梯形渠道内泥沙淤积特性试验

南军虎; 郝书帆; 韩大川; 杜辉

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506603

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (18) :7857-7868 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506603

建筑科学

梯形渠道内泥沙淤积特性试验

南军虎 ¹ ,
郝书帆 ² ,
韩大川 ² ,
杜辉 ²

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Experiment on Sediment Deposition Characteristics in Trapezoidal Channel

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摘要

为揭示不同来流条件下梯形渠道内的泥沙淤积特性,采用缩尺模型试验的方法,研究了不同流量、泥沙浓度、水深及泥沙级配条件下渠道内泥沙淤积形态与粒径分布特征。结果表明,流量变化影响渠道流速、挟沙力及二次流强度,使渠道泥沙呈现均匀沉降、局部冲刷、复杂淤积的动态演变过程;水深变化影响水流动力和泥沙输移模式,决定了渠道内泥沙淤积形态的复杂性和多样性;泥沙浓度升高增强了颗粒间相互作用,泥沙淤积形态从均匀悬浮输移向局部冲刷变化;泥沙级配变化影响泥沙颗粒的沉降特性与水流对泥沙的输移能力,改变了渠道泥沙淤积高度与形态。在低流量(≤2.635 m³/s)、高浓度(≥7.5 kg/m³)、大粒径级配(平均粒径0.548 mm)、高水深1.2 m的最易淤积工况下,渠道水流流速和挟沙力分别为 0.813 m/s 和0.286 kg/m³,渠道淤积最高厚度达38.948 cm,是4.65 kg/m³低浓度工况下淤积厚度的1.3倍以上。成果可为含沙水流条件下梯形渠道的设计、运行、防淤提供参考。

Abstract

In order to reveal the characteristics of sediment deposition in trapezoidal channels under different inflow conditions, a scale model test method was used to study the characteristics of sediment deposition morphology and particle size distribution in channels under different flow rates, sediment concentrations, water depths and sediment gradations. It was found that variations in flow rate influence flow velocity, sediment transport capacity, and secondary flow intensity, resulting in a dynamic evolution process of sediment deposition characterized by uniform settling, localized erosion, and complex deposition patterns. Changes in water depth alter flow dynamics and sediment transport mechanisms, thereby determining the complexity and diversity of deposition behavior. An increase in sediment concentration enhances inter-particle interactions, leading to a transition in deposition pattern from uniform suspension to localized scouring. Variations in sediment gradation affect particle settling behavior and the flow’s ability to transport sediment, consequently modifying the height and shape of deposited sediments. Under the most sedimentation-prone conditions, characterized by low flow rate (≤2.635 m³/s), high sediment concentration (≥7.5 kg/m³), coarse sediment gradation (mean particle size: 0.548 mm), and elevated water depth (1.2 m), the flow velocity and sediment transport capacity are measured at 0.813 m/s and 0.286 kg/m³, respectively. The maximum deposition thickness reaches 38.948 cm, exceeding the deposition thickness observed under low-concentration conditions (4.65 kg/m³) by more than 1.3 times. The results can provide references for the design, operation and anti-siltation of trapezoidal channels under sediment-laden flow conditions.

Graphical abstract

关键词

梯形渠道 / 泥沙淤积 / 粒径分析 / 模型试验

Key words

trapezoidal channel / sediment deposition / particle size analysis / model test

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南军虎, 郝书帆, 韩大川, 杜辉. 梯形渠道内泥沙淤积特性试验[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(18): 7857-7868 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506603

NAN Jun-hu, HAO Shu-fan, HAN Da-chuan, DU Hui. Experiment on Sediment Deposition Characteristics in Trapezoidal Channel[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(18): 7857-7868 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506603

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在水利工程的输水、灌溉及防洪体系中,梯形渠道因其过水效率与施工便利性,成为灌区、河道整治及调水工程的核心构筑物。然而受多沙河流来水来沙条件、渠道边界形态及运行调度的影响,梯形渠道内泥沙淤积问题频发,导致供水保障率降低、渠道糙率增加及维护成本攀升。深入开展梯形渠道泥沙淤积特性的研究,对揭示浑水条件下渠道内泥沙沉降、输移与淤积的规律,优化渠道设计并制定防淤策略具有重要的科学意义与工程价值。

