基于脉冲射流的小浪底水库人工异重流输沙方法探讨（宁锋,高传昌,王为术）

摘要：小浪底水库的调水调沙实践证明，异重流在水库形成后，可以在水下长距离运行，直到排出库外，达到排沙清淤的效果，但其发生的时间段短。能否研究出一种满足异重流产生和运动的条件,并且长期产生人工异重流的设备,成为解决小浪底水库淤积问题的关键。为此,提出了采用脉冲射流冲驱泥沙实现人工异重流的方案。

关键词：小浪底水库；脉冲射流；人工异重流

中图分类号：TV145文献标识码：A文章编号：1672-1683（2007）02-0075-03

Research of Manpower Density Flow in Xiaolangdi Reservoir Based on Pulsed Jet

NING Feng, GAO Chuan-chang, WANG Wei-shu

(North-China University of Water Conservancy and Hydro-power，Zhengzhou 450011，China)

Abstract：Dispatch of water and sediment in Xiaolangdi Reservoir proves that density flow could move a long distance underwater till got out.It could make sediment out of the reservoir,but the time of its continuity is short.That the equipment can produce manpower density flow for a long time is the key problem to solve sediment in Xiaolangdi Reservoir.This text puts forward a scheme to realize the manpower density flow by pulsed jet ship for scouring sediment. 

Key words: Xiaolangdi Reservoir；pulsed jet；manpower density flow

1引言

小浪底水利枢纽工程位于黄河干流中游末端，是黄河水沙调控体系的骨干工程，处于控制进入黄河下游水沙的关键部位，在黄河的综合治理开发中具有不可替代的战略地位。保持小浪底长期有效库容，延长水库的寿命，对于更高发挥其在水沙调控体系中的作用，长期协调缓和下游的水少关系，减少河道淤积，维持下游河道的中水河槽，保持主槽的行洪排沙能力具有重要的意义。国内外水库泥沙处理有多种技术和措施，如挖泥船清淤、水库异重流排沙、泄水拉沙、爆破等［1］。黄河水少沙多、汛期短，小浪底枢纽为深水型水库等特殊原因使传统的技术难于在小浪底水库的泥沙处理中充分奏效。为解决小浪底水库泥沙处理这一世界难题，黄河水利委员会作了大量的工作，目的是通过水库联合调度、泥沙扰动等手段，协调水沙过程，减少小浪底水库泥沙淤积，冲刷下游河道，恢复主河槽的过流能力。2002年至2006年，进行了4次调水调沙试验［2］，小浪底总出库水量为181.35亿m3，共排沙0.468亿t，4次调水调沙水库平均排沙比15.9%。小浪底水库调水调沙实践表明人工异重流和泥沙扰动技术在小浪底水库泥沙处理中是可行的，有效的。调水调沙可恢复下游河槽过流能力，达到3 000～4 000 m3/s，这已经为黄河输沙入海打造了一条高速公路。根据黄河下游洪水冲淤特性分析，流量达3 000～4 000 m3/s时，在基本满足下游不淤的条件下，能够挟带40 kg/m3左右的含沙量，其中粒径小于0.025 mm的细沙百分数变化在60%～80%。而小浪底水库淤积形态和河床淤积物中粒径沿程分布表明：在距坝40 km范围内的淤积物粒径变化在0.003～0.015 mm。为充分利用自然的力量，节约清水资源，借助外力将距坝40 km范围内的细沙启动，并输移到坝前漏斗区，提高泄水含沙量，达到输沙入海，排细淤粗，延长水库寿命的目的，本文研究并提出了基于脉冲射流的小浪底水库人工异重流输沙方案，此方案可充分利用脉冲射流小流量、压力高的特性，更好地做到 “省水、省能”。 

2水库异重流及异重流排沙

异重流［34］是泥沙运动的一种特殊运动形式，主要是两种密度相差不大、可以相混的流体，在条件适宜时因密度差异而产生的相对运动。在运动过程中，各层流体能基本保持其原来的面貌，不因交界面上存在的紊流掺混作用而发生全局性的混合现象。水库泥沙异重流是由于水流挟沙造成清浑水密度差异所形成的异重流，由于浑水的密度较之清水要大，因此这种水库异重流常常是潜入库底的。但是当含沙量很小，由于温度梯度致使下层的清水密度大于浑水密度时，浑水异重流也可以不潜入库底，而潜入中层甚至上层而形成中、上层异重流。水库异重流具有很强的挟沙能力，并可长距离连续输送泥沙。国内外水库泥沙处理技术中，美国Elephant Butte水库和Lake Mead水库、南非Welbedacht水库都有利用天然泥沙异重流输沙成功的历史［5］，水库泥沙异重流通常是底部异重流，其输沙能力很强，由于异重流的高粘性，对河床有较强的剪切冲刷能力。 

