無(wú)壩引水樞紐工程閘前泥沙淤積特性實(shí)驗(yàn)研究

國(guó)志鵬

（撫順市江河流域管理局，遼寧撫順113006）

無(wú)壩引水樞紐工程閘前泥沙淤積特性實(shí)驗(yàn)研究

國(guó)志鵬

（撫順市江河流域管理局，遼寧撫順113006）

渠首工程設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水閘前出現(xiàn)泥沙淤積現(xiàn)象，嚴(yán)重影響水利工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。為了提出合理的改造方案，文章設(shè)計(jì)了河工物理模型試驗(yàn)。以無(wú)壩引水樞紐為研究對(duì)象，研究了河道水流水力特性及泥沙淤積。研究表明：水流輸沙率與流速成正比，當(dāng)流速增加時(shí)，輸沙率也隨之增加，輸沙能力增強(qiáng)；山區(qū)型河道泥沙較多，應(yīng)特別注意防止閘前泥沙淤積。

水利工程；發(fā)電站；無(wú)壩引水樞紐工程；泥沙淤積

無(wú)壩引水樞紐工程是渠首引水樞紐工程的一種，它無(wú)需借助壩體來(lái)提升河流枯水期水位［1］?？梢姡@種水利樞紐對(duì)河流流量本身充足性有較高要求。因此，這種在水力發(fā)電、水利灌溉工程中的運(yùn)用范圍較窄［2］。然而，其設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中，能夠有效降低引水比，以保持河道暢通。在工程預(yù)算低且工程服務(wù)區(qū)域較小的引水樞紐工程中，無(wú)壩引水樞紐工程也有較為顯著的適用性［3］。

在無(wú)壩引水樞紐工程運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)面臨閘前泥沙淤積問(wèn)題，如果不能進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和控制，可能會(huì)影響引水工程作用的順利發(fā)揮。楊紀(jì)偉［1］通過(guò)水工模型試驗(yàn)對(duì)閘前泥沙淤積的變化趨勢(shì)進(jìn)行正態(tài)模擬，并對(duì)其不同位置、不同時(shí)間、不同水流特性情況下的高程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析［1］。李曉慶［4］通過(guò)水工物理模型對(duì)河水流量、流速和水面線等對(duì)泥沙淤積特征的影響進(jìn)行分析，并運(yùn)用Surfer軟件進(jìn)行仿真模擬［4］。其他學(xué)者在對(duì)也對(duì)無(wú)壩引水樞紐工程的閘前泥沙淤積進(jìn)行豐富的定量研究，對(duì)該類工程的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行方案提出諸多改良方案［5-7］。

山區(qū)型河道在中國(guó)十分常見，且極易攜帶大量泥沙。因而在規(guī)劃、設(shè)計(jì)無(wú)壩引水樞紐工程時(shí)，需要對(duì)備選場(chǎng)地泥沙特性進(jìn)行研究，從而提升設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性［8］。本研究將以渾南區(qū)蓄水防洪工程為對(duì)象，通過(guò)構(gòu)建河工模型對(duì)其閘前泥沙淤積特性進(jìn)行測(cè)量和仿真模擬。

1 工程水文泥沙情況

本研究選取渾南區(qū)蓄水防洪工程為研究對(duì)象。經(jīng)過(guò)綜合考慮，在規(guī)劃時(shí)決定采用無(wú)壩引水樞紐工程對(duì)河水進(jìn)行小范圍調(diào)配。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先需要對(duì)該工程所在河流的水文概況、泥沙概況進(jìn)行分析。

1.1 流域水文概況

工程所在地處于溫帶季風(fēng)氣候，夏秋多雨，冬春少雨，流量季節(jié)變化顯著。該河流徑流主要集中于6～9月，超過(guò)全年流量的70%，見表1。在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)不同設(shè)計(jì)頻率下的月徑流量進(jìn)行分配。從表1可知，在各個(gè)設(shè)計(jì)頻率下，8月份的徑流水平最高。

