用盐水减少异重流泥沙淤积的试验研究
摘要：异重流是界一种常见的现象，异重流淤积对许多工程都是需要解决的问题，如三峡永久船闸的上、下游引航道在三峡工程运行约30年后将出现较多的淤积。根据试验资料，下引航道每年淤积量在16.5～63.5万立方米之间，如遇大水大沙年淤积量还更大。特别是对下游引航道中“盲肠”段的淤积，估计以使用小型挖泥船清淤较为适宜。但对于象三峡船闸这样重要的建筑物，也应考虑一些其他清淤或减淤的备用方法，以便在某些意外情况出现时可供考虑使用。这些意外情况包括挖泥作业碍航或由于回淤迅速挖泥不够有效等。因引航道的泥沙淤积主要系由异重流入侵引起，所以设想采用在盲肠段内加盐，使盲肠段内水密度增加的办法，以减少泥沙异重流对盲肠段的入侵，从而减少淤积。本试验研究即以减少引航道盲肠区异重流淤积为背景，进行水槽试验研究。初步试验表明用盐水减少泥沙异重流入侵的效果是显著的。同时盐水和泥沙异重流浑水接触后促进其中细泥沙的絮凝而加速沉淀。这有利于减弱异重流。通过试验研究得出了异重流运动的一些，本研究成果对其它“盲肠”河段的异重流防治也有价值。
关键词：三峡引航道 异重流 盐水减淤
1 浑水和盐水的比重和加盐量的
根据泥沙模型试验，三峡水库坝前水位为145m时，水库不同运用年限的坝区水流含沙量和中值粒径如下。
表1 坝区水流含沙量和中值粒径
Predicted silt content and median particle size in the Three-Gorges Reservoir
运用年限 | 含沙量(kg/m3) | 中值粒径(mm) | d>0.05(mm)% | 浑水平均比重 |
26 | 1.55～1.52 | 0.012 | 12 | 1.0009 |
46 | 2.72～2.82 | 0.0207～0.0211 | 21 | 1.0017 |
66 | 4.07～4.10 | 0.0280～0.0287 | 29 | 1.0025 |
所以水库运用约30年后，坝区浑水含沙量可假定在3kg/m3左右。相应的浑水比重为1.002。泥沙的中径d50=0.03mm，与长江天然泥沙相近，重率γ=2.65，含沙浑水的重率可用公式计算
ρ′＝ρ+(1-ρ/ρs)S
式中 ρ、ρs分别是水和沙的密度，S为含沙量(kg/m3)。
食盐(NaCl)能溶于水，且不引起水体积的变化，故盐水的重率为
ρ′盐＝ρ+S盐
式中 S盐即单位体积的食盐量，单位为：kg/m3。
按照重率相等的原则，可以得出对应于某一含沙量的盐水含盐量应为
S盐=(1-ρ/ρs)S
考虑不同温度下水的密度变化，计算含盐量如表2所示。
表2 重率相同条件下，不同含沙量对应的含盐量值
Salt content corresponding to various silt content for the same density
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| 含沙量S(kg/m3) | ||
水温 | 清水密度 | |||
0℃ | ρ(kg/m3) | 1.0 | 3.0 | 5.0 |
0 | 999.9 | 0.6227 | 1.8680 | 3.1134 |
5 | 1000.0 | 0.6227 | 1.8678 | 3.1132 |
10 | 999.7 | 0.6227 | 1.8683 | 3.1138 |
15 | 999.1 | 0.6230 | 1.8689 | 3.1149 |
20 | 998.2 | 0.6233 | 1.8700 | 3.1166 |
* 表中含盐量单位为kg/m3。 | ||||
由于盐溶液不因加盐而改变体积，含盐量每增加(1-1/2.65)=0.623g/kg，其比重的增加即等于浑水含沙量增加1kg/m3所造成的比重增加。由此，加盐量是比较小的。
2 试验研究
2.1 试验条件
试验是在一个有机玻璃水槽中进行的(图1)，水槽中部设一个闸门，两边分别是清水和含有一定泥沙的浑水，待浑水中泥沙搅拌均匀后提起闸门，观察异重流形成和运动的过程。然后在清水一侧加入不同浓度的食盐(NaCl)，重复上述试验过程，观测清水中加盐后比重变化对异重流形成和运动的影响。
试验选用了d50=0.03mm的非均匀沙，分别进行了含沙量为：1kg/m3、3kg/m3和5kg/m3的试验，试验水深分别为H=22cm、18cm、和14cm三种，试验用天然泥沙级配见表3，与长江天然泥沙十分相近。
表3 泥沙级配
Sediment particle size distribution
D(mm) | 0.0005 | 0.001 | 0.005 | 0.01 | 0.02 | 0.05 | 0.1 | 0.154 | 0.28 |
% | 10.34 | 14.31 | 26.5 | 31.85 | 41.5 | 63.7 | 92.0 | 96.0 | 98.1 |
2.2 试验现象描述 (1)一侧清水一侧浑水条件下，试验开始前状态如图2所示，当中部闸门提起后，异重流现象明显地发生了，见图3。 (2)在清水一侧加入适量盐，使盐水比重与浑水比重相同，再提起闸门，可以观察到盐水和浑水交界面上因提闸门时对水体的扰动略有混掺，但不会产生异重流，见图4。 |
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一般约持续45秒钟之后，由于浑水一侧部分泥沙沉降了，浑水比重变轻，盐水从底部缓慢潜入浑水，形成盐水异重流，同时浑水从表层进入盐水上面，而且盐水垫与浑水界限分明，表层浑水无明显落淤，这样的状态在试验中观察了半个小时亦无明显变化。
(3)为研究因加盐量偏少、即盐水比重小于浑水比重时的现象，试验中使盐水一侧应加入的食盐量减少20%时，提起闸门后，浑水会从底部潜入盐水，形成异重流，但流速比在清水中慢许多，而且异重流头部前进24cm以后，便停下来不再前进，相持一段时间后，由于浑水中部分泥沙沉降，比重减轻，侵入的浑水在盐水顶推下又退回来，此后又是盐水入潜浑水，且在盐水一侧看得见在浑水异重流入侵过的24cm范围内有一层很薄的泥沙沉积。
2.3 试验成果分析
异重流发生的现象如图5所示，由试验资料(表4)可对异重流运动的作一些粗浅的分析。
从表4可以看出，当盐水与浑水比重相同或略有偏小时(加盐量减小10%以内)，试验中均未观测到异重流明显形成的现象，只有当加盐量偏小20%以上时，才会有异重流缓慢发生，但运动速度已明显减慢了。下面根据试验资料分析一下异重流厚度h′，异重流运动速度与相关参数的关系。
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图2 试验开始前状态 | 图3 异重流现象 |
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图4 盐水防止异重流入侵 | 图5 异重流运动示意图 |
表4 盐水防止异重流入侵试验组次及成果
Summary of test runs and results
| 相应于浑 |
| 浑水含沙量（kg/m3） | |||||
水深 | 水含沙量 |
| ||||||
H(cm) | (kg/m3) |
| 1(γ=999.72) | 3(γ=1000.97) | 5(γ=1002.22) | |||
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| ||||||