3人工异重流

人工异重流是相对于利用自然条件形成的水库泥沙异重流而言的，是人为创造形成水库泥沙异重流持续运动的条件而形成的异重流。根据不同的动量来源可有不同的人工异重流，比如黄河三库联合调度人工异重流、气动式扰动人工异重流以及本文重点研究的脉冲射流冲淤驱沙人工异重流。

3.1三库联合调度人工异重流

小浪底水库调水调沙塑造人工异重流是利用小浪底水库本身具有的大容积，结合三门峡、万家寨水库蓄水，通过三库联合调度，促使三门峡库区及小浪底库区上段产生冲刷，将侵占小浪底库区长期有效的淤积泥沙向坝前推移，产生人工异重流，实现排沙出库的目标。

3.2脉冲射流冲淤驱沙的人工异重流

脉冲射流冲驱泥沙的人工异重流的基本思路（如图1略），就是在淤积的水库中，从坝前开始，抽取上层清水形成脉冲射流冲击主流高速区的底层淤积面，将淤积泥沙冲起形成浑水，同时也在淤积面上形成相应的冲坑。这个过程不断自下游向上游进行，库底冲坑则向上游延伸成为渠槽，同时结合水库调水调沙使产生的浑水在该渠槽内向坝前运行，形成异重流；而流速较小区，可利用脉冲射流船将其底部淤积泥沙冲驱至主流高速区。这既是制造浑水的过程，又是开挖渠槽供浑水向坝前运行的过程。这就是脉冲射流冲驱泥沙塑造人工异重流中的一个重要思想。

图1脉冲射流冲淤驱沙（人工异重流）示意图（略）

3.3脉冲射流冲淤驱沙人工异重流特点

从上述人工异重流产生的过程可知，脉冲射流冲淤驱沙人工异重流特点为：

(1)脉冲射流冲驱泥沙的人工异重流不依赖上游河流浑水入库，而是在淤积的水库中根据人的设计而产生的；

(2)脉冲射流冲驱泥沙的人工异重流虽然也是沿渠槽自上游向下游运动，但其产生的过程，是自下游开始，不断地向上游发展，这与三库联合调度塑造的人工异重流过程截然不同；

(3)脉冲射流冲驱泥沙的人工异重流仅在冲沙形成的渠槽内流动，它的含沙量同库底淤积泥沙的特性、淤积面的坡度和脉冲射流冲沙设备的性能及运动状况有关，而三库联合调度的人工异重流都是自水库上游潜入水下向下游推进，且在库底较宽的范围内运行。

4脉冲射流冲淤驱沙人工异重流方案的可行性及影响条件

4.1脉冲射流基本理论

有压流体（液体或气体）按恒定的流量持续通过口径较小的喷嘴时会形成恒定射流，其具有较高的流速和较大的冲击力，若在喷嘴前安装一脉冲发生装置，就会形成脉冲射流。国内外的试验结果证明［67］，在同一工况下，脉冲射流比恒定射流具有更高的传能及传质效率。经过脉冲射流泵基本性能的试验也得出：在相同的装置条件下，对应于同一工况时，脉冲射流泵喷嘴的工作压力和扩散管的出口压力都比恒定的高，经测算，脉冲射流泵性能比恒定的可提高10%～30%。

4.2脉冲射流人工异重流冲淤驱沙方案的可行性

多年实测资料表明［8］，小浪底库区水流垂线最大流速为0.3 m/s左右，脉冲射流冲驱泥沙的关键是水流流速V必需大于泥沙的扬动流速Ve，利用沙玉清泥沙扬动公式及颗粒沉降速度公式，计算出不同粒径泥沙的扬动速度，其结果如表1。

从表1可知，对于粒径小于0.01 mm的泥沙，其扬动流速Ve=0.3 m/s ，只要利用脉冲射流冲沙船将坝前淤积泥沙以较高流速冲驱起来，均可将其输送到坝前出库，因此利用脉冲射流冲驱泥沙是可行的。