表1 防洪工程選址徑流年內(nèi)分配表單位：m3/s

1.2 流域泥沙概況

工程引水量與流量直接相關(guān)，而后者會(huì)受到河流泥沙量影響。因此，需要對(duì)該水電站所處河流的泥沙概況進(jìn)行分析。根據(jù)距水電站最近水文站的監(jiān)測(cè)，河流含沙量年均水平為0.058kg/m3，其它水沙配比數(shù)據(jù)見表2。結(jié)合表1、表2可知，輸沙率、泥沙密度、沙量的月分布規(guī)律一致，且最大沙量月份為7月，與該河流徑流月份分配一致。

表2 該水文站全年水沙配比表

2 河工模型設(shè)計(jì)

2.1 模型試驗(yàn)原理

在進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)，需要依據(jù)相似原理做好慣性重力、阻力重力、輸沙平衡指數(shù)等指標(biāo)的計(jì)算。慣性重力是客觀存在的，在部分情況下可能對(duì)模型精度造成較大干擾。在計(jì)算該指標(biāo)時(shí)，須滿足如下相似條件：

阻力影響作用不可忽視，它可能影響模型偏離程度。在計(jì)算該指標(biāo)時(shí)，須滿足如下相似條件：

在充分考慮推移質(zhì)泥沙形態(tài)、河道紊流情況時(shí)，泥沙運(yùn)動(dòng)須滿足如下流態(tài)相似條件：

在不同泥沙形態(tài)下，河流形狀對(duì)輸沙運(yùn)動(dòng)有著重

要決定作用。因此，輸沙平衡須滿足如下相似條件：當(dāng)泥沙為懸移質(zhì)形態(tài)時(shí)：

當(dāng)泥沙為推移質(zhì)形態(tài)時(shí)：

河道徑流須滿足如下連續(xù)條件：

本研究中，水電站所在河道為典型山區(qū)河流，在計(jì)算其泥沙起動(dòng)流速時(shí)，可按如下公式進(jìn)行：

式中，uc表示起動(dòng)流速，m/s；η表示無(wú)量綱系數(shù)；M為調(diào)整指數(shù)；ρ表示水的密度，kg/m；ρs表示沉積物的密度，kg/m；d表示沙粒徑，mm；H表示水深，m。

水電站所在河道泥沙含量平衡方程式為：

由式（8）可推導(dǎo)出河型變化時(shí)間比尺，其表達(dá)式如下：

2.2 模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)，按照與工程實(shí)體1∶2000的比例設(shè)計(jì)制作。在制作河工試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)，按照1∶30的比尺進(jìn)行長(zhǎng)度控制。同時(shí)，將流速比尺、流量比尺和糙率比尺分別設(shè)計(jì)為1∶5.48、1∶4930以及1∶1.76。另外，根據(jù)含沙量分別確定河工模型中沙粒徑級(jí)配，對(duì)應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 沙粒徑級(jí)配表

3 結(jié)果及分析

3.1 50年一遇洪水

當(dāng)洪水等級(jí)設(shè)定為50年一遇時(shí)，放水試驗(yàn)分別選取了以下7個(gè)洪峰時(shí)段的流量水平：52.943L/s、72.886L/s、91.784L/s、114.539L/s、81.395L/s、59.294L/s、42.507L/s。試驗(yàn)結(jié)果為：防水試驗(yàn)結(jié)束后，閘前有大量泥沙淤積，在阻礙水流的同時(shí)也影響引水作業(yè)順利進(jìn)行。

通過(guò)Surfer軟件，對(duì)進(jìn)水閘前泥沙淤積厚度進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖1所示。從圖1可知，閘口前淤積厚度超過(guò)2.8cm，嚴(yán)重阻礙明渠引水功能發(fā)揮。

圖1 50年一遇設(shè)定下進(jìn)水口處淤積厚度圖（cm）

為對(duì)渠道引水變化進(jìn)行分析，對(duì)不同工況下的總流量、各個(gè)分水明渠進(jìn)水流量進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見表5?？梢?，在洪峰快消退時(shí)，工況1、工況2下分水明渠進(jìn)水流量都變得十分小，不能夠支持引水工程正常運(yùn)行。

