粒泥沙输沙特性的探讨还相对较少，特别在小浪底水库投入运用后，由于水库具有“拦粗排细”作用，进入下游河道中的极细颗粒泥沙高达50%以上。因此，研究极细颗粒泥沙含量对水流输沙能力的影响，具有非常重要的意义。

1 物理模型试验

1.1 试验布置

模型试验在循环水槽中进行。水槽尺寸为50 m×0.4 m×0.6 m（长×宽×高）。循环水槽系统包括水库、电磁流量计、玻璃水槽和退水渠等4部分。水库位于玻璃水槽出口处，水库尺寸为8.0 m×1.0 m×1.3 m（长×宽×高）。水库底部安装搅拌装置和喷枪，目的是使水库泥沙得以充分扰动和悬浮。模型试验布置见图1。

图1 模型试验布置Fig.1 Layout of model experimental test

循环水槽中共选取5个量测断面（见图1中1～5），测量水流流速和含沙量。量测断面沿垂直于水流方向和沿水深方向分别布设5个量测点（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）测量水流流速。量测断面沿垂直于水流方向和沿水深方向分别布设7个量测点（距右岸5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm和35 cm）和4个量测点（距水面0.2 h、0.4 h、0.6 h和0.8 h）测量水流含沙量。

1.2 试验参数

按泥沙颗粒粒径来分，黄河泥沙可分为极细颗粒泥沙、细沙、中沙和粗沙，见表1[9]。

表1 黄河泥沙分类Table 1 Sediment classification in the Yellow River

本试验主要是研究极细颗粒泥沙（以下简称极细沙）含量对中等颗粒泥沙（以下简称中沙）输沙能力的影响。本次试验选用的极细沙和中沙均为天然沙，其级配曲线见图2。由图可见，极细沙和中沙的中值粒径d50分别为0.006 mm和0.035 mm。

图2 极细沙和中沙级配曲线Fig.2 Grade distribution curves of extremely fine particle sediment and medium-coarse sediment

考虑水槽尺寸和水泵等试验设备，最终确定模型进口流量为60 m3/h、90 m3/h和120 m3/h。水槽两侧侧面材质为玻璃，糙率为0.009 7；水槽底部为水泥抹面，糙率为0.012。经试验得水槽综合糙率为0.011，水槽坡度为0.2%。

1.3 试验内容

本文主要探讨极细沙含量对水流输沙能力的影响，试验内容主要包括以下两部分：

1）图2中试验所选中沙粒径0.025 mm＜d＜0.05 mm，近似认为中沙为均匀沙。研究不同流量下中沙的输沙规律。模型试验中冲淤平衡主要是通过量测含沙水流中含沙量与加沙量之间的变化关系。若含沙量小于加沙总量，则认为水流发生淤积；若含沙量大于加沙总量，则认为水流发生冲刷；若含沙量略小于加沙总量时，则认为水流达到冲淤平衡。当水流中极细沙含沙量较小时，可以认为极细沙为冲泻质，在水槽中不存在淤积。

2）当上述中沙第1次达到输沙平衡（记为加沙1）后，加入一定量极细沙（记为加沙2），判断水流泥沙的冲淤状态。然后依次加入中沙（记为加沙3），极细沙（记为加沙4），中沙（记为加沙5）和极细沙（记为加沙6），最终浑水达到第4次输沙平衡。试验流程见图3。

图3 试验流程图Fig.3 Process chart of experiment test

1.4 量测仪器

模型试验中主要测量流速和含沙量的实时变化关系。本试验中流速和含沙量的量测仪器分别采用声学多普勒流速仪（ADV）和超声波含沙量测量仪，见图4。ADV和超声波含沙量测量仪的量测精度分别为 20～5 000 mm/s，0.5～200 kg/m3。

图4 量测仪器Fig.4 Measuring instrument

2 结果分析

2.1 极细沙对输沙能力的影响

1）水槽含沙量变化

在一定流量下（Q=60 m3/h）的清水水流中逐步加入中沙，直到达到冲淤平衡。水流中的中沙含沙量为19.64 kg/m3，即为水流的输沙能力。在加沙1达到冲淤平衡后，加入含沙量为4.64 kg/m3的极细沙（即加沙2）。比较水槽进出口含沙量大小，进出口含沙量均为24.28 kg/m3。在含有上述非均匀沙的挟沙浑水水流中第2次加入中沙，发现中沙并没有淤积，逐步增加中沙含量，直到达到新的冲淤平衡（即加沙3），此时水流含沙量为29.08 kg/m3。第2次加入含沙量为4.71 kg/m3极细沙（即加沙4），出口含沙量为33.79 kg/m3。第3次加入中沙并达到冲淤平衡（即加沙5），水流含沙量为38.96 kg/m3。最后，在浑水水流中第3次加入含沙量为50 kg/m3的极细沙（即加沙6），出口含沙量为55.83 kg/m3。3个不同流量下出口含沙量变化见表2。

