斷面加寬對(duì)無(wú)壩引水工程閘前淤積的影響

郭 麗

(撫順市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 撫順 113008)

水作為人類賴以生存的重要物質(zhì)，為人類生存發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。河流作為人類文明的發(fā)源地，有著其本身固定的客觀規(guī)律，如何能夠利用這些客觀規(guī)律，對(duì)河流進(jìn)行改造，使其能夠更好的為人類的生產(chǎn)生活服務(wù)變得尤為重要[1- 2]。在水利工程進(jìn)入實(shí)際建造之前，往往需要河工物理模型提前進(jìn)行驗(yàn)證，以此來(lái)發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)中可能存在的潛在問題。這樣就可以優(yōu)化工程的設(shè)計(jì)方案，節(jié)約工程的成本[3]。很多水利工程由于設(shè)計(jì)不合理造成水閘前泥沙的嚴(yán)重淤積，使得水利工程不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)甚至報(bào)廢，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[4]。河道斷面的寬度往往會(huì)對(duì)河流泥沙的淤積產(chǎn)生影響，河道過(guò)寬往往會(huì)使泥沙淤積量增大，河道過(guò)窄又會(huì)造成河床的沖刷；因此，在無(wú)壩引水工程中，研究斷面加寬對(duì)閘前淤泥的影響變得尤為重要[5]。本文以撫順市的大伙房水庫(kù)為研究對(duì)象，分別從斷面加寬后典型點(diǎn)流速的變化、多點(diǎn)流速的變化、閘前斷面水位流速的變化、以及輸沙能力的影響4個(gè)方面來(lái)分析探討了淤積現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，希望能夠?qū)Υ蠡锓克畮?kù)工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化能有所借鑒。

1 河工模型設(shè)計(jì)

1.1 相似條件

為了使原型河道和模型河道在動(dòng)力相似的情況下其它作用力也具有相似的比例關(guān)系，在模型設(shè)計(jì)的時(shí)候還應(yīng)考察一些具體的相似條件。用λ來(lái)表示原型與模型的比值，即比尺。

慣性重力比相似[6]：

(1)

式中，λv—流速比尺，λh—垂直比尺。該相似條件適用于作用力主要為慣性力的情況。

阻力重力比相似：

(2)

式中，λl—水平比尺；λn—糙率比尺。本相似條件適用于阻力占主要作用的情況，如果阻力沒有太大影響，可以與該模型存在適當(dāng)偏差。

輸沙平衡相似條件需要考慮兩種，分別是懸移質(zhì)泥沙和推移質(zhì)泥沙。

懸移質(zhì)泥沙[7]：

(3)

式中，λo—浮質(zhì)泥沙比尺；λQ—流量比尺；λS—含沙量比尺；λγ—容重比尺。

推移質(zhì)泥沙：

(4)

式中，λg—輸沙率比尺；λG—推移質(zhì)泥沙比尺。

1.2 模型設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

為了滿足水流運(yùn)動(dòng)的相似條件，模型和原型河道有固定的比例尺寸，試驗(yàn)比尺是1∶25，河道模型設(shè)計(jì)按照正態(tài)模型，重力相似標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本次模型試驗(yàn)重點(diǎn)研究大伙房水庫(kù)的渠首工程[8- 9]。渠首起始設(shè)計(jì)為60cm長(zhǎng)、坡度為1∶4的底坡段，后接17cm的漸變段，渠道寬度由45cm漸變?yōu)?5cm，擋墻的高度由27cm逐漸變?yōu)?5cm。設(shè)計(jì)根據(jù)重力相似的原理，相似情況見下表1。

表1 各種模型的比例關(guān)系

2 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

2.1 20斷面加寬前后典型點(diǎn)流速的變化

以進(jìn)水閘前每隔30cm作為一個(gè)斷面，在進(jìn)行模型試驗(yàn)的時(shí)候，對(duì)河道進(jìn)水閘前河道過(guò)流斷面進(jìn)行了展寬，在相同的來(lái)水流量下，水流的流速降低，挾沙力下降，使泥沙更容易沉降。在水閘前是寬淺河段的情況下，泥沙更容易發(fā)生累積性淤積。關(guān)閘時(shí)由于重力和水壓的作用，使得發(fā)生沉淀淤積下部的淤泥密度增加，難以被水流沖走，使沖沙難度增加(如圖1)。