表5 50年一遇下分水渠進(jìn)水情況

3.2 100年一遇洪水

當(dāng)洪水等級(jí)設(shè)定為100年一遇時(shí)，放水試驗(yàn)分別選取了以下7個(gè)洪峰時(shí)段的流量水平：58.943L/s、81.886L/s、113.784L/s、139.539L/s、97.395L/s、65.294L/s、46.507L/s。試驗(yàn)結(jié)果為：防水試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)水口均有大量泥沙淤積，在阻礙水流的同時(shí)也影響引水作業(yè)順利進(jìn)行。通過(guò)Surfer軟件，對(duì)進(jìn)水閘前泥沙淤積厚度進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，進(jìn)水口多數(shù)區(qū)域淤積厚度超過(guò)2.8cm，其它部分也在2.4cm以上；在嚴(yán)重阻礙明渠引水功能發(fā)揮的同時(shí)，導(dǎo)致引水功能暫停。

圖2 100年一遇進(jìn)水口處淤積厚度圖（cm）

如表6所示，此時(shí)渠道引水能力發(fā)生顯著變化。在最后1個(gè)洪峰流量時(shí)，工況1、工況2下分水明渠均已堵塞，致使發(fā)電工作完全癱瘓。

表6 100年一遇來(lái)水流量下分水渠進(jìn)水情況表

3.3 200年一遇洪水

當(dāng)洪水等級(jí)設(shè)定為200年一遇時(shí)，放水試驗(yàn)分別選取了以下7個(gè)洪峰時(shí)段的流量水平：61.943L/s、85.886L/s、126.784L/s、154.539L/s、106.395L/s、69.294L/s、49.507L/s。試驗(yàn)結(jié)果為：防水試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)水口均有大量泥沙淤積，呈梭形分布；在阻礙水流的同時(shí)也影響引水作業(yè)的順利進(jìn)行。通過(guò)Surfer軟件，對(duì)進(jìn)水閘前泥沙淤積厚度進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，進(jìn)水口右側(cè)多數(shù)區(qū)域淤積厚度超過(guò)3.6cm，左側(cè)多數(shù)區(qū)域超過(guò)2.6cm；兩大淤積體之間出現(xiàn)了新的引水通道。洪峰結(jié)束后，出現(xiàn)比100年一遇更大淤積厚度，更嚴(yán)重地阻礙明渠引水功能發(fā)揮。如表7所示，渠道引水變化十分顯著。在最后1個(gè)洪峰流量時(shí)，工況1、工況2下的分水明渠均已堵塞，致使引水工作完全癱瘓。

圖3 200年一遇進(jìn)水口處淤積厚度分布圖（cm）

表7 200年一遇來(lái)水流量下分水渠進(jìn)水情況表

4 結(jié)語(yǔ)

在構(gòu)建無(wú)壩引水樞紐河工模型后，分別對(duì)50年一遇、100年一遇和200年一遇洪水下的閘前泥沙淤積特性進(jìn)行仿真和測(cè)量，得出以下幾個(gè)基本結(jié)論：

（1）50年一遇洪水時(shí)，防水試驗(yàn)結(jié)束后，閘前有大量泥沙淤積，淤積厚度超過(guò)2.8cm；洪峰快消退時(shí)，工況1、工況2的分水明渠進(jìn)水流量都變得十分小，不能夠支持引水工程正常運(yùn)行。

（2）100年一遇洪水時(shí)，防水試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)水口均有大量泥沙淤積，多數(shù)區(qū)域淤積厚度超過(guò)2.8cm，其它部分也在2.4cm以上；在最后1個(gè)洪峰流量時(shí)，工況1、工況2下的分水明渠均已堵塞，致使引水工作完全癱瘓。

（3）200年一遇洪水時(shí)，防水試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)水口均有大量泥沙淤積，呈梭形分布；右側(cè)多數(shù)區(qū)域淤積厚度超過(guò)3.6cm，左側(cè)多數(shù)區(qū)域超過(guò)2.6cm；兩大淤積體中間出現(xiàn)了新的引水通道；在最后1個(gè)洪峰流量時(shí)，工況1、工況2下的分水明渠均已堵塞，致使引水工作完全癱瘓。

［1］楊紀(jì)偉，李靜，王志國(guó)，等.無(wú)壩引水工程閘前泥沙淤積分析［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2015（02）：290-293.

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TV673

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1008-1305（2017）01-0096-04

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.030

2016-04-28

國(guó)志鵬（1979年—），男，工程師。

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.031