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

由表2可见，当加沙1、加沙3和加沙5后，中沙先后3次达到输沙平衡。此时，加入一定量的极细沙，水槽出口处浑水含沙量均大于未加极细沙时浑水含沙量。加沙2和加沙1，加沙4和加沙3之间含沙量之差与加入的极细沙含沙量相等，说明加入极细沙后，不仅极细沙没有淤积，而且中沙也没有淤积；而加沙6和加沙5之间含沙量之差小于加入的极细沙含量。说明在该水流条件下，水流输沙能力小于加入的极细沙和中沙总的含沙量，水槽内会出现淤积现象。此时，加沙6时，Q=60 m3/h含沙量大于Q=90 m3/h，导致该结果的原因可能为粗颗粒泥沙淤积，细颗粒泥沙冲刷，泥沙沿程分选。

2）极细沙对输沙能力影响

当流量为60 m3/h、90 m3/h和120 m3/h时，第1次输沙平衡时中沙含沙量分别为19.64 kg/m3、25.95 kg/m3和85.43 kg/m3。加入极细沙后，中沙输沙能力均有所提高，3个流量下中沙输沙能力分别增加9.97 kg/m3、8.70 kg/m3和9.45 kg/m3。说明在中沙达到输沙平衡的水流中加入极细沙，不仅中沙没有淤积，而且极细沙还可以提高原有含中沙浑水的输沙能力。

2.2 公式计算值比较

由于非均匀沙输沙能力的复杂性，国内外学者总结了很多经验公式。本文分别采用张瑞瑾、韩其为、麦乔威和涂启华等4个公式进行计算，并与实验结果进行比较。计算结果见表3。

表3 水流挟沙力比较Table 3 Comparison of sediment-laden capacity

由表3可见，对于4个流量来说，随着极细沙含量的增加，公式计算值也相应增加，这与模型试验实测值规律相似。但是公式计算值与模型试验实测值相差较大，尤其是当流量为60 m3/h时，实测值与理论值之比最大为7.5（实测值与张瑞瑾公式计算值之比）。

同时，由表中还可以看到，随着极细沙含量增加，中沙含量也随着增加，说明在输沙平衡的浑水中加入极细沙，提高了含有中沙的浑水输沙能力。当流量增加时，中沙增量与极细沙增量比值也相应增加，当Q=90 m3/h时，当水流处于加沙3过程时，中沙增量与极细沙增量比值达到最大，为1.32，即加入极细沙后水流输沙能力是加入极细沙前水流输沙能力的两倍。随着流量的增加，中沙增量与极细沙增量比值变小。

2.3 极细沙提高输沙能力分析

通常将泥沙粒径小于0.01 mm的泥沙颗粒称之粘性沙；反之，当泥沙粒径大于0.01 mm时，泥沙颗粒成为非粘性沙。下述分析中，把中沙和极细沙定义为非粘性沙和粘性沙。由上述研究发现，在达到输沙平衡的水流中加入一定量的粘性沙，不仅中沙不会淤积，而且还能提高非粘性沙的输沙能力。不同流量下粘性沙含量占全沙比例和浑水沉速见表4。

由表4可见，当水流流量为60 m3/h时，加沙2、加沙4和加沙6的粘性沙含量分别从加沙1、加沙3和加沙5的18%、23%和23%，增加为23%、27%和34%，分别增加了5%、4%和11%。当水流流量分别为90 m3/h和120 m3/h时，加沙2、加沙4和加沙6的粘性沙含量分别增加了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

不同流量下加入极细沙之后粘性沙的比例均有所增加，而粘性沙的增加就代表着其水流粘性增加，水流粘性增加则泥沙沉速减小，沉速减小则泥沙的重力作用减弱，相对来说泥沙向下的力减小，水流的输沙能力增加，最终在加入极细沙之后，仍能再带走部分中粗沙，即极细沙能提高中沙的输沙能力。

3 结论与展望

本文主要研究极细沙对中沙输沙能力的影响，探讨了不同流量和极细沙增量下中沙含沙量的变化情况，并与现有泥沙挟沙力公式进行比较，最终给出了极细沙影响中沙输沙能力的原因。主要结论如下：

1）在达到输沙平衡的水流中加入极细沙，可以有效的提高水流的输沙能力。

2）极细沙可以进一步提高达到输沙平衡的水流输沙能力，但是随着水流流量的增加，单位含量极细沙提高的中沙增量越来越小。

3）本文仅探讨了极细沙含量对中沙输沙能力的影响，对于水流粘性及紊动强度对输沙能力的影响，在后续的工作中继续研究。