從圖1可以看出隨著時(shí)間的改變，流量級(jí)和水流流速呈現(xiàn)拋物線的形式改變。斷面加寬后水流流速小于斷面加寬前流速，由于一些試驗(yàn)設(shè)備、人工方面的誤差，造成極個(gè)別點(diǎn)的不一致，并未影響試驗(yàn)結(jié)論。水流流速的均值線由2條直線表示，均值線跟水流流速線共同說(shuō)明在整個(gè)洪峰開始時(shí)，第1級(jí)流量下偏離均值線比較大并且水流流速較小，即開始的時(shí)候，水流流速較小，水流流速會(huì)隨流量級(jí)的增大而增大，水流流速在第4流量級(jí)的時(shí)候達(dá)到最大。并且水流流速線和均值線的偏離最大。洪峰過(guò)去以后當(dāng)流量的減少時(shí)水流流速隨之減少，這間接反映了隨著流量的增大，閘前斷面有淤泥的出現(xiàn)，使得水流流速變小，水流流速減少?gòu)亩鹚鲯渡衬芰p少，使泥沙能夠更快的沉降，因此閘前斷面拓寬的處理減小了水流的流速。

實(shí)驗(yàn)分別研究了幾個(gè)不同洪水(30年一遇、60年一遇、120年一遇、180年一遇)流量下單點(diǎn)流速的變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析如圖2、3所示。

圖1 不同洪水流量下斷面加寬前后水流的變化

圖2 不同洪水流量下斷面加寬前后中間點(diǎn)流速的對(duì)比

從圖2可知，在30年一遇洪水和60年一遇洪水的來(lái)水流量下，水流流速和來(lái)水流量的變化趨勢(shì)不同，并未和流量的變化呈正相關(guān)的關(guān)系，在洪水流量增大的過(guò)程中，流速出現(xiàn)了減小的情況，這反映了當(dāng)進(jìn)水閘前流量增加的時(shí)候，閘前淤泥也隨之增多。

圖3 不同洪水流量下斷面加寬前后中間點(diǎn)流速的對(duì)比

由圖3可以得出，在120年一遇和180年一遇洪水的來(lái)水總量下，進(jìn)水閘前斷面的加寬會(huì)對(duì)水流流速產(chǎn)生影響，斷面的加寬會(huì)使水流流速降低，從圖中可以看出修改后的斷面水流流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于修改前水流流速，這是由于閘前流量增大同時(shí)泥沙淤積量隨之增大，引起水流流速的下降。

2.2 20斷面加寬前后多點(diǎn)流速的變化

在120年洪水和180年洪水過(guò)程中，以進(jìn)水閘前河道20斷面為研究對(duì)象，從河岸左側(cè)間隔20cm依次向河岸右側(cè)取點(diǎn)，共計(jì)7個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，結(jié)果分析如圖4所示。

圖4 不同洪水流量下閘前20斷面多點(diǎn)水流速變化

從圖4可以看出，斷面上7個(gè)點(diǎn)的流速呈現(xiàn)開口方向向上的拋物線，從左到右流速均是先減小后增大，根據(jù)流速和泥沙淤積量的關(guān)系，斷面的中間位置泥沙的淤積量達(dá)到最大，拋物線的形狀是開口向下形式；同時(shí)，在120年一遇洪水中，流量與流速成正比例的關(guān)系，然而在180年一遇洪水中，并沒有類似的結(jié)論。這表明流量增大的時(shí)候，各個(gè)流量級(jí)之間的速度并沒有明顯的差距。在洪水剛開始的時(shí)候，渠道分水大于河道分水，在大量引水的過(guò)程中引進(jìn)了大量泥沙，隨著流量的增加以及閘前淤泥的增加，渠道分水量減小，因此在較大流量下，流速隨流量級(jí)變化不一致。

2.3 閘前斷面水位流速的變化

試驗(yàn)在小流量Q=0.145L/s的條件下進(jìn)行，流速和水位的測(cè)量位置選擇水閘前的19斷面、20斷面、21斷面進(jìn)行，依次從左至右在每個(gè)斷面上間隔20cm取9個(gè)點(diǎn)測(cè)量流速和水深的數(shù)值，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出水位和流速具有相同的變化趨勢(shì)，且兩者的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)拋物線的形狀，水深隨著起點(diǎn)距的增大先減小后增大，這說(shuō)明淤泥厚度呈現(xiàn)一種先增大后減小的梭形。

