昌馬渠首口門(mén)泥沙淤積計(jì)算方法及防治措施分析

陳海鋒

（甘肅省疏勒河流域水資源局，甘肅 酒泉 735211）

環(huán)流易影響上部水體（具有含沙量小、級(jí)配較細(xì)特征）流動(dòng)狀態(tài)，不利于其高效進(jìn)入引水渠；同時(shí)，具有含沙量大、級(jí)配較粗的下部水體會(huì)大批量匯聚至引水渠內(nèi)，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，在渠道口門(mén)出現(xiàn)淤積，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致渠道無(wú)法正常引水。因此，泥沙淤積的防控工作必須要落實(shí)到位。

1 工程概況

在昌馬總干渠渠首樞紐工程中，渠首以上至昌馬水庫(kù)壩址處為昌馬峽與渠首上游段。昌馬峽為典型的“U”形河谷，河床底寬160～240 m，平均坡降8.9‰，受地形影響，水流流速較大，具有較顯著的挾沙能力。根據(jù)昌馬堡水文站數(shù)據(jù)，水流含沙量約3.66 kg/m3，易發(fā)生泥沙堆集現(xiàn)象。

昌馬水庫(kù)距總干渠渠首樞紐約14 km，河床質(zhì)為沖洪積沙卵礫石。水流到達(dá)渠首樞紐后，經(jīng)過(guò)攔河大壩攔截，會(huì)表現(xiàn)出流速變緩和水深顯著增加趨勢(shì)，造成泥沙因無(wú)法獲得強(qiáng)有力的水流沖擊作用而發(fā)生沉積，并持續(xù)聚集在渠首樞紐處，導(dǎo)致該區(qū)域的泥沙沉積量日益增多。

2 排沙現(xiàn)狀概述

該地區(qū)每年6月下旬開(kāi)始進(jìn)入汛期。受降水量增加影響，水庫(kù)下泄量會(huì)明顯增多，在洪水大規(guī)模流動(dòng)下，其攜帶泥沙量更豐富，大量堆積至渠首進(jìn)水閘前。進(jìn)水閘下側(cè)修筑有高度為2.0 m的攔沙坎，會(huì)在沙石堆積量超過(guò)最大攔截高度時(shí)，讓沙石涌入渠道內(nèi)。

在日常運(yùn)營(yíng)中，相關(guān)部門(mén)要定期排沙，以達(dá)到減少沙石入渠量的效果。在排沙作業(yè)期間，水閘需維持在停水狀態(tài)，否則與之相關(guān)聯(lián)的設(shè)施無(wú)法正常運(yùn)行，進(jìn)而造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，如下游電站發(fā)電進(jìn)程受阻、灌溉引水工程暫停等。

導(dǎo)向攔沙坎具有攔截沙石的作用，可將其攔截在沖沙閘和泄洪閘2類(lèi)裝置的中間區(qū)域。最大攔截高度設(shè)定為3.0 m，正常引水水位為4.7 m，可有效降低進(jìn)水閘引水流速，讓大顆粒的沙石在水流的帶動(dòng)作用下到達(dá)攔沙坎，且不再繼續(xù)向前移動(dòng)，通過(guò)開(kāi)啟泄洪閘的方式將其排至下游河床。這樣僅有部分細(xì)小泥沙會(huì)引入進(jìn)水閘，有效地避免了沙石匯集至渠首進(jìn)水閘前。為做好上述工作，需圍繞引水渠道口門(mén)泥沙的淤積情況展開(kāi)分析。

3 計(jì)算模型

引入一維非恒定流水沙數(shù)學(xué)模型，其所涵蓋方程類(lèi)型及公式為水流連續(xù)方程、水流運(yùn)動(dòng)方程、水流挾沙力公式：

式中：x為流程（m）；Q為流量（m3/s）；R為水力半徑（m）；Z為水位（m）；B為河寬（m）；S為斷面平均含沙量（kg/m3）；S*為水流挾沙力（kg/m3）；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m2）；t為時(shí)間（s）；n為糙率系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）；k，m為挾沙力系數(shù)和指數(shù)；u3為泥沙壓力（kN）。

