小浪底樞紐進(jìn)水塔前允許淤沙高程值研究

張 欣，王二平，盧坤銘

(華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院,河南 鄭州 450011)

小浪底樞紐進(jìn)水塔前允許淤沙高程值研究

張 欣，王二平，盧坤銘

(華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院,河南 鄭州 450011)

小浪底樞紐進(jìn)水塔前泥沙淤堵會影響工程效益發(fā)揮,甚至影響樞紐安全運(yùn)行，當(dāng)塔前淤沙高程超過允許淤沙高程值時，打開泄水孔洞，會出現(xiàn)孔洞不出流或短時間不出流的現(xiàn)象。采用正態(tài)動床模型試驗(yàn)，通過對不同淤沙高程值方案進(jìn)行研究，分析不同方案達(dá)到淤積高程的時間，達(dá)到淤積高程開啟底孔后出流情況、淤堵時間，得出小浪底水利樞紐運(yùn)用后期，泄水建筑物底孔前允許淤沙高程值仍可采用187.0 m的結(jié)論。

小浪底;泥沙淤堵;泄水孔洞;允許淤沙高程;正態(tài)模型

小浪底水利樞紐地處黃河中游最后一個峽谷段的出口，控制流域面積69.4萬km2，占黃河流域總面積的92.3%，控制了約90%的黃河徑流和幾乎全部的泥沙，在黃河綜合治理開發(fā)中具有十分重要的戰(zhàn)略地位。為滿足工程開發(fā)任務(wù)需要，樞紐共設(shè)置了16條輸水孔洞，安排了47個不同高程的進(jìn)水口控制進(jìn)水。16條泄水孔洞的進(jìn)口大致分為3層，下層為進(jìn)水口底坎高程最低的3條孔板洞和3條排沙洞共24個進(jìn)水口，底坎高程均為175.0 m；上層為3條明流泄洪洞和1條引水灌溉洞共5個進(jìn)水口，明流洞進(jìn)口高程分別為195.0 m、209.0 m、225.0 m，灌溉洞進(jìn)水口高程為223.0 m；中層為6條發(fā)電引水洞共18個進(jìn)水口，高程分別為190.0 m(5#、6#)和195.0 m(1#～4#)。即底層有排沙排污口，上層有排漂口，中層有取水發(fā)電引水口，各個進(jìn)水口相互保護(hù)，為發(fā)電引水口防沙防污創(chuàng)造了較好的條件。

黃河來水含沙量高，來沙量大，自1999年小浪底水利樞紐投入運(yùn)用至2014年4月，庫區(qū)共淤積泥沙30.15億m3，三角洲頂點(diǎn)高程達(dá)214.62 m，距壩里程11.42 km，壩前1.32 km處淤沙高程由137.50 m抬高至185.12 m，淤積抬升了47.62 m，高于最低進(jìn)水口底板高程10.12 m[1]。小浪底樞紐泥沙淤堵如此嚴(yán)重，當(dāng)塔前淤沙高程超過允許淤沙高程值時，打開泄水孔洞，會出現(xiàn)孔洞不出流或短時間不出流的現(xiàn)象。因此，確定泄水孔洞前允許淤沙高程值至關(guān)重要。

1 試驗(yàn)任務(wù)

建立小浪底水庫壩區(qū)實(shí)體模型，開展底孔前不同淤沙高程值的渾水動床模型試驗(yàn)，通過對不同方案試驗(yàn)結(jié)果的分析，研究不同方案達(dá)到淤積高程的時間，達(dá)到淤積高程開啟底孔后出流情況、淤堵時間，復(fù)核并確定進(jìn)水塔泄水孔洞前允許淤沙高程值。

2 模型概況

本試驗(yàn)研究河段為壩區(qū)4.5 km范圍內(nèi)，上起大峪河口，下至小浪底大壩。根據(jù)試驗(yàn)要求及場地條件選定模型水平比尺和垂直比尺均為100。模型設(shè)計遵循水流重力相似[2]、阻力相似、泥沙懸移相似、河床變形相似等相似率，經(jīng)過驗(yàn)證試驗(yàn)[3]確定的含沙量比尺和河床變形時間比尺分別為2.0和13.7。依據(jù)黃河水利科學(xué)研究院[4]、南京水利科學(xué)研究院[5]和中國水利水電科學(xué)研究院[6]關(guān)于小浪底動床模型試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，選取容重為1300 kg/m3的樹脂離子顆粒作為模型沙。模型平面布置及典型實(shí)測大斷面如圖1所示。