中外学者围绕泥沙淤积开展了大量研究,主要有以下4个方面。

(1)明渠挟沙水流运动方面,建立了泥沙统计等理论并研究了泥沙起动规律及起动流速^[1]、推导出起动流速公式并建立不同状态下起动参数的对应关系^[2],此外还进行了悬移质泥沙的输移特征和水流中的悬移质颗粒的粒度分布预测^[3]、基于矩量法的非恒定二维悬移质输沙方程求解^[4]、基于悬移质泥沙弥散速度本构方程的明渠恒定均匀流泥沙垂线分布特征等方面的研究^[5]。

(2)灌区渠系泥沙研究方面,分析了入渠泥沙的迁移特性和粒径分布^[6]、提出了临界悬浮流量并优化了水流挟沙力公式^[7]、探明了灌区渠道取水口处的来沙特性^[8]、揭示了渠道泥沙来源及冲淤变化规律^[9]。

(3)水库与河道淤积方面,研究了水库泥沙淤积和下游河道冲刷的规律^[10]、水库运行后的泥沙淤积量和淤积形态^[11]、泥沙淤积高度与河道水位变化的规律^[12],预测了河口泥沙淤积的发展趋势^[13],揭示了水库细颗粒淤积物的流变和流型特征^[14]以及泥沙补给变化对河床淤积体扩散和平移运动的影响^[15]、提出了多沙河流水库淤积形态与库容分布耦合设计方法并应用于水库工程^[16]。

(4)特殊地形、沙波形态及数值模拟方面,通过数值模拟来研究复杂边界变化对水库泥沙淤积的影响^[17]、分析了喀斯特区小流域山坪塘泥沙颗粒分布特征^[18]、揭示了颗粒堆积分散程度随时间的变化规律^[19]、分析了推移质和悬移质运动的沙波形态以及运动特征^[20]、研究粗颗粒在管道中的运动特性^[21]、模拟研究汛期水电站运行调度方式^[22]。现有研究在上述4个方面取得重要进展,但是关于梯形渠道的泥沙淤积特性研究方面较少。

基于此,现以大型提灌工程中梯形渠道为对象,采用缩尺模型试验的方法,研究不同来流条件下渠道内的泥沙淤积形态与粒径分布特征,具有一定的应用基础研究价值,以期为含沙水流条件下渠道的设计优化、运行调度及防淤措施制定提供科学依据。

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

甘肃省景泰川电力提灌工程(简称“景电工程”),地处腾格里沙漠南缘,是一项高扬程、大流量、多梯级的电力提灌工程,为石羊河流域综合治理、河西走廊战略大通道的生态安全提供了坚强的水资源支撑。工程中支渠作为核心输水单元,多为梯形断面,采用浆砌块石或混凝土板衬砌,渠道引水流量为1~5 m³/s,底宽1.47~2.45 m,渠深 1.5~3.0 m,边坡系数1~1.5,粒径为0.075~1.250 mm的泥沙在淤积总量中占87.97%,渠道中的典型泥沙淤积如图1所示。为研究渠道内泥沙淤积特性,选择底宽为1.5 m、渠深2 m、边坡系数为1的原型梯形渠道作为研究对象。

1.2 试验模型

按照重力相似准则和1∶10的几何比尺制作有机玻璃梯形渠道模型,模型下底宽15 cm,高20 cm,上底宽55 cm,长度620 cm,边坡系数为1。相应的流速比尺为和流量比尺分别为1∶3.16和1∶316.22;兼顾泥沙起动相似和悬浮沉降相似,确定泥沙粒径比尺为1∶4.11,模型沙采用石英砂。根据对景电工程原型渠道的调研,设定原型、模型流量(根据试验设定的流量工况,结合模型与原型的流量比尺,得到原型渠道对应的实际运行流量工况)、水深、流速如表1所示,原型泥沙粒径0.078~1.250 mm,为进一步扩大研究范围,将原型泥沙分成4组粒径,设定出两种泥沙级配比例,原、模型泥沙粒径及配合比如表2所示。

图2为渠道内泥沙淤积试验装置,主要由水箱、搅拌器、水泵、阀门、电磁流量计、上游稳水段、梯形渠道有机玻璃模型、挡水板、尾水池等部分组成。试验时,在水箱中加入额定重量的石英模型沙,通过搅拌器充分搅匀后采用水泵输送,含沙水流经上游渐变段稳水,而后流入有机玻璃模型渠道,最后流回蓄水水箱,实现水沙循环。