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| h′(cm) | v′(cm/s) | h′(cm) | v′(cm/s) | h′(cm) | v′(cm/s) |
| 1 | 清水(γ=999.10) | 11.4 | 1.6 |
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| 加盐90% (γ=999.66) | 0 | 0 |
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| ||||||||
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| 清水(γ=999.10) |
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| 10.0 | 2.5 |
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22 | 2 | 加盐100%(γ=1000.35) |
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| 0 | 0 |
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| 加盐90%(γ=1000.22) |
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| 0 | 0 |
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| 加盐80%(γ=1000.20) |
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| 10 | 0.6 |
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| ||||||||
| 3 | 清水(γ=999.10) |
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| 10.5 | 3.5 |
| 加盐100%(γ=1000.97) |
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| 0 | 0 | |
18 | 1 | 清水(γ=999.10) |
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| 9 | 2.5 |
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加盐100%(γ=999.72) |
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| 0 | 0 |
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| ||
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| 清水(γ=999.10) |
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| 6.5 | 2.3 |
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| 加盐100%(γ=1000.97) |
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| 0 | 0 |
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14 | 3 | |||||||
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| 加盐90%(γ=1000.78) |
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| 0 | 0 |
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| 加盐80%(γ=1000.60) |
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| 0 | 1.95 |
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(1)异重流的厚度
试验表明异重流的厚度h′主要与总水深H有关，如图6所示。
由图6可见h′与H成正比：h′=k1H
式中K1=0.48。根据武汉水院统计的水槽试验资料K1=0.54～0.63；据青山运河野外观测资料K1=0.68，根据长江某“盲肠”河段野外观测资料K1=0.50，与本试验资料最接近。
(2)异重流的速度
异重流速度v′的表达式可从能量方程导出
γ′H=γ(H-h′)+γ′h′+γ′v′2/2g+γ′ξv′2/2g
故 |
式中 ξ为局部阻力损失系数，将h′=K1H代入上式，简化后可得v′=K2 |
，设
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图6 异重流深度h′与总水深H的关系 | 图7 异重流的速度与剪切流速的关系 |
表5 v′与v*关系 单位(cm/s)
Calculated v′～v* relationship
v*= | 3.658 | 6.350 | 2.824 | 8.197 | 5.744 | 5.065 | 4.021 | 5.054 | 5.415 | 7.332 |
v′ | 1.6 | 2.8 | 0.6 | 3.5 | 2.7 | 2.3 | 1.4 | 2.4 | 1.8 | 3.0 |
由表5及图7可得出K2=0.41。武水统计的水槽试验资料K2=0.46；青山运河野外观测资料K2=0.415；根据长江某盲肠河段野外观测资料K2=0.405。
由图7可见，当两种液体比重差Δγ减小时，异重流的速度也明显减慢，故即使加盐量有些偏离，也会明显减少异重流造成的淤积。
3 结论
1.在水中加盐以防止异重流发生在理论上和实际上都是可行的。试验也表明用加盐法减少引航道淤积是有效的，加盐法减淤的优点是不碍航，也不需要特殊设备。缺点是有一定的环境问题，需进一步深入研究。
2.含盐水与含沙水流重率相当，可以完全阻止异重流的入侵；含盐量略低时，对异重流也存有明显的阻滞作用，泥沙异重流在盐水中运动速度明显减慢；含盐量略高时，产生盐水异重流，浑水从盐水表层流入，因底层有盐水垫，故泥沙很难落淤。
3.异重流平均厚度h′与断面总水深H成正比
h′=K1H
试验统计K1=0.48。
4.异重流速度与两种流体的重率差及异重流的重率有关，与断面总水深也有关，它们的关系可表示如下
v′=K2 |
试验统计K2=0.41。
5.在实际工程中能否采用水中加盐防止异重流的措施，还应进一步做动水试验研究，同时还需与别的措施进行等方面的综合比较。
参 考 文 献
[1] 周建军。三峡工程下游引航道防淤减淤措施试验研究。长江三峡工程坝区泥沙研究报告集（第一卷），专利出版社，1997年。
[2] 武汉电力学院河流泥沙教研室。河流泥沙工程学。出版社，1981年。