4 關(guān)鍵參數(shù)的選擇

4.1 糙率系數(shù)

糙率系數(shù)是一項(xiàng)綜合參數(shù)，其表征的是河道邊界粗糙程度、含沙量等。其取值大小會(huì)直接對(duì)水力計(jì)算結(jié)果的可靠性產(chǎn)生顯著影響，且進(jìn)一步影響到含沙量的計(jì)算結(jié)果。若取值不當(dāng)，則會(huì)對(duì)后續(xù)的計(jì)算與分析帶來(lái)錯(cuò)誤的引導(dǎo)。由于渠道以混凝土為施工材料制作成型，可重點(diǎn)考慮混凝土的糙率特性，具體取值有0.016、0.019、0.023，分別根據(jù)各系數(shù)取值展開(kāi)計(jì)算。

4.2 非均勻沙水流挾沙力系數(shù)

綜合采用物理試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算方法，取玻璃水槽試驗(yàn)裝置展開(kāi)試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)定與分析后確定挾沙力系數(shù)，根據(jù)泥沙粒徑比尺要求配制，得到模型用沙。經(jīng)過(guò)一系列試驗(yàn)后，可確定具體取值，即挾沙力系數(shù)k取0.10、指數(shù)m取0.92。

4.3 泥沙恢復(fù)飽和系數(shù)

在懸移質(zhì)不平衡輸沙條件下，可以利用恢復(fù)飽和系數(shù)反映含沙量向水流挾沙力靠近過(guò)程中所具有的恢復(fù)速度。該值取決于來(lái)水來(lái)沙條件、河床邊界等，具有復(fù)雜性。本次分析考慮2種條件，暫定淤積時(shí)α為0.25、沖刷時(shí)為1.0。

4.4 分沙模式

秦文凱等人對(duì)既有分沙模式作出改進(jìn)并兼顧引水體等專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提出分沙比計(jì)算公式：

式中：η為分流比；A0是與相對(duì)引水深有關(guān)的函數(shù)；C1為謝才系數(shù)；H為主河道水深（m）；b0為有效引水寬度（m）；θ為分流角（0）；E0=（E1+E2）/A0，E1、E2為相對(duì)水深（m）。

通過(guò)該模式所得結(jié)果可以較為精準(zhǔn)地呈現(xiàn)出不同水沙特性下所產(chǎn)生的分沙比結(jié)果。

5 計(jì)算結(jié)果分析

渠道斷面呈梯形，進(jìn)口渠底高程100 m，出口渠底高程95.85 m，渠道長(zhǎng)980 m，底寬8 m，內(nèi)坡1∶1.5，渠底縱比降1/230。考慮到存在輸水滲漏損失問(wèn)題，為了最大限度降低損失量，全斷面襯砌混凝土，厚度為0.1 m。引水渠取水口口門(mén)的剖面結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 引水渠取水口口門(mén)剖面

考慮第5年、第10年、第15年及第20年4項(xiàng)條件，計(jì)算引水渠的泥沙淤積量，分別確定淤積沿程分布的具體情況，如圖2—3所示。

圖2 計(jì)算渠道的淤積沿程分布

圖3 計(jì)算渠道進(jìn)水口處的淤積沿程分布

由圖2—3可知，在當(dāng)前計(jì)算水沙條件下，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，渠道最大淤積厚度逐步增加，分別為第5年0.75 m、第10年1.19 m、第15年1.56 m、第20年1.74 m。從淤積發(fā)展速度來(lái)看，隨時(shí)間延長(zhǎng)而逐步放緩。但相較于歷史階段而言淤積量依然增加，所產(chǎn)生的淤積體具有向下游推進(jìn)趨勢(shì)，該結(jié)果與水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有高度的一致性。