1.3 试验方案

在对景电工程实际运行流量、泥沙浓度、水深和泥沙级配调研的基础上,充分考虑不利工况,拟定如下工况试验方案。

(1)流量变化工况:水深1.0 m、进口水流泥沙浓度6.58 kg/m³、第一级配,流量分别为2.635、3.514、4.392 m³/s。

(2)泥沙浓度变化工况:水深1.0 m、流量4.392 m³/s、第二级配,进口水流泥沙浓度分别为4.74、5.55、7.5 kg/m³。

(3)泥沙级配变化工况:水深1.0 m、进口水流泥沙浓度7.55 kg/m³、流量4.392 m³/s、泥沙级配分别为第一级配、第二级配。

(4)水深变化工况:进口水流泥沙浓度4.65 kg/m³、流量2.635 m³/s、水深分别为0.8、1.0、1.2 m。

1.4 测量参数及方法

采用电磁流量计(DN50,精度为0.2%FS~0.5%FS)读取流量;通过挡水板来控制渠道内水深;采用测针(精度±0.1 mm)来量测渠道内水深;为避免进出口边界条件对泥沙沉降的影响,选定如图3所示C-1~C-7的水沙取样断面,取样时采用真空泵抽取渠道不同位置的水沙样品,并对其静置、沉淀、过滤、烘干,而后用高精度电子秤(精度0.01 g)称重计算得到泥沙浓度,并用激光粒度分析仪(测量范围为0.02~2 000 μm准确性误差优于 ±1%,重复性误差优于±0.5%)分析其颗粒级配;渠道内泥沙淤积形态用三维激光扫描仪(点云精度±0.1 mm)扫描后得到淤积泥沙的点云数据,采用Ployworks软件对点云数据进行处理、拟合、模型构建与编辑等,最后提取出淤积泥沙形态云图,泥沙淤积宽度和淤积高度如图3所示。

从挟沙力、弗劳德数、流速垂向分布等方面,分析不同水沙条件下梯形渠道泥沙淤积形态、流速梯度对泥沙输移、挟沙力对泥沙输移的影响。挟沙力表示水流所能携带并输送悬移质泥沙的最大能力,说明了水流能量与泥沙沉降趋势之间的关系,选取文献[23]的挟沙力公式进行计算,即

(1)S=$\frac{{\mathit{U}}^{2.25}}{{\mathit{R}}^{0.74}{\mathit{\omega }}^{0.77}}$

式(1)中:S为挟沙力,kg/m³;R为水力半径,m;ω为泥沙沉速,cm/s;U为流速,m/s。

平均粒径为0.062~2 mm泥沙沉速计算公式选择沙玉清^[24]的沉速公式,即

(2)${\left(\mathrm{l}\mathrm{g}\frac{\mathit{\omega }}{{\mathit{\nu }}^{1/3}}+2.720\right)}^{2}$+${\left(\mathrm{l}\mathrm{g}\frac{\mathit{d}}{{\mathit{\nu }}^{2/3}}-4.705\right)}^{2}$=39

式(2)中:ν为水的运动黏度,cm²/s;d为泥沙平均粒径,cm。

断面平均粒径计算式为

(3)D_i=$\sqrt{{\mathit{D}}_{\mathrm{u}}{\mathit{D}}_{\mathrm{l}}}$

(4)

$\mathrm{D}=\stackrel{\mathit{n}}{\sum _{\mathit{i}=1}}{\mathit{P}}_{\mathit{i}}{\mathit{D}}_{\mathit{i}}$

式中:D_i为第i组平均粒径;D_u、D_l为某组上、下限;P_i为断面平均粒径;D为断面平均粒径。

弗劳德数用于判别水流状态,其公式为

(5)Fr=$\frac{\mathit{U}}{\sqrt{\mathit{g}\mathit{h}}}$

式(5)中:Fr为弗劳德数;g 为重力加速度,m/s²;h为水深,m。

泥沙起动流速的计算采用沙莫夫公式,即

(6)U_c=1.14$\sqrt{\frac{{\mathit{\rho }}_{\mathrm{s}}-\mathit{\rho }}{\mathit{\rho }}\mathit{g}\mathit{d}}{\left(\frac{\mathit{h}}{\mathit{d}}\right)}^{1/6}$