圖1 模型平面布置與典型實(shí)測大斷面的關(guān)系

3 試驗(yàn)方案

根據(jù)《小浪底水利樞紐攔沙后期(第一階段)運(yùn)用調(diào)度規(guī)程》[7]，當(dāng)實(shí)測塔前泥沙淤積面高程達(dá)到183.5 m時，應(yīng)小開度短歷時開啟排沙洞工作閘門，檢查其進(jìn)口流道是否暢通，以后可按0.5 m一級逐步抬高塔前允許淤積面高程，最終許可值不得大于187.0 m；當(dāng)塔前淤積面高于187.0 m時，將影響閘門啟閉。

因此，試驗(yàn)設(shè)計方案為：以底孔前允許淤沙高程值187.0 m為上限進(jìn)行試驗(yàn)，選擇183.5 m、187.0 m進(jìn)行比較。

3.1 設(shè)計水沙條件

為了使泄水孔洞前淤積面盡快淤積抬升，將上游來流的流量設(shè)計為滿足6臺機(jī)組滿發(fā)的流量1800 m3/s(單個發(fā)電洞引水流量300 m3/s)，而相應(yīng)的含沙量條件根據(jù)1987年以來入庫實(shí)測汛期7—9月流量為1500～2000 m3/s時的平均含沙量選取，為75 kg/m3。

3.2 壩前水位與河床邊界條件

壩前水位較低時，水深較小，泥沙更容易運(yùn)行到壩前，壩前泥沙淤積相對較快，壩區(qū)沿程泥沙淤積更趨均勻，同一位置斷面流速較大，因此，壩前水位選取210.0 m。

河床地形采用2014年汛前地形。

3.3 孔洞運(yùn)用方案

泄水孔洞運(yùn)用方案為：關(guān)閉泄水排沙孔洞，按設(shè)計的水沙條件施放一定時間，當(dāng)?shù)卓浊坝俜e面分別淤升至183.5 m或187.0 m高程時，開啟排沙洞，檢查底孔是否淤堵、觀測孔洞通水情況。

3號排沙洞附近受風(fēng)雨溝回流淤積影響，排沙洞前落淤比較嚴(yán)重；當(dāng)打開排沙洞排沙時，應(yīng)先打開3號排沙洞開始排沙，然后依次打開2號排沙洞和1號排沙洞進(jìn)行排沙。

4 不同方案試驗(yàn)

由于3號排沙洞附近淤堵比較嚴(yán)重，試驗(yàn)過程中重點(diǎn)對其過流和拉沙情況進(jìn)行測量。

4.1 淤沙高程183.5 m方案

4.1.1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)開始時來水全部通過發(fā)電引水洞，關(guān)閉其它泄水孔洞。當(dāng)?shù)卓浊坝俜e面淤升至183.5 m時，按小開度(e=1.68 m，相對開度e/h= 0.27)短歷時開啟3號排沙洞工作閘門，觀測底孔通水、排沙情況。

當(dāng)3號排沙洞出流流量及含沙量基本穩(wěn)定后，關(guān)閉3號排沙洞；然后在接下來的試驗(yàn)中按次序先后小開度開啟和關(guān)閉2號排沙洞(e=0.26 m，相對開度e/h=0.04)、1號排沙洞(e=1.51 m，相對開度e/h=0.24)，觀察拉沙過程，情形與3號排沙洞類似。

4.1.2 試驗(yàn)成果

試驗(yàn)過程中攝錄采集了3號排沙洞泄流拉沙的出口流量過程和含沙量過程，結(jié)果如圖2、圖3所示。

由圖2和圖3可知，在工作閘門開啟后，滯后較短時間后很快就有泄流，初始流量、含沙量均不高，但很快就出現(xiàn)控泄流量最大值332.8 m3/s，接著便出現(xiàn)高含沙泥流、含沙量最大值387.1 kg/m3；在控制排沙洞泄流量的條件下，經(jīng)過一段時間，含沙量逐漸降低，趨于穩(wěn)定。

圖2 3號排沙洞流量過程線

圖3 3號排沙洞含沙量過程線

根據(jù)放水后的地形測量，得到進(jìn)水塔前在淤沙高程達(dá)到183.5 m后，試驗(yàn)前后進(jìn)水塔前縱剖面的變化，如圖4所示。從圖4中可以看出，進(jìn)水塔上游有大范圍沖刷漏斗，進(jìn)水塔前高程一般在177.5～178.5 m；上游500 m范圍內(nèi)高程一般在181.0～183.0 m。

試驗(yàn)前后進(jìn)水塔前6 m(斷面1)的地形的前后變化對比如圖5所示。從圖5也可以看出，各排沙洞前均有沖刷，沖刷后的床面高程一般在177.0～180.0 m之間。

