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黄河粗沙较多,有多处河道淤积,而黄河重要的水利工程三门峡水库也存在淤积问题。这不仅影响到水库效益的发挥,还影响到潼关高程的升降。单纯依靠水库调水调沙解决河道、水库自身淤积问题已经不能够满足要求,即使三门峡水库全年泄空敞泄的运用方式,也不可能将潼关高程降低到建库前的天然水平,故需要辅以其他工程措施来解决。本文针对这一问题,提出了在河道或水库铺设自排沙廊道排沙来降低潼关高程,解除渭洛河下游洪涝灾害根源。分别通过资料分析,实验研究,数值模拟等方法对利用自排沙廊道降低潼关高程的方案进行了研究,着重进行了自排沙廊道排沙效果的数值模拟,并对其结构进行优化。研究的主要内容及得到的成果如下:
(1)通过分析黄河水文资料发现,低温期来的泥沙和从河床中冲起的泥沙大部分为粗泥沙,这是龙门、潼关两站低温期悬沙d50大于高温期的主要原因。另外统计了1950~1953年潼关陕县河段冲淤量资料,可以看出三年中有4个月淤积,其余32个月为冲刷,年冲刷量0.56~1.50亿吨,表明潼关至三门峡河段的下段为冲刷性河段,上段则为冲淤相对平衡又是微淤的河段。上述结果说明,低温期更利于排沙。
(2)在实验室进行了高含沙水流静态剪切应力的测量,目的在于研究最利于排沙的廊道布设比降,由实验结果可以发现以下规律:随着停留时间的增加,静剪力也在逐渐增加;随着样品含沙量的增加,静剪力有缓慢增加的趋势;而样品的泥沙粒径级配越小,静剪力却随之增大,说明泥沙颗粒越细,静态剪切应力越大。
(3)使用ANSYS软件对自排沙廊道三维水流进行数值模拟,以研究自排沙廊道的排沙效果。分别设计了三种不同的排沙孔偏转角及三种不同的排沙孔偏心距,对廊道内的水流结构进行模拟。结果显示当排沙孔贴边壁且偏转角为30°时,水流在廊道内部形成了较好的螺旋流,螺旋化程度较高,螺旋的周期相对较长,这种水流结构排沙效果最好。