式(6)中:U_c为泥沙起动临界垂线平均流速,m/s;h为水深,m;d为泥沙代表粒径,m;ρ_s为泥沙的密度,kg/m³;ρ为水的密度,kg/m³;g为重力加速度,m/s²。

流速垂向分布采用何建京等^[25]的适合均匀流及非均匀流的公式,即

(7)$\frac{\mathit{U}}{\mathit{v}}$=0.273 6lg$\frac{1000\mathit{y}}{\mathit{h}}$+0.31

式(7)中:U为垂向流速,m/s;v为参考流速,m/s;y为垂向距离床面深度,m;h为水深,m。

2 结果与分析

2.1 流量对泥沙淤积形态的影响

在渠道水深1.0 m、第一级配泥沙及进口浓度(6.58±0.2) kg/m³的条件下,流量变化时渠道内的水力参数、渠道泥沙淤积整体形态和泥沙淤积高度分别如表3、图4和图5所示。流量为2.635 m³/s时,水流含沙量高于挟沙力(0.567 kg/m³),且流速较小(1.054 m/s),渠道内泥沙输移能力有限,不足以将大量泥沙长距离输移,所以在渠道的不同位置泥沙逐渐沉降,渠道内整体泥沙淤积厚度在20 cm以上,宽度为2.5 m左右,呈斑块状分布。其中渠道2、渠道4、渠道6断面泥沙淤积高度分布有所波动,先中间凸起,再左右增厚,高低不一,表明不同断面上水流的横向流速分布不均匀,使泥沙的输移和沉降出现差异。随着流量的增加,渠道内水流流速、挟沙力和紊动强度相应增加,使得悬移质输沙能力提升,推移质运动更为活跃,渠道内泥沙淤积厚度减少。特别是在大流量(4.392 m³/s)工况下,水流挟沙力约为1.789 kg/m³,其增加了对渠底泥沙的冲刷,渠道内泥沙淤积厚度降至12 cm左右,宽度约为2.3 m,前段呈现出月牙状淤积形态,后段各断面淤积高度降低且泥沙粒径分布均匀,淤积形态开始从月牙状向形态平缓的条状演变,表明粗颗粒就近沉降,细颗粒远距离输移的分选规律。

图6为不同流量下渠道内淤积泥沙粒径分布。在流量为2.635 m³/s时,渠道各断面淤积的泥沙粒径较为相似,其中0.329~1.250 mm的淤积泥沙在2断面、4断面、6断面上其体积分布占比为52.79%、58.98%、57.59%。此时水流速度慢、能量低,其搬运能力有限,仅能够携带部分粒径较小的泥沙,而对于粒径0.329~1.250 mm的泥沙,难以提供足够的动力使其移动,逐渐沉降在渠道底部。随着流量的增大,水流速度以及输沙能力较小流量工况有所提升,0.078~0.329 mm的泥沙易于悬浮不易沉积,被水流带动,使其在整体淤积泥沙中的占比相对降低,0.329~1.250 mm的泥沙的占比上升。在流量为4.392 m³/s时,渠道内的淤积泥沙中0.078~0.329 mm泥沙的占比下降,在2断面、4断面、6断面上其体积分布占比分别为5.96%、12.33%、26.89%,并且断面差异显著;0.329~1.250 mm的泥沙在淤积泥沙中的占比大幅提升,在2断面、4断面、6断面分别达到94.04%、87.67%、73.1%。说明随着流量增大,0.078~0.329 mm的更易被悬浮带走,难以在渠道内淤积,因此其占比大幅下降。

