信州水利樞紐取水防沙試驗探討

吳爾槐

(江西明澤水利建設有限公司，江西 上饒 334000)

1 工程概況

信州水利樞紐工程壩址位于玉山水與豐溪河匯合口下游7.42km處，壩址控制流域面積5234km2，正常蓄水位66.0m，相應庫容2718×104m3，最大壩高18.5m。電站裝機容量10050kW(3×3350kW)，使用GD1250a-WP-310型水輪機和SFWG-3350-40/3480型配套發(fā)電機，單機發(fā)電引用流量70.8m3/s，多年平均發(fā)電量3830×104kW·h，保證出力1.46MW。該水利樞紐屬于以城市水環(huán)境建設為主，兼具發(fā)電、旅游等功能的中型水利工程。該水利樞紐左岸設置非溢流壩段，中部設置溢流表孔，在溢流表孔左側增設排沙底孔。壩址斷面多年懸移質輸沙量均值為221.3×104t，根據(jù)懸移質沙量中推移質沙量占比20%計算，則推移質輸沙量達到44.26×104t，考慮懸移質沙量和推移質沙量在內的年輸沙總量均值為265.56×104t，庫沙比2.24，樞紐所在和段糙率均值為0.034-0.044。該高水頭水利工程取水河段泥沙含量高，如果采用常規(guī)的導沙坎、攔沙坎、沖沙底孔等防沙措施，難以取得理想的取水防沙效果，必須對其原防沙方案進行優(yōu)化，保證水利樞紐工程安全運行。

2 模型設計

考慮到信州水利樞紐試驗河段為典型的山區(qū)河道，水流表現(xiàn)出極強的速度和強度，邊界條件也極為復雜。取水防沙模型必須在滿足水流運動基礎上，確保泥沙運動過程的相似性[1]。根據(jù)《水工模型試驗規(guī)程》(SL155-2012)及泥沙模型要求，采用幾何比尺λL=λH=50，流量比尺λQ=λL5/2=17545，流速比尺λv=λL1/2=7.03，時間比尺λt=λL1/2=7.03，糙率比尺λn=λL1/6=1.94的正態(tài)、動床水工泥沙模型，流速比尺和糙率比尺分別根據(jù)慣性力重力比相似和阻力重力比相似得出；由于水利樞紐所在河段主要表現(xiàn)為推移質泥沙淤積，故取水防沙試驗以推移質泥沙運動過程模擬為主，同時滿足泥沙啟動相似和河床變形相似條件。

結合相關設計經驗，為增強模型泥沙運動過程與實際工程的相似性，應以白礬石粉沙為該水利樞紐所在河段推移質泥沙試驗的模型沙，模型沙粒徑根據(jù)河道泥沙起動流速公式換算，粒徑和起動流速具體見表1。沙樣級配必須和河床測量原型沙級配相似，其中粒徑>0.025mm的粗沙選用白礬石，細沙則選用滑石粉，以確保模型沙樣滿足與原型沙樣相似性要求。結合水利樞紐工程河道泥沙淤積特征，取水防沙試驗模擬主要解決推移質泥沙淤積問題。

表1 模型沙粒徑及起動流速

按照模型設計要求制作該水利樞紐水工、泥沙整體模型，模型范圍起點為樞紐大壩上游2500m處，終點為樞紐大壩下游1500m處，所模擬河段長度為4000m，結合上下游校核水位，上下游高程分別為1000m和965m。為便于模擬水利樞紐不同運行工況，模型還設置有獨立的流量控制設備和動力設備。溢流壩、導流洞等水工結構模型制作均采用有機玻璃材料。

3 取水防沙方案

3.1 原方案

原取水防沙方案主要為低導沙坎布置，根據(jù)試驗結果，隨著大量泥沙進入，導沙坎完全被水利樞紐引水口前泥沙淹沒，導流泄洪排沙洞前漏斗直徑僅為淤積河寬的1/3。根據(jù)工程運行3a左右的庫區(qū)泥沙淤積形態(tài)，導沙坎完全被泥沙覆蓋，并且隨著運行時間的延長，淤積將不斷加劇，排沙洞前泥沙淤高程度還會遞增，最終會與積水段上游河床高程齊平。

考慮到排沙洞和樞紐取水口距離遠，導沙坎高度低，即使在排沙洞前形成較大尺寸的漏斗，也無法取得較好的防沙排沙效果，故原方案不可用，必須結合樞紐河段泥沙實際，選用其余防沙措施。

3.2 加高加長導沙坎方案

結合以上對原設計方案的分析，將導沙坎高度增大至1012m，長度延長至排沙洞前。根據(jù)試驗結果，取水口上游高程最大達1007.32m，下游河床淤積高程最低為986.74m，均低于導沙坎高程。從表面來看，將導沙坎高程加高后的確能將河床泥沙順利輸送至排沙洞口，但因排沙洞尺寸較小，洞前沖刷漏斗尺寸也不大，使排沙洞過流量無法及時排出可動泥沙，致使河床質泥沙大量涌入引水渠。

3.3 導流洞明渠加蓋

該水利樞紐工程導流泄洪排沙洞地形和排沙洞運行過程形成一個天然的旋流漏斗結構，有利于水沙分離。具體而言，只需在原設計方案中的導流洞明渠段增設蓋板，在導流泄洪洞運行過程中便會產生橫跨河段的旋流漏斗，發(fā)揮出漏斗式水沙分離器的作用。