此外，渠道淤積最厚的部分并非發(fā)生于口門(mén)最前端，而是與之具有特定距離。這表明淤積的發(fā)展并非僅停留在單向?qū)用妫蔷哂袕?fù)雜的沖淤相互交替特性。究其原因，這是來(lái)水條件中的大水年起到了主導(dǎo)作用。渠道在前期形成淤積體后，遇大水年時(shí)出現(xiàn)明顯沖刷。據(jù)此，要解決引水渠泥沙淤積問(wèn)題，突破口在于創(chuàng)造合適的沖刷時(shí)機(jī)，并以合理的方式最大限度縮短淤積時(shí)段。

采取上述糙率系數(shù)取值，分別展開(kāi)計(jì)算，通過(guò)對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)：在糙率系數(shù)增加的條件下，渠道口門(mén)的淤積厚度呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。至第20年時(shí)，糙率為0.016、0.019和0.023時(shí)，所對(duì)應(yīng)的最大淤積厚度分別為1.74、1.90和2.06 m。出現(xiàn)此現(xiàn)象原因在于糙率有所增加，其阻水作用愈發(fā)顯著，水深加大，流速降低，水流挾沙力削弱，從而出現(xiàn)大范圍的淤積。

6 引水渠道口門(mén)泥沙淤積的解決措施

七八月份洪水比較大，可采取水力清淤排沙方式，關(guān)閉進(jìn)水閘，昌馬水庫(kù)下泄流量達(dá)到400 m3/s時(shí)進(jìn)行排沙，閘前沙石可清理90%以上。

6.1 具體步驟

采取“聽(tīng)、看、查”減少了泥沙入渠，保證了灌區(qū)的正常灌溉。

（1）利用8、20時(shí)，每天2次組織對(duì)進(jìn)水閘前后的沙石進(jìn)行測(cè)量登記。

（2）利用耳聽(tīng)、眼看，通過(guò)進(jìn)水閘攔污柵沙石入渠的碰撞聲音判斷進(jìn)沙石多少。

（3）進(jìn)水閘前沙石若高過(guò)攔沙坎20 cm后，及時(shí)上報(bào)信息，確定是否排沙。

（4）若水庫(kù)下泄量在150 m3/s以內(nèi)，則沙石很少進(jìn)入進(jìn)水閘。

（5）水庫(kù)下泄量200～300 m3/s時(shí)，若持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，則河道沙石推移質(zhì)速度加快，以1～3 m/d速度推移到進(jìn)水閘前。若不安排排沙，沖沙閘第2、3孔閘門(mén)不啟閘，只啟動(dòng)第1孔閘門(mén)，啟閘20、25 cm來(lái)調(diào)控閘前水位，多余流量從第7孔泄洪閘排出。

（6）6、7、8月是灌區(qū)引水灌溉高峰期，進(jìn)水閘引水55～65 m3/s，若要排沙會(huì)影響灌區(qū)農(nóng)作物灌溉及各級(jí)電站發(fā)電。若沙石進(jìn)入進(jìn)水閘，總干渠樁號(hào)0+100處有二次排沙閘排出一部分，還可從樁號(hào)0+980處的第一排沙道排出沙石，不會(huì)發(fā)生沙石進(jìn)入渠道情況。

6.2 具體措施

（1）通過(guò)壅高水位緩流引水，讓沙石沉淀在距昌馬渠首進(jìn)水閘較遠(yuǎn)位置，以此減少閘前沙石堆積量。

（2）正面排沙和側(cè)向引水相結(jié)合，由于泄洪閘距進(jìn)水閘較遠(yuǎn)，開(kāi)啟泄洪閘可以讓部分沙石沉淀在距進(jìn)水閘較遠(yuǎn)的地方。

（3）定期停水排沙，但會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)效益有影響。

（4）一旦少量沙石進(jìn)入，可以通過(guò)二次排沙閘攔截排出或第一排沙道排出。

7 結(jié)語(yǔ)

引入一維非恒定流水沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)引水渠道口門(mén)泥沙淤泥量進(jìn)行計(jì)算與分析。結(jié)果表明，該模型結(jié)果與實(shí)際情況具有高度的一致性，所提措施可用于渠道口門(mén)引水防沙設(shè)計(jì)，同時(shí)可以為類(lèi)似工程提供借鑒。