2.2 泥沙浓度对泥沙淤积形态的影响

在渠道水深1.0 m、级配(第二级配)及流量4.392 m³/s的条件下,来流泥沙浓度变化时渠道泥沙淤积整体形态和泥沙淤积高度分别如图7和图8所示,由于来流泥沙浓度和挟沙力无关,表4为渠道内不同泥沙浓度的水力参数。进口浓度为4.74 kg/m³时,水流含沙量虽高于挟沙力(1.383 kg/m³),但流速较大(1.757 m/s),能携带大部分泥沙进行输移,由于泥沙沉降速度均匀,颗粒间相互作用弱,沉降少,渠道内泥沙淤积厚度在7.5~14 cm,宽度为 2 m 左右,前段呈月牙状,后段过渡为条状。渠道2断面、4断面、6断面的泥沙淤积高度较低,波动不明显,较为平缓,表明不同断面位置上水流的横向流速分布均匀,泥沙淤积平缓均匀。随泥沙浓度的增加,水流挟沙能力降低,泥沙颗粒间相互作用增强,泥沙沉降量增加,渠道内泥沙淤积高度增加。在高浓度(7.5 kg/m³)工况下,水流含沙量远大于水流挟沙力(1.383 kg/m³),渠道内泥沙淤积厚度在3断面之前增至16 cm左右,呈现月牙状淤积形态,3断面~5断面泥沙淤积形态月牙状排列变密集,5断面之后条状淤积形态厚度降至12 cm左右,说明渠道底部泥沙粒径大的占比随着水沙输移逐渐下降、粒径小的占比逐渐上升。

图9为不同泥沙浓度时渠道内淤积泥沙粒径分布。在进口水流泥沙浓度为4.74 kg/m³时,渠道淤积泥沙中0.329~0.616 5 mm的泥沙占比较高,其在2断面、4断面、6断面的体积分布占比分别为33.90%、37.22%、51.26%,而0.616 5~1.250 mm的泥沙占比较小,2断面、4断面、6断面其体积分布占比分别为54.39%、37.44%、36.79%。由于两个粒径范围的泥沙沉降速度不一致,粒径大的泥沙更易在渠道前段淤积,而粒径小的泥沙沉降速度慢,能被水流输送至更远的断面,所以0.329~0.616 5 mm的泥沙在渠道内的沿程淤积占比增大。随进口水流泥沙浓度的增大,渠道内水流的搬运能力下降,在2断面、4断面、6断面淤积泥沙中0.329~0.616 5 mm和0.616 5~1.250 mm的泥沙占比沿程上升和下降趋势开始减缓。进口浓度为7.5 kg/m³时,各断面淤积泥沙中0.329~0.616 5 mm和0.616 5~1.250 mm的泥沙占比趋于稳定,说明水流对泥沙的分选受泥沙颗粒间相互作用和水流搬运能力衰减的影响,分选作用减弱,泥沙在一起整体沉积,各断面不同粒径泥沙的体积分布占比平稳。

2.3 泥沙级配对泥沙淤积形态的影响

在渠道水深1.0 m、进口浓度(7.55±0.05) kg/m³及流量4.392 m³/s条件下,流量变化时渠道内的水力参数、渠道泥沙淤积整体形态和泥沙淤积高度分别如表5、图10和图11所示。泥沙级配为第一级配(平均粒径0.409 mm)时,泥沙沉速为 4.508 cm/s、挟沙力为1.789 kg/m³,渠道内水流的输沙效率较高,泥沙淤积形态先成锥形,随着流程增加,水流能量衰减,挟沙力减弱,泥沙开始平稳沉降,进而形成月牙状并加厚扩大,整体泥沙淤积厚度在12 cm左右。2断面、4断面、6断面的泥沙淤积高度整体平缓(从低到高11~15 cm),波动幅度小,各断面间淤积分布均匀。随着泥沙平均粒径的增大,渠道内泥沙沉速升高,挟沙力下降,悬移质输沙能力下降,渠道内泥沙淤积厚度增加。在第二级配(平均粒径0.548 mm)时,第二级配平均粒径比第一级配增大34%,沉速提升40%,挟沙力降低23%,此时水流中泥沙处于超饱和状态,且沉速加快使得大粒径泥沙快速沉降,小粒径泥沙被水流携带前行,在稳定水流下均匀沉降,形成条状淤积。

