基于最小拉沙棄水量的小浪底樞紐排沙洞閘門不同相對開度方案試驗(yàn)研究

張 欣，王二平

（1.廣州珠科院工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣州 510635；2.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045）

0 引言

作為黃河干流上調(diào)節(jié)泥沙的控制性工程，小浪底水庫的運(yùn)用對于黃河下游的防洪減淤起著十分重要的作用[1]。為了滿足工程任務(wù)的需要，樞紐共設(shè)置了16條輸水孔洞，安排了47個(gè)不同高程的進(jìn)水口控制進(jìn)水，其中，3條排沙洞（編號為1號、2號、3號）與6條發(fā)電洞在立面上處于上下層關(guān)系，3條排沙洞底坎高程均為175.0 m，排沙洞與發(fā)電洞的布置關(guān)系在層次上形成了上部取水發(fā)電、下部排沙排污的格局，為發(fā)電引水口防沙防污創(chuàng)造了較好的條件[2，3]。

黃河水少沙多的現(xiàn)象制約著沿河兩岸經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，小浪底水庫每年汛前的調(diào)水調(diào)沙都需耗費(fèi)大量的水資源，而排沙效果卻不是很理想。本文通過建立小浪底壩前庫區(qū)正態(tài)渾水動(dòng)床實(shí)體模型，在對模型相似性進(jìn)行驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，選取壩前特征水位210 m為控制條件，對進(jìn)水塔前187.0 m淤沙高程狀況進(jìn)行排沙洞閘門不同相對開度方案試驗(yàn)研究，通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析對比，提出滿足拉沙要求而較小棄水量的閘門相對開度運(yùn)行方案。

2 模型概況

本試驗(yàn)研究河段全長約4.5 km，上邊界起自大峪河口，下邊界至小浪底大壩，共布設(shè)30個(gè)采樣斷面。根據(jù)試驗(yàn)要求，正態(tài)模型幾何比尺選定為100，根據(jù)模型相似性驗(yàn)證試驗(yàn)[4]，確定模型含沙量比尺λS和河床變形時(shí)間比尺λt2分別為2.0和13.7。模型沙選取經(jīng)過粉碎處理的樹脂離子顆粒，容重為1300 kg/m3。模型平面布置圖及進(jìn)水塔局部放大圖分別見圖1、圖2。模型設(shè)計(jì)[5]主要遵循水流重力相似、阻力相似、河床變形相似；模型沙選擇主要遵循水流挾沙相似、泥沙起動(dòng)相似、泥沙懸移相似等相似條件。

圖1 模型平面布置圖

圖2 進(jìn)水塔局部放大圖

3 正態(tài)模型試驗(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》[6]，當(dāng)小浪底水庫進(jìn)水塔前泥沙淤積面高程實(shí)測值達(dá)到183.5 m時(shí)，應(yīng)以較小的閘門相對開度依次序短歷時(shí)開啟排沙洞工作閘門，主要是檢查其進(jìn)水口過流是否暢通。若是泥沙不淤堵排沙洞進(jìn)水口，可在183.5 m淤沙高程的基礎(chǔ)上按0.5 m一級逐步抬高塔前允許淤積面高程。為了不影響閘門的正常啟閉，塔前淤積面高程最終許可值不得大于187.0 m。3號排沙洞位于風(fēng)雨溝附近，此處水域回流比較嚴(yán)重，泥沙極易在此落淤。為了達(dá)到最大的拉沙效果，短歷時(shí)拉沙試驗(yàn)開始時(shí)，按照3號、2號、1號順序依次打開3條排沙洞進(jìn)行模型試驗(yàn)[7]。

（1）設(shè)計(jì)水沙條件。①流量：為了使庫區(qū)水位盡快達(dá)到試驗(yàn)要求，上游來流以滿足6臺發(fā)電機(jī)組滿發(fā)為準(zhǔn)，為1800 m3/s；②含沙量：根據(jù)1987年以來實(shí)測入庫汛期平均含沙量選取，為75 kg/m3。

（2）壩前水位與河床邊界條件。①壩前水位：壩前水位選取210.0 m；②河床地形：采用2014年實(shí)測汛前水下地形。

（3）根據(jù)試驗(yàn)組次的要求及工作閘門開度的規(guī)律性，擬定4組工況進(jìn)行對比分析試驗(yàn)。①工況1：1號、2號排沙洞取相對開度0.15，3號排沙洞取相對開度0.18；②工況2：1號、2號排沙洞取相對開度0.24，3號排沙洞取相對開度0.30；③工況3：1號、2號排沙洞取相對開度0.35，3號排沙洞取相對開度0.40；④工況4：1號、2號排沙洞取相對開度0.40，3號排沙洞取相對開度0.48。

4 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)開始時(shí)，上游來流全部通過發(fā)電洞，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(shí)，按小開度短歷時(shí)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、1號排沙洞，觀察拉沙過程，情形與3號排沙洞類似。