從圖6、7可以看出在2個(gè)小流量q1=0.045L/s、q2=0.050L/s的條件下，19斷面、20斷面和21斷面的水深呈現(xiàn)類似的規(guī)律，即水位值兩邊大，中間小，進(jìn)一步說(shuō)明了泥沙中間厚，兩邊薄，呈梭形形狀。此外，19斷面、20斷面和21斷面水位值依次遞增，說(shuō)明隨著越來(lái)越靠近進(jìn)水閘，泥沙淤積量越來(lái)越大。

圖6 相同小流量q1下不同斷面的水深變化

圖7 相同流量q2下不同斷面的水深變化

2.4 輸沙能力的影響

河道的輸沙能力可以通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某斷面的泥沙的含量來(lái)表示，在一定的水流與泥沙條件下，輸沙率的大小會(huì)影響河床的穩(wěn)定以及泥沙的淤積，輸沙率的增大會(huì)造成河床的沖刷，輸沙率的減小會(huì)造成泥沙的淤積[10]。河道的輸沙能力與河流流速緊密相關(guān)，流速越大，輸沙率越大。泥沙輸沙率的計(jì)算公式可以體現(xiàn)出輸沙率與流速對(duì)應(yīng)關(guān)系。天然河道中泥沙大小并非均勻的，但當(dāng)泥沙的顆粒級(jí)配范圍極窄的情況下可作為均勻泥沙進(jìn)行處理。次模型中推移質(zhì)視為均勻推移質(zhì)進(jìn)行處理，根據(jù)流速這個(gè)參變量制定推移質(zhì)輸沙率公式：

Gb=0.95d1/2(U-U′C)(U-U′C)3(d/h)1/4

(4)

式中，Gb—推移質(zhì)輸沙率；U—水流流速，m/s；d—泥沙代表粒徑；h—水深，m；U′C—止動(dòng)流速，m/s。

U′C=UC/1.2=3.83d1/3h1/6

(5)

綜上可得：

Gb=0.169U4-0.0648(dh)1/24

(6)

推移質(zhì)輸沙率會(huì)隨著流速的增大而增大。因此，工程實(shí)踐上可以通過(guò)改變流速來(lái)影響輸沙率，本工程研究了斷面展寬對(duì)輸沙率的影響。在來(lái)水總量不變的情況下斷面展寬會(huì)造成流速降低，同時(shí)洪峰過(guò)程中的淤泥也進(jìn)一步造成流速的減小，即通過(guò)閘前斷面泥沙大量減少，泥沙將大量淤積在進(jìn)水閘前。利用流速儀分別對(duì)閘前0.8m和1.6m處流速進(jìn)行了多次測(cè)量，結(jié)果見表2。

表2 閘前斷面流速統(tǒng)計(jì)表

從表2中可以看出流速隨著流量的增加而增加，但從閘前1.6m到閘前，隨著泥沙淤積量的增加，流速逐漸變小，洪峰過(guò)去后，閘前流速降到最低。此外關(guān)閉閘門也會(huì)引起水流流速迅速下降，泥沙淤積量驟增。

3 結(jié)語(yǔ)

以撫順市的大伙房水庫(kù)為研究對(duì)象，本文分別從斷面加寬后，典型點(diǎn)流速的變化、多點(diǎn)流速的變化、閘前斷面水位流速的變化以及輸沙能力的影響4個(gè)方面來(lái)分析探討了淤積現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明：進(jìn)水閘前斷面的加寬會(huì)對(duì)水流流速產(chǎn)生影響，斷面的加寬會(huì)使水流流速降低，在相同條件下水流流速減小，使得水流的輸沙率降低，輸沙能力變?nèi)?，造成泥沙在水閘前的淤積量增加；通過(guò)測(cè)量斷面上多點(diǎn)的流速情況，從左到右流速均是先減小后增大，這說(shuō)明該斷面上泥沙的淤積量從左到右先由小到大，然后開始逐漸減小，中間位置淤積量達(dá)到最大；閘前淤泥呈現(xiàn)一種梭形的結(jié)構(gòu)，并且越靠近閘前，泥沙的淤積量越大；從閘前1.6m到閘前，隨著泥沙淤積量的增加，流速逐漸變小，洪峰過(guò)去后，閘前流速降到最低。

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