就作用原理來看，呈曲線運動的水流在離心力的作用下持續(xù)流向漏斗壁，越靠近漏斗壁的水面越高，而距離漏斗中心的水面最低；靠近漏斗壁的水流在下潛作用下沿漏斗底部向漏斗中心流動，進而形成順時針環(huán)流，也就是螺旋泄水環(huán)流[2]。這種泄水環(huán)流流速上部斜向漏斗壁，下部斜向漏斗中心，流速及流向均無規(guī)律可言。具體見圖1。

圖1 水沙分離系統(tǒng)內螺旋泄水環(huán)流情況

在這種水流運動形式下，沿垂線分布的含沙量上稀下濃，粒徑上細下粗，下部濃粗沙粒會持續(xù)流向漏斗中心，這一過程中漏斗中心上升的水流和邊壁下潛水流流速均較小。流速相對較大的水流攜沙能力大，挾帶泥沙會集中運移至漏斗中心排放。該方案實施后，壩下泥沙淤積愈加明顯，所形成的導流泄洪排沙洞前漏斗直徑約82m，并明顯將河床淤積區(qū)劃分成上下游部分，僅不足10%的河床質泥沙從右岸持續(xù)向壩前推進。這種推移質泥沙運移量級明顯<上述兩個方案，泥沙運移歷時也比上述兩個方案長，只要保證導流泄洪排沙洞洞口貼近河段中心，則右岸推移質運動的輸移河寬會非常小。為此，借助導流泄洪排沙洞排沙，并事先將推移質泥沙向壩前的運動過程阻斷，能有效解決該水利樞紐工程河段取水防沙問題[3]。

4 調整方案試驗

通過以上分析表明，導流洞明渠加蓋的方案能有效解決該水利工程所在河段取水防沙問題，但是細節(jié)問題仍有待完善。借助導流泄洪洞排沙主要依據(jù)的是豎軸回流原理，而結合上游圍堰運行方案，取水排沙效果會更佳，但是需要進一步驗證，出于經濟性考慮，還應控制導流洞口長度，優(yōu)化結構形式。

4.1 導流洞明渠半蓋方案

為研究導流洞排沙方案是否會破壞圍堰結構及方案本身的可行性，將導流明渠加蓋長度控制在8.0m，以試驗用沙作為圍堰迎流面，并在坡面設置紅磚。根據(jù)試驗結果，因導流洞明渠加蓋長度短，豎軸旋流范圍和洞前沖刷漏斗等均不大，圍堰坡腳處存在泥沙淤積，故圍堰不會受到導流洞運行的破壞。隨著歷時的延長，河床質泥沙逐漸超越導流洞口，推移至壩前，不利于樞紐取水防沙。

4.2 導流洞明渠全蓋方案

在導流明渠全蓋的情況下，河床淤積高程超出圍堰高程，圍堰完全被推移質泥沙所覆蓋，雖然導流洞前漏斗尺寸大，但是仍有少量推移質泥沙持續(xù)向壩前移動，基本上能實現(xiàn)推移質泥沙導流明渠“門前清”的控制效果，且導流洞封蓋尺寸越長，取水防沙效果越好?？傊捎谠撍麡屑~工程水頭較高，應用導流洞提前截取推移質泥沙從而使取水口泥沙“門前清”的方案效果顯著。

表2 不同來沙強度取水防沙試驗結果

這種取水防沙結構型式主要利用有利地形，構建起漏斗形式的水沙分離器，在這種水流結構下將粗粒徑沙粒提前攔截在導流洞前沖刷漏斗中，達到攔截泥沙并將推移質泥沙順利排至壩下游的工程目的。結合方案設計，使導流洞明渠延伸至河道中心并增設封蓋，同時在導流洞明渠下游設置丁壩，從而將水沙直接疏導至豎軸旋渦外切線向，河床上也隨之形成橫向切槽，河床面泥沙便會順丁壩豎軸以旋渦形式運動。與此同時，右岸輸沙寬度內的泥沙運行通道被阻隔和切斷，泥沙直接導入沖刷坑，經由導沙洞后輸移至下游。上游丁壩的作用在于將水流順利導向左岸，增大右岸下游丁壩挑流作用。如此設計后，上游圍堰堰前泥沙淤積測到很大程度緩解，淤積高度也得到有效抑制；出于經濟合理性考慮，丁壩并不需要立即布設，在庫區(qū)泥沙淤積至設計高程后再行布設即可。

5 結 論

綜上所述，信州水利樞紐采用導流洞明渠增設封蓋與丁壩相結合的取水防沙方案，充分借助導流洞明渠實際地形及導流洞的運行作用，使導流洞明渠向河道中心延伸，并增設尺寸足夠的封蓋，借助水流的運動在導流洞明渠下游設置丁壩，從而形成沖沙漏斗結構。通過漏斗將水沙分離后泥沙通過導流洞排移，丁壩上游泥沙淤積及下游河床沙輸移問題得到有效解決?？傊?，對于高水頭水利樞紐工程而言，取水防沙是困擾工程安全運行的關鍵問題之一，必須在全面分析工程河道水流泥沙運移規(guī)律的基礎上，有效解決推移質泥沙淤積問題。