綜上，允許淤沙高程值183.5 m試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)水塔前淤積面高程達(dá)183.5 m時，排沙洞集中泄流拉沙是起作用的。進(jìn)水塔前的淤積高程達(dá)到183.5 m，且靜止7 d后,當(dāng)排沙洞開啟閘門泄流拉沙時，淤沙沒有淤堵閘門，仍能泄流拉沙。

圖4 進(jìn)水塔前試驗(yàn)前后縱坡變化

圖5 進(jìn)水塔前6 m(斷面1)試驗(yàn)前后地形對比

4.2 淤沙高程187.0 m短歷時拉沙方案

4.2.1 試驗(yàn)過程

淤沙高程183.5 m方案試驗(yàn)結(jié)束后，按設(shè)計水沙條件施放水流約5～6 d，底孔前淤積面淤升至187.0 m。靜置7 d后，開展短歷時拉沙試驗(yàn)。

試驗(yàn)開始，來水全部通過發(fā)電引水洞，關(guān)閉其它泄水孔洞。當(dāng)?shù)卓浊坝俜e面淤升至187.0 m時，首先開啟3號排沙洞，觀測底孔淤堵或通水泄流、排沙情況；當(dāng)排沙洞出流穩(wěn)定后，關(guān)閉3號排沙洞。然后依次對2號、1號排沙洞進(jìn)行上述試驗(yàn)。

4.2.2 試驗(yàn)成果

試驗(yàn)過程中，由于3號排沙洞附近受風(fēng)雨溝回流影響淤堵比較嚴(yán)重，重點(diǎn)對3號排沙洞的出流過程與含沙量過程進(jìn)行了觀測，其過程線如圖6、圖7所示。3號排沙洞開啟后，經(jīng)短暫滯流，渾水從排沙洞排出，且迅速達(dá)到最大含沙量860 kg/m3，約80 min后孔口前基本形成沖刷漏斗，泄流含沙量穩(wěn)定在10 kg/m3左右。

為了分析各個排沙洞的泄流拉沙后進(jìn)水塔前河床變形的分布特征，將試驗(yàn)過程中實(shí)測地形數(shù)據(jù)與初始河床地形套繪成如圖8和圖9所示的河床縱剖面與橫剖面變化圖。從圖8中可以看出，進(jìn)水塔上游有沖刷漏斗，淤積面高程一般都在178.0～180.0 m。從進(jìn)水塔前6 m(斷面1)試驗(yàn)前后的地形也可以看出，各個排沙洞前均有沖刷，沖刷后的河床淤積面高程一般在178.0～180.0 m之間。由試驗(yàn)前后進(jìn)水塔群前的河床縱剖面變化可以看出，試驗(yàn)后進(jìn)水塔前210.0 m范圍內(nèi)沖刷，局部沖刷可達(dá)10.0 m。

綜上，允許淤沙高程值187.0 m短歷時拉沙試驗(yàn)，進(jìn)水塔前淤沙高程達(dá)到187.0 m后開啟排沙洞集中泄流拉沙是起作用的。進(jìn)水塔前淤沙高程達(dá)到187.0 m，并靜置7 d后，開啟排沙洞閘門泄流拉沙，排沙洞沒有淤堵。

圖6 3號排沙洞流量過程線

圖7 3號排沙洞含沙量過程線

圖8 進(jìn)水塔前試驗(yàn)前后河床縱剖面變化

圖9 進(jìn)水塔前6 m(斷面1)試驗(yàn)前后河床地形對比

4.3 淤沙高程187.0 m持續(xù)拉沙方案

4.3.1 試驗(yàn)過程

持續(xù)拉沙試驗(yàn)過程為，3號排沙洞開閘拉沙達(dá)到穩(wěn)定后，流量降低為200 m3/s后穩(wěn)定泄流，持續(xù)拉沙；同時發(fā)電引水洞相應(yīng)減少流量200 m3/s，維持壩區(qū)河道進(jìn)出流平衡。然后下一排沙洞依次進(jìn)行相同程序的試驗(yàn)，三個排沙洞全部開啟拉沙、穩(wěn)定泄流后，各泄流200 m3/s，發(fā)電洞則相應(yīng)減少流量600 m3/s，穩(wěn)定后又持續(xù)沖刷84 h后結(jié)束試驗(yàn)。

4.3.2 試驗(yàn)成果

試驗(yàn)過程中，3號排沙洞流量和含沙量過程線見圖10、圖11。3號排沙洞開啟后，渾水從排沙洞口排出，之后達(dá)到最大含沙量630 kg/m3。

對持續(xù)拉沙試驗(yàn)前后進(jìn)水塔前的地形進(jìn)行了測量，縱剖面變化圖如圖12所示。由圖12可以看出，試驗(yàn)后塔前250.0 m的范圍內(nèi)為沖刷狀態(tài)，局部沖刷可達(dá)10.0 m。塔前10.0 m處，河底坡度最陡，塔前局部沖刷可至177.8 m。塔前10.0～110.0 m坡度稍緩。