工況1條件下，3號排沙洞流量過程線與孔洞出口含沙量過程線分別見圖3、圖4。

圖3 3號排沙洞流量過程線（工況1）

圖4 3號排沙洞含沙量過程線（工況1）

5 試驗(yàn)成果分析

排沙洞閘門開啟后，滯流很短時(shí)間很快就有泄流，初始流量、含沙量均不高，但很快就出現(xiàn)控泄流量最大值，接著便出現(xiàn)高含沙泥流和含沙量最大值；在控制排沙洞泄流量的條件下，經(jīng)過一段時(shí)間，含沙量逐漸降低并趨于穩(wěn)定。

為了便于進(jìn)行成果分析與表述，文中所提及的3條排沙洞閘門各相對開度試驗(yàn)方案均以3號排沙洞閘門相對開度值為代表進(jìn)行表述。

5.1 拉沙用水量對比分析

每一條排沙洞從閘門開啟到出口含沙量穩(wěn)定所使用的水量計(jì)算公式為：

式中：V為排沙洞從閘門開啟到出口含沙量穩(wěn)定所用水量，m3；t為從閘門開啟到孔洞出口含沙量穩(wěn)定所需時(shí)間，s；Q1為t1時(shí)刻所對應(yīng)的孔洞出口流量，m3/s；Q2為t2時(shí)刻所對應(yīng)的孔洞出口流量，m3/s；d t為對時(shí)間進(jìn)行積分。

利用式（1）對4種工況閘門相對開度下各個(gè)排沙洞所用的水量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 不同閘門相對開度下各個(gè)排沙洞拉沙用水量

根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制每條排沙洞閘門相對開度與棄水量的關(guān)系曲線（見圖5）。

圖5 閘門相對開度與各個(gè)排沙洞棄水量關(guān)系曲線

由圖5可知，對于3號排沙洞而言，當(dāng)工作閘門相對開度大于0.30之后，由于泄流拉沙能力加大，進(jìn)水口前泥沙的擾動(dòng)明顯增強(qiáng)，出口含沙量一直處于波動(dòng)狀態(tài)，含沙量達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間較長，因此拉沙棄水量出現(xiàn)陡然增加的趨勢，拉沙棄水梯度加大。而1號及2號排沙洞拉沙棄水隨著開度增加的變化相對較為平緩，因此從拉沙所需棄水量角度來看，3個(gè)閘門的相對開度應(yīng)不宜超過0.3。

5.2 出口含沙量對比分析

閘門開啟后，出口含沙量隨著時(shí)間從小到大，出現(xiàn)峰值，到逐漸減小并趨于穩(wěn)定，該變化的情況反映了排沙洞泄流拉沙的效果。對于每條排沙洞，以出口含沙量穩(wěn)定值作為選擇標(biāo)準(zhǔn)，各方案下出口穩(wěn)定后的含沙量值見表2。

表2 不同閘門相對開度下各個(gè)排沙洞出口穩(wěn)定含沙量

由表2可知，當(dāng)進(jìn)行工況4試驗(yàn)時(shí)，沖刷漏斗穩(wěn)定之后孔洞的輸沙效果較好，對于防止塔前泥沙淤積較為有利。但在此試驗(yàn)工況下，排沙洞泄水拉沙所需棄水量卻高達(dá)465.09萬m3。

5.3 塔前沖刷漏斗對比分析

排沙洞的拉沙效果可以通過試驗(yàn)后實(shí)測進(jìn)水塔前沖刷漏斗的形態(tài)來分析。通過4種工況方案試驗(yàn)，在排沙洞出口含沙量達(dá)到穩(wěn)定后，水下測量并比較各自塔前6 m橫斷面地形的變化（見圖6）。

圖6 不同開度下進(jìn)水塔前6 m斷面試驗(yàn)前后河床地形對比

由圖6可知，對于短歷時(shí)拉沙試驗(yàn)，排沙洞閘門相對開度越小，塔前沖刷坑范圍及沖坑深度也越小。在保證發(fā)電效益的前提下，排沙洞工作閘門開啟度越小，拉沙棄水量也就越少，但是過小的閘門開啟度可能導(dǎo)致塔前泥沙短時(shí)間內(nèi)不能被拉開，過多的泥沙在塔前淤積會(huì)對發(fā)電洞造成一定的影響，粗顆粒泥沙對水輪發(fā)電機(jī)組葉輪造成磨損，降低水輪發(fā)電機(jī)組使用壽命；較大的閘門開啟度雖然能很好地將塔前淤沙拉開，但是其造成的拉沙棄水量增加也不容忽視。

