异重流

异重流

港航0901班 刘宪博 200919040228

一、 异重流定义及相关知识

水利工程中常见的异重流现象有：湖泊、水库及河流、渠道中的浑水异重流；感潮河口段的盐水楔异重流；火电厂取、排水口附近的温差异重流等。 异重流流动的动力是它的有效重力。单位异重流体的有效重力Δγ＝g(ρ′-ρ)。式中ρ′为下层流体密度；为上层流体密度；g 为重力加速度。由于上下层流体密度相差不大，异重流有效重力是较小的，故异重流的流动必须有较大的能坡。以g′表示异重流有效重力加速度，g′=mg·g，mg=(ρ′-ρ)/ρ称为重力修正系数，反映了异重流区别于普通水流的特性。在异重流计算中，若以g′代替g,则明渠水流的许多计算公式都可以应用。由于mg是一个很小的值,故异重流流动中重力作用显著降低,惯性力和阻力作用相对突出，因此异重流又与一般明渠水流运动有许多不同的特点，如较易出现急流流态，能方便地越过障碍物和爬高等。

水库浑水异重流是入库挟沙水流潜入库底形成的。挟沙水流进入水库回水区后，随着水深和过水断面的增大，比降减小，水流流速和挟沙能力迅速降低，大部分粗颗粒泥沙在库尾区域沉积下来，形成三角洲淤积形态。挟带细颗粒泥沙的浑水(粒径小于 0.025mm)在一定条件下在三角洲前坡潜入库底形成异重流，并沿原河槽向坝前运动。如果在异重流到达坝前时能及时打开泄流底孔,就可将异重流排向下游河道,以减少水库泥沙淤积,延长其寿命。据研究，水库异重流形成条

件为。式中v0和H0分别为潜入断面的流速和水深。能使异重流运

动到达坝前的条件是:在持续运动时间内,河流必须保持一定的单宽流量、含沙量和必要的泥沙组成，同时还受库底坡降、阻力大小及潜入点到坝的距离长短等因

素的影响。在恒定状态下，异重流流速为，厚度为。

式中q为异重流单宽流量，λ′为异重流阻力系数；J0为库底坡降。 河渠浑水异重流是由于河渠中的挟沙水流潜入一端与河流连通，另一端呈封闭状态的“盲肠河段”内而产生的。如关闸期间闸前引水渠中的异重流，挡潮闸

下游河段的异重流，低水头水利枢纽引航道内的异重流等。异重流形成后，沿河底向“盲肠河段”内流去，泥沙沿程落淤,分离出来的清水则循相反方向返回河流,形成清浑水分层相向流动。河渠异重流是造成“盲肠河段”泥沙淤积的主要原因，但是这种异重流水深不大，流速较小,若有一定水流流向口门，就能限制异重流的发展,减少泥沙淤积。 二、 异重流在水利工程中的应用

2006年6月25日，黄河小浪底水库表面上看清水荡漾、波澜不惊，水底却浊流翻滚、波涛汹涌，这是黄河在向世人展现它内敛的气质，还是在无声地酝酿......27日，一条巨大的白色水瀑从大坝上端的明流洞中腾空而出，下面二十多米处，两个排沙洞排出两条深黄色水柱，在坝前约50米处，“白龙”与“黄龙”交汇，形成近50米高的黄色水雾，巨龙奔腾向前......据水文部门测量，小浪底含沙量最大达59千克每立方米，第五次调水调沙人工塑造异重流取得成功并顺利排沙出库。

异重流，连续三次塑造成功

2004年，黄河第三次调水调沙，黄委首次提出了利用万家寨、三门峡水库蓄水和河道来水，冲刷小浪底水库淤积三角洲形成人工异重流的技术方案，人工塑造异重流的成功，为小浪底水库多排泥沙、延长拦沙库容的使用寿命找到了一条新的途径。

2005年，黄河第四次调水调沙，黄委首次把调水调沙作为黄河治理开发与管理的常规措施正式转入生产运用。汛前黄河各水库蓄水较丰，但小浪底库区淤积形态对异重流输移不利，最终通过万家寨、三门峡、小浪底水库的水沙联合精细调度，实现了塑造人工异重流并成功排沙出库的既定目标。

2006年，黄河第五次调水调沙，与以往不同的是万家寨水库可调水量较少，塑造异重流动力条件弱，这次调水调沙面临着探索小流量高含沙水流在小浪底水库形成异重流并排沙出库的难题。经过精细调度，人工塑造异重流又一次成功出库。

可以说，在这连续三年的调水调沙中，人工塑造异重流的来水条件及库区边界条件各不相同，但是，睿智、果敢的黄河人向世人展示了人工塑造异重流的独特魅力，吸引了中央电视台、人民日报、新华网、央视国际、南方周末、大河报等各路媒体的强烈关注，产生了良好的经济和社会效益。 异重流，为水库瘦身

从某种角度讲，我们可以把异重流的作用简单概括成为水库减淤，小浪底水库的一个重要作用就是减少下游河道淤积，而一定的库容是水库发挥效益的保证，所以，异重流也在为下游河道减淤作贡献。