图12为不同泥沙级配下渠道内淤积泥沙粒径分布。在泥沙级配为第一级配时,0.616 5~1.250 mm的泥沙淤积占比沿程减少,在渠道2断面、4断面、6断面上其体积分布占比分别为60.28%、52.25%、32.79%,而0.185~0.329 mm的泥沙占比沿程增加,在2断面、4断面、6断面上体积分布占比分别为8.58%、12.50%、24.56%。由于不同粒径泥沙的沉降特性不同,粒径大的在水流中更容易快速沉积,使得沿程占比持续下降;粒径小的沉降慢,能够被水流携带至更远的断面,所以其淤积占比沿程递增。在泥沙级配为第二级配时,各个断面上四种粒径泥沙的占比较为平稳。因为粒径大的泥沙占比提升,减小了水流的输移能力,使得粒径小的泥沙不能被输移至更远,而大粒径的也受到水流输移能力的影响,各粒径的泥沙只能沿渠道均匀沉积。

2.4 水深对泥沙淤积形态的影响

在渠道进口浓度(4.65±0.3) kg/m³、第一级配(粒径均匀)及流量2.635 m³/s条件下,水深变化时渠道内的水力参数、渠道泥沙淤积整体形态和泥沙淤积高度分别如表6、图13和图14所示。水深为 0.8 m 时,水流流速和挟沙力分别为1.432 m/s和1.278 kg/m³,水流能量集中,紊动强烈,推移质运动占主导,渠道整体泥沙淤积厚度在15 cm左右,淤积形态先呈小幅度波浪状起伏,而后淤积间距增加,最后呈现出稳定的条状分布。2断面、4断面、6断面的泥沙淤积高度有所波动,呈现中间凸起、两侧平缓的趋势,说明受进口水流影响泥沙淤积产生起伏,而后水流趋于稳定,淤积开始平缓。随着水深的增加,渠道内水流流速、挟沙力、紊动强度开始降低,悬移质输沙能力减弱,渠道内泥沙淤积厚度增加,泥沙淤积呈不规则斑块状分布。特别是在水深1.2 m时,水流挟沙力为0.268 kg/m³,减少了对渠底泥沙的冲刷,渠道内泥沙淤积厚度增至35 cm左右,呈现出两边高、中间低的淤积形态,由于水深增加使得流速降低,水流已难以有效推动渠底泥沙,悬移质输送成为主导,而且床面阻力与水流动量分布不均将悬浮泥沙由渠道中心推向两侧,形成规则稳定的淤积形态。

图15为不同水深下渠道内淤积泥沙粒径分布。在水深为0.8 m时,0.078~0.185 mm的泥沙沉降速度极慢,水流紊动强度较高,能持续将其悬浮输移,所以在渠底未产生淤积,故0.078~0.185 mm的泥沙在各典型断面上的淤积体积分布占比为0;而0.329~1.250 mm的泥沙淤积沿程占比先增后减,在渠道2断面、4断面、6断面上其体积分布占比分别为92.43%、98.12%、88.05%,说明该粒径范围的泥沙沉降速度快,难以被水流持续悬浮,容易在渠道底部淤积。随着水深的增大,水流速度以及输沙能力减弱,0.078~0.185 mm的泥沙在4断面、6断面的泥沙粒径分布中显现。在水深为1.2 m时,渠道2断面、4断面、6断面上淤积泥沙中0.078~0.185 mm的泥沙占比增大,分别为0.95%、4.39%、6.02%,而0.329~1.250 mm的泥沙占比减小,分别为85.33%、79.33%、72.8%,说明随着水深的增加,水流速度与紊动强度进一步衰减,各断面水流输沙能力难以使0.078~0.185 mm的泥沙悬浮,因此其在泥沙淤积中的体积分布占比逐步提升,而0.329~1.250 mm的泥沙在2断面已经大量沉降,到达后续断面的泥沙减少,所以泥沙淤积中的体积分布占比逐渐减小。

3 讨论

在不同流量、泥沙浓度、级配及水深条件下,对泥沙淤积高度、淤积形态、淤积泥沙粒径差异的影响。

(1)流量2.635 m³/s时,渠道内水流的输沙能力有限,泥沙淤积厚、形态为斑块状、粒径无明显分选;流量4.392 m³/s时水流能量充足,输沙效率提升,泥沙淤积薄、形态规则(条状)、粒径分选显著。

(2)低浓度(<4.74 kg/m³)时,泥沙颗粒呈离散状态,淤积受单一颗粒沉降规律控制;高浓度(>7.5 kg/m³)时,水流挟沙力呈现超饱和状态,水流携带不了过多泥沙,泥沙开始沉降,泥沙淤积变厚。