而且国内外已有利用高速水射流进行水下松动冲驱泥沙的成功经验，根据工程实际经验，可在坝前库区10~40 km处，对淤积区分段进行泥沙冲驱，使粒径小于0.01 mm的泥沙集中到坝前10 km范围内，在小浪底水库调水调沙时，利用异重流通过冲沙洞排到坝下。

4.3脉冲射流人工异重流冲淤驱沙方案的影响条件

(1) 水库的水深及泥沙的分布状况；(2) 泥沙淤积厚度及其特性；(3) 水库水位的变化范围；(4) 水库的地形、地貌条件、水库附近的气象条件等；(5) 三水库联合调度形成的小浪底水库异重流整个发展过程的变化规律，包括潜入点区、库内演进区和坝前区三部分的分布规律；(6) 脉冲射流冲驱泥沙对水库环境的要求；(7) 脉冲射流冲沙系统的技术参数等。

5脉冲射流人工异重流冲淤驱沙方案的技术路线及系统的技术参数

5.1脉冲射流人工异重流冲淤驱沙方案的技术路线

脉冲射流式冲沙船是由脉冲射流冲沙系统、轮机系统、航行系泊系统和其他辅助设备组成。脉冲射流冲沙系统是该船的主要设备，它由高压工作水泵、脉冲发生装置、射流式冲沙设备、工作水管和闸阀等组成。射流式冲沙设备的工作原理是：高压工作水泵从库中抽取上层清水，经脉冲发生装置形成高压脉冲水流，再经工作水管通过喷嘴产生高速脉冲射流，用射流将库底泥沙冲起形成浑水，再借助库底渠槽水流的能量形成异重流，输往坝前，最后通过水库的调水调沙作用，把泥沙排出库外。由此可见，通过脉冲射流冲沙可使库底泥沙松动悬浮，利用形成的人工异重流挟沙能力强的作用，将泥沙输送到坝前，借助水库调水调沙，将泥沙排出库外；另外也可以结合库区的自然条件及变化趋势，因势利导，理顺河势，疏通流路，从而达到减少库区淤积的目的。

根据脉冲射流式冲沙船的原理，初拟冲沙步骤如下：(1) 每艘脉冲射流式冲沙船上安装数台脉冲射流冲沙系统；(2) 拟采用数艘脉冲射流式冲沙船为一组合体进行冲沙；(3) 在库底可以形成若干条渠槽，最终将连成一片，使库底淤积面下降。这就是射流冲沙塑造的人工异重流的清淤结果。

5.2脉冲射流冲沙系统的技术参数

(1) 脉冲射流的冲沙速度。脉冲射流的冲沙速度越高，破坏库底泥沙结构越彻底，泥沙获得的初速度也越大，但该速度并不是越大越好，而是既要冲动泥沙与水混合而形成人工异重流，又不使其脱离浑水运动的库底渠槽的范围。可见，脉冲射流的冲沙速度是一个非常关键的技术数据。

(2) 脉冲射流冲沙设备的移动速度。移动速度要与脉冲射流的冲沙速度结合起来一同考虑，既要满足库底渠槽向上游延伸的要求，又要满足脉冲射流冲沙形成的人工异重流要求。

(3) 脉冲射流冲沙喷嘴距淤积面的距离和与淤积面的夹角。喷嘴与淤积面的距离和夹角影响了冲坑的大小，也就是影响了渠槽形成的速度。

(4) 脉冲射流冲沙喷嘴的布置方式。布置方式是指单喷嘴还是多喷嘴，若是多喷嘴，应如何布置使射流冲沙的效果最好。

(5) 脉冲射流冲沙喷嘴与库中水流及库底泥沙特性之间的关系。在水库清淤时，库中水流和库底泥沙特性直接影响脉冲射流冲沙的效果，也影响冲沙喷嘴的布置方式、冲沙速度、移动速度等。

6结语

根据小浪底水库实际情况和国内外射流清淤工程实践经验，提出了脉冲射流人工异重流冲淤驱沙方案，该方案技术上可行，既能有效利用黄河多年来“水少”这一短缺资源，又能克服“沙多”这一难题，更好地做到“省水、省能”，但为实施这一方案，还需进一步的科研试验，以更好地解决小浪底水库的淤积问题。

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