在小浪底拦沙初期，进入水库的泥沙惟有形成异重流方能排泄出库，而在非洪水期，要实现排沙出库的目标，只有通过人工塑造异重流。众所周知，粗泥沙是下游河道淤积抬高的主要原因，细泥沙进入下游河道，即使部分暂不能随洪水输送至大海，也会被后续水流挟带入海，人工塑造异重流，排泄的正是这部分不会对下游河道造成危害的细泥沙。为此，黄河水利科学研究院异重流项目组多年致力于小浪底水库异重流排沙方式的研究，为制定人工塑造异重流方案作了大量工作，他们的研究源于何时呢？ 异重流，在模型试验中研究探索

关于异重流的研究，由来已久，早在19世纪末期，瑞士的一些科学家就发现了异重流现象，但对小浪底水库异重流来说，全面系统的研究当属1997年开展的《小浪底水库拦沙初期运用研究》课题，黄科院承担了该课题的模型试验部分。

利用模型试验研究科研生产课题，最为关键的是模型与原型的相似问题。水库拦沙初期，异重流是主要的排沙方式，针对多沙河流水库异重流相似率问题，小浪底库区模型试验项目组进行了专题研究。他们以非恒定异重流运动方程式开展相似分析，并通过三门峡水库泥沙模型试验检验，提出了异重流发生相似条件、异重流挟沙相似条件及异重流连续相似条件，克服了前人在同类试验中，不能保证模型异重流运动相似及水流连续相似的缺陷，这一成果为成功地开展小浪底水

库等多沙河流水库模型试验奠定了基础，也使多沙水库模型相似律的理论更趋于合理化和规范化。

在此基础上，他们制作了小浪底水库模型，并开展一系列的试验。在小浪底水库还没有下闸蓄水时，他们已经在模型上完整地观测到了异重流产生、输移、排沙过程，并以模型试验观测资料为基础进行了小浪底水库异重流排沙规律研究，为数学模型提供了重要的物理图形及参数。

小浪底水库正式投入运用，库区多次发生异重流，水科院利用水库实测数据，在模型上复演了2001年、2002年异重流排沙出库的整个过程。模型试验既对模型进行了验证，也弥补了原型实测资料不足的缺陷，更重要的是，他们对异重流的认识进一步深化，随后的几年中，他们始终没有停息探索水库异重流的脚步。 异重流，调水调沙中的亮点

2004年，黄河第三次调水调沙，将人工塑造异重流作为调水调沙试验的目标之一，有人把它称为调水调沙中的亮点和技术难点。虽然异重流是多沙河流水库中非常常见的一种排沙现象，但这仅限于天然洪水，人工塑造异重流从未实践过。在非汛期，利用有限的水量冲刷水库淤积泥沙而满足异重流排沙出库却绝非易事，找到异重流产生并可排沙出库的临界条件就显得尤为关键。

黄科院通过对小浪底水库异重流实测资料整理、二次加工及分析，水槽试验及实体模型相关试验成果，结合对前人提出的计算公式的验证，提出了异重流潜入条件及潜入位置、异重流持续条件及排沙能力。这次实践，为异重流的研究积累了宝贵的经验，也为今后异重流塑造提供了可供借鉴的模式。

让我们把目光转向刚刚过去的2006年调水调沙，实施之前，黄科院在依据设计的来水来沙条件及实测的水库边界条件编制了周密的异重流塑造预案。然而在调水调沙拉开了序幕，并有条不紊的实施过程中，却遇到了“万家寨水库蓄水有限，不能按实施方案调水”的状况，这就意味着塑造异重流没有足够的后续动力。在有人想放弃塑造异重流的时候，黄科院的科研人员却异常的平静，逐渐成熟的理论、日益丰富的经验、精心细致的分析让他们自信，他们提出小浪底库区

具有淤积三角洲顶坡段淤积物较细、异重流潜入点距坝较近、淤积三角洲前坡段及坝前段坡降大等有利条件，即使万家寨水库仅提供少量的水量，异重流塑造仍可望成功。根据他们提供的研究数据，黄委党组果断做出塑造人工异重流的决定。

显然，原来的异重流塑造方案要修改，时间紧迫，黄科院的科研人员没有给自己留下喘息的时间，当他们提出修改后的调度方案时，天已放亮，他们又度过了一个不眠之夜。他们制定的方案付诸实施：三门峡下泄大流量级的清水，在小浪底库区上段沿途不断冲起并挟带大量泥沙，在距坝40余公里处潜入向前运动；三门峡水库水位下降至300米左右时，接踵而来的万家寨约800立方米每秒的流量过程在库区产生敞泄冲刷，产生的小流量级高含沙水流与前期大流量级水流衔接，组合成一次完整的水沙过程；在约定的时间异重流由排沙洞涌出??。这次塑造异重流，万家寨水库仅补水不足0.4亿立方米。

异重流为水利工程中的种种难题提供了跟好的解决措施，然而人类对于异重流的研究仍在继续中，相信不就得将来们会见到异重流为水利工程提供解决新难题惊举。

参考文献：《异重流》，水利出版社，北京，1958。

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