(3)第一级配(粒径均匀)时,泥沙淤积薄、形态规则、各断面分布均匀;第二级配(粒径大的占比多)时,沉降速度超过水流输沙能力,使得泥沙淤积厚、形态呈条状、粒径占比平稳。

(4)水深0.8 m时水力能量充足,推移质主导,淤积薄、形态规则、粒径小的无淤积;水深1.2 m时水流能量衰减,悬移质主导,泥沙淤积厚、形态呈现两侧高中间低,且粒径小的淤积占比显著提升。

最易淤积工况,低流量(2.635 m³/s)、高浓度(≥7.5 kg/m³)、第二级配(大粒径占比高,平均粒径0.548 mm)、高水深(1.2 m)。低流量、高浓度和大粒径的组合,浓度升高的同时淤积体的体积也增大,增加了后期的渠道清淤难度。为了避免渠道长时间处于低流量状态,可定期将流量提升至 4.392 m³/s 以上,能够有效冲刷前期淤积;在灌期间隙(如停灌后),优先对易淤区域进行清淤。

最不易淤积工况,高流量(4.392 m³/s)、低浓度(≤4.74 kg/m³)、第一级配(粒径均匀,平均 0.409 mm)、低水深0.8 m。高流量、低浓度时泥沙以悬浮输移为主,泥沙颗粒之间的相互作用弱,泥沙在沉降过程中的沉降差异减少,泥沙的沉降速度更稳定。在支渠渠道内可采取“高流量冲刷”模式,将流量提升至4.392 m³/s,利用强水流冲刷渠道底部及边坡的前期淤积,将泥沙输移至下游末端集中处理;也可以通过干渠闸门来控制进渠浓度,降低渠道淤积。

4 结论

采用模型试验的方法,研究了不同流量、浓度、级配及水深条件下梯形渠道的泥沙淤积特性,揭示了水动力条件与泥沙特性对淤积形态的影响作用,得出如下结论。

(1)流量变化通过改变流速、挟沙力及二次流强度,使得渠道泥沙进行了从均匀沉降到局部冲刷再到复杂淤积的动态演变过程。流量2.635 m³/s时,含沙量(6.58 kg/m³)大于挟沙力(0.567 kg/m³),泥沙淤积厚度大且呈斑块状分布;流量 3.514 m³/s,挟沙力升至1.084 kg/m³,形成不对称侧向淤积体;流量4.392 m³/s,挟沙力达1.789 kg/m³,泥沙以悬移质输移为主,淤积高度低且分布均匀。

(2)浓度升高降低了水流的挟沙能力,增强颗粒间相互作用,推动淤积形态从均匀悬浮输移向局部冲刷变化。浓度为4.74 kg/m³时,含沙量高于挟沙力(1.383 kg/m³),泥沙以悬移质为主,沉降均匀;浓度为5.55 kg/m³时,含沙量与挟沙力差距开始增大,整体形态波动加剧;浓度为7.5 kg/m³时,水流挟沙力相对下降,小粒径泥沙沉降加快、大粒径泥沙输移距离延长,淤积体起伏显著且大粒径占比升高。

(3)泥沙级配通过影响泥沙颗粒的沉降特性与水流对泥沙的输移能力,来改变渠道泥沙淤积高度与形态。第一级配(粒径均匀,平均粒径 0.409 mm)时,挟沙力1.789 kg/m³,渠道内泥沙淤积缓慢均匀,3断面之前呈锥形,后向月牙状转化;第二级配(大粒径多,平均粒径0.548 mm)时,挟沙力降至1.383 kg/m³,渠道内整体泥沙淤积高度增加,不同断面淤积差异大,形态从月牙状变为条状。

(4)水深通过改变水流动力和泥沙输移模式,决定渠道内泥沙淤积形态的复杂性和多样性。水深0.8 m时,淤积呈规则波浪状,平均流速 1.432 m/s,挟沙力1.278 kg/m³,推移质主导;水深1.0 m,淤积为斑块状,平均流速1.054 m/s,挟沙力0.567 kg/m³,泥沙运动在推移质和悬移质之间转换;水深1.2 m,淤积两边高、中间低,平均流速0.813 m/s,挟沙力0.286 kg/m³,悬移质主导,各断面淤积高度降低且更均匀。

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