與短歷時拉沙試驗(yàn)相比，持續(xù)拉沙試驗(yàn)沖刷范圍增大很多，進(jìn)水塔前淤積的泥沙被基本沖刷干凈，排沙洞集中泄流、持續(xù)拉沙的作用比短歷時拉沙的沖刷效果好。

圖10 3號排沙洞流量過程線

圖11 3號排沙洞含沙量過程線

圖12 小開度持續(xù)拉沙方案進(jìn)水塔前試驗(yàn)前后縱坡變化

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)小浪底壩區(qū)實(shí)體模型試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)進(jìn)水塔前淤積面高程達(dá)183.5 m或187.0 m時，開啟排沙洞泄流拉沙均有效，泄水孔洞前均沒有淤堵，排沙洞集中泄流拉沙是起作用的。

(2)根據(jù)實(shí)體模型試驗(yàn)結(jié)果，排沙洞集中泄流、持續(xù)拉沙比短歷時拉沙的沖刷效果好。3號排沙洞附近受風(fēng)雨溝回流淤積影響，排沙洞前淤積相對比較嚴(yán)重，應(yīng)先從3號排沙洞開始排沙，然后依次是2號排沙洞與1號排沙洞排沙，達(dá)到的拉沙效果比較好。

(3)壩前水位210.0 m時，進(jìn)水塔前淤沙高程達(dá)到183.5 m或187.0 m時，開啟3號排沙洞后，經(jīng)短暫滯后，泥流便可以從排沙洞口排出，且迅速達(dá)到最大含沙量，然后逐漸減小趨穩(wěn)。

(4)當(dāng)進(jìn)水塔前淤積面高程達(dá)183.5 m或187.0 m時，開啟排沙洞泄流拉沙均有效，泄水孔洞前均沒有淤堵。根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備安全運(yùn)行條件，泄水孔洞前淤沙高程超過187.0 m時，閘門啟閉將受影響。因此，經(jīng)復(fù)核研究，小浪底水利樞紐泄水建筑物底孔前允許淤沙高程值仍可采用187.0 m。

[1] 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司.小浪底水利樞紐進(jìn)水塔群前防淤堵研究報告[R].鄭州：黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，2015.

[2] 張俊華，王嚴(yán)平.挾沙水流指數(shù)流速分布規(guī)律[J].泥沙研究，1998(4)：73-78.

[3] 孫東坡，郭選英，張羽，等.小浪底水利樞紐進(jìn)水塔群前防淤堵動床渾水實(shí)體模型研發(fā)試驗(yàn)報告[R].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2015.

[4] 林秀山.黃河小浪底水利樞紐文集[M].鄭州：黃河水利出版社，1997.

[5] 竇國仁，王國兵，王向明，等.黃河小浪底工程泥沙問題的研究[J].水利水運(yùn)科學(xué)研究，1995(3):197-209.

[6] 曾慶華，周文浩，陳建國，等.黃河小浪底樞紐泥沙問題的試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報，1995(8):53-59.

[7] 王慶明，安催花，林秀山，等.小浪底水利樞紐攔沙后期(第一階段)運(yùn)用調(diào)度規(guī)程[R].鄭州：黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，2009.

Experimental research on allowable silt elevation values before intake tower in the Xiaolangdi hub

ZHANG Xin, WANG Erping,LU Kunming

(SchoolofWaterConservaney,NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450011,China)

The silt clogging before the intake tower in Xiaolangdi could affect the effectiveness and even affect the safe operation of the hub. When the silt exceeded the allowable height of the elevation values, no flow or no flow in short time could occur with the drainage hole opened. In this paper, we use the model test of normal muddy water mobile bed. Basing on the different research programs of the elevation values，we analyzed the time when the silt achieve the siltation elevation and the stream of the bottom outlet when the silt achieve the allowable height and the clogging time by each program. It could be concluded that the discharge structure's allowable elevation values of Xiaolangdi could be determined as 187m in the later stage.

Xiaolangdi；silt clogging；drainage holes；allowing silt elevation；normal model

國家自然科學(xué)基金(51579103)

張 欣(1989-)，男，碩士研究生，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)方面的研究。E-mail：1397790132@qq.com

王二平(1960-)，男，教授，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)教學(xué)與研究。E-mail：wangerping@ncwu.com

TV145

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2096-0506(2015)06-0005-06