5.4 單位輸沙水量對比分析

對于每條排沙洞，當(dāng)出口含沙量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，即認(rèn)為塔前沖刷坑范圍不再發(fā)生較大的變化。計(jì)算排沙洞從工作閘門開啟到出口含沙量數(shù)值達(dá)到穩(wěn)定這一時(shí)間段內(nèi)的出洞總沙量，利用輸沙量的多寡作為閘門開啟度合理性的判別標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)排沙洞從工作閘門開啟到出口含沙量數(shù)值達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，依據(jù)此段時(shí)間的流量與含沙量數(shù)據(jù)可以推出不同時(shí)刻的相應(yīng)輸沙率，將各個(gè)輸沙率進(jìn)行積分，進(jìn)而得到每條排沙洞達(dá)到出口含沙量穩(wěn)定時(shí)的總輸沙量。

輸沙水量受徑流量的影響比較大，在自然條件下，同一河段在不同時(shí)期的輸沙水量會(huì)出現(xiàn)較大的差異。單位輸沙水量是反映輸沙水量與輸沙量關(guān)系的一個(gè)重要指標(biāo)，其數(shù)值相對于輸沙水量比較穩(wěn)定，能夠更好地體現(xiàn)河道的輸沙特性。

單位輸沙水量以每噸泥沙所需輸沙水量計(jì)，其計(jì)算表達(dá)式為：

式中：q為單位輸沙水量，m3/t，W水為輸沙水量，m3，W沙為輸沙量，t。

將4種工況下對應(yīng)的拉沙棄水量與輸沙量進(jìn)行匯總，然后將二者相比，可以求出排沙洞每排出1 t泥沙所需水量，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 排沙洞每排出1t泥沙所需水量統(tǒng)計(jì)表

由表3可知，在排沙洞進(jìn)水口前泥沙淤堵情況基本相同，以及進(jìn)水口前淤堵的泥沙能夠被拉開的前提下，當(dāng)排沙洞出口含沙量達(dá)到基本穩(wěn)定時(shí)，工作閘門相對開啟度越大，塔前淤積泥沙被拉走所需水量就越多，相應(yīng)地，通過排沙洞的泥沙總量就越多；工作閘門相對開啟度較小時(shí)，水流拉沙能力較小，排沙洞出口含沙量很快就能達(dá)到穩(wěn)定，出口泥沙總量相對較小，相應(yīng)拉沙棄水量也很小。4種試驗(yàn)工況下，閘門相對開度大時(shí)與閘門相對開度小時(shí)的單位輸沙水量存在明顯差異。

工況4試驗(yàn)條件下，3條排沙洞總輸沙量達(dá)到14.90萬t，單位輸沙水量為31.21 m3/t，從最大程度地排出塔前淤積泥沙角度考慮效果很好，但是在此種工況下，出口含沙量穩(wěn)定時(shí)的拉沙棄水量竟高達(dá)465.09萬m3，拉沙棄水量數(shù)值不容小覷。而工況1試驗(yàn)條件下，3條排沙洞總輸沙量雖只有4.40萬t，單位輸沙水量為24.66 m3/t，但是在此種工況下，出口含沙量穩(wěn)定時(shí)的拉沙棄水量卻只有108.51萬m3。從節(jié)約水資源考慮，在排沙洞前泥沙淤堵時(shí)間不超過允許期限的情況下，拉沙所需水量越小越好。因此，在保證塔前淤積泥沙能夠被拉開，且不超過允許淤堵時(shí)間期限的前提下，應(yīng)盡量選擇相對較小的閘門相對開啟度進(jìn)行泄流拉沙。

6 結(jié)論

（1）對于短歷時(shí)拉沙試驗(yàn)，排沙洞閘門開啟度越小，塔前沖刷坑范圍及深度均越小，可能導(dǎo)致塔前泥沙短時(shí)間內(nèi)不能被拉開，致使過多的泥沙在塔前淤積。閘門開啟度越大，塔前沖刷漏斗穩(wěn)定之后孔洞的輸沙效果亦越好，這對于防止塔前泥沙淤積較為有利，但是過大的閘門開啟度造成拉沙棄水量增加也不容忽視。

（2）當(dāng)閘門相對開度均小于0.3時(shí)，拉沙棄水量隨著閘門相對開度的加大呈緩慢增加，當(dāng)閘門相對開度超過0.3時(shí)，拉沙棄水量隨著閘門相對開度的加大呈快速增加，因此，排沙洞泄流拉沙運(yùn)行時(shí)工作閘門相對開度最好不超過0.3。

（3）當(dāng)閘門前允許泥沙淤堵的時(shí)間較長，或者允許淤堵時(shí)間超過50 min時(shí)，工況1可以作為優(yōu)先選擇的閘門開度方案。

（4）在滿足進(jìn)水塔前泥沙淤堵允許期限的情況下，工況4試驗(yàn)條件下，單位輸沙水量為31.21 m3/t；工況1試驗(yàn)條件下，單位輸沙水量為24.66 m3/t。閘門相對開度大，則單位重量拉沙的棄水量亦大，后者作為較合理的泄流拉沙閘門開啟方式對實(shí)際工程運(yùn)用具有參考價(jià)值。