無壩引水樞紐工程閘前泥沙淤積特性實驗研究

國志鵬

（撫順市江河流域管理局，遼寧撫順113006）

無壩引水樞紐工程閘前泥沙淤積特性實驗研究

國志鵬

（撫順市江河流域管理局，遼寧撫順113006）

渠首工程設計不合理會導致進水閘前出現泥沙淤積現象，嚴重影響水利工程的安全性和經濟性。為了提出合理的改造方案，文章設計了河工物理模型試驗。以無壩引水樞紐為研究對象，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，當流速增加時，輸沙率也隨之增加，輸沙能力增強；山區型河道泥沙較多，應特別注意防止閘前泥沙淤積。

水利工程；發電站；無壩引水樞紐工程；泥沙淤積

無壩引水樞紐工程是渠首引水樞紐工程的一種，它無需借助壩體來提升河流枯水期水位［1］。可見，這種水利樞紐對河流流量本身充足性有較高要求。因此，這種在水力發電、水利灌溉工程中的運用范圍較窄［2］。然而，其設計、建設和運行過程中，能夠有效降低引水比，以保持河道暢通。在工程預算低且工程服務區域較小的引水樞紐工程中，無壩引水樞紐工程也有較為顯著的適用性［3］。

在無壩引水樞紐工程運行過程中，會面臨閘前泥沙淤積問題，如果不能進行有效監測和控制，可能會影響引水工程作用的順利發揮。楊紀偉［1］通過水工模型試驗對閘前泥沙淤積的變化趨勢進行正態模擬，并對其不同位置、不同時間、不同水流特性情況下的高程進行動態分析［1］。李曉慶［4］通過水工物理模型對河水流量、流速和水面線等對泥沙淤積特征的影響進行分析，并運用Surfer軟件進行仿真模擬［4］。其他學者在對也對無壩引水樞紐工程的閘前泥沙淤積進行豐富的定量研究，對該類工程的設計、建設和運行方案提出諸多改良方案［5-7］。

山區型河道在中國十分常見，且極易攜帶大量泥沙。因而在規劃、設計無壩引水樞紐工程時，需要對備選場地泥沙特性進行研究，從而提升設計方案的科學性［8］。本研究將以渾南區蓄水防洪工程為對象，通過構建河工模型對其閘前泥沙淤積特性進行測量和仿真模擬。

1 工程水文泥沙情況

本研究選取渾南區蓄水防洪工程為研究對象。經過綜合考慮，在規劃時決定采用無壩引水樞紐工程對河水進行小范圍調配。在設計過程中，首先需要對該工程所在河流的水文概況、泥沙概況進行分析。

1.1 流域水文概況

工程所在地處于溫帶季風氣候，夏秋多雨，冬春少雨，流量季節變化顯著。該河流徑流主要集中于6～9月，超過全年流量的70%，見表1。在進行工程設計時，需要對不同設計頻率下的月徑流量進行分配。從表1可知，在各個設計頻率下，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，而后者會受到河流泥沙量影響。因此，需要對該水電站所處河流的泥沙概況進行分析。根據距水電站最近水文站的監測，河流含沙量年均水平為0.058kg/m3，其它水沙配比數據見表2。結合表1、表2可知，輸沙率、泥沙密度、沙量的月分布規律一致，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 河工模型設計

2.1 模型試驗原理

在進行模型試驗時，需要依據相似原理做好慣性重力、阻力重力、輸沙平衡指數等指標的計算。慣性重力是客觀存在的，在部分情況下可能對模型精度造成較大干擾。在計算該指標時，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。在計算該指標時，須滿足如下相似條件：

在充分考慮推移質泥沙形態、河道紊流情況時，泥沙運動須滿足如下流態相似條件：

在不同泥沙形態下，河流形狀對輸沙運動有著重

要決定作用。因此，輸沙平衡須滿足如下相似條件：當泥沙為懸移質形態時：

當泥沙為推移質形態時：

河道徑流須滿足如下連續條件：

本研究中，水電站所在河道為典型山區河流，在計算其泥沙起動流速時，可按如下公式進行：

式中，uc表示起動流速，m/s；η表示無量綱系數；M為調整指數；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）可推導出河型變化時間比尺，其表達式如下：

2.2 模型設計數據

在圖紙設計時，按照與工程實體1∶2000的比例設計制作。在制作河工試驗模型時，按照1∶30的比尺進行長度控制。同時，將流速比尺、流量比尺和糙率比尺分別設計為1∶5.48、1∶4930以及1∶1.76。另外，根據含沙量分別確定河工模型中沙粒徑級配，對應關系見表3。

表3 沙粒徑級配表

3 結果及分析

3.1 50年一遇洪水

當洪水等級設定為50年一遇時，放水試驗分別選取了以下7個洪峰時段的流量水平：52.943L/s、72.886L/s、91.784L/s、114.539L/s、81.395L/s、59.294L/s、42.507L/s。試驗結果為：防水試驗結束后，閘前有大量泥沙淤積，在阻礙水流的同時也影響引水作業順利進行。

通過Surfer軟件，對進水閘前泥沙淤積厚度進行仿真，結果如圖1所示。從圖1可知，閘口前淤積厚度超過2.8cm，嚴重阻礙明渠引水功能發揮。

圖1 50年一遇設定下進水口處淤積厚度圖（cm）

為對渠道引水變化進行分析，對不同工況下的總流量、各個分水明渠進水流量進行測量，結果見表5。可見，在洪峰快消退時，工況1、工況2下分水明渠進水流量都變得十分小，不能夠支持引水工程正常運行。

表5 50年一遇下分水渠進水情況

3.2 100年一遇洪水

當洪水等級設定為100年一遇時，放水試驗分別選取了以下7個洪峰時段的流量水平：58.943L/s、81.886L/s、113.784L/s、139.539L/s、97.395L/s、65.294L/s、46.507L/s。試驗結果為：防水試驗結束后，進水口均有大量泥沙淤積，在阻礙水流的同時也影響引水作業順利進行。通過Surfer軟件，對進水閘前泥沙淤積厚度進行仿真，結果如圖2所示。從圖2可知，進水口多數區域淤積厚度超過2.8cm，其它部分也在2.4cm以上；在嚴重阻礙明渠引水功能發揮的同時，導致引水功能暫停。

圖2 100年一遇進水口處淤積厚度圖（cm）

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

表6 100年一遇來水流量下分水渠進水情況表

3.3 200年一遇洪水

當洪水等級設定為200年一遇時，放水試驗分別選取了以下7個洪峰時段的流量水平：61.943L/s、85.886L/s、126.784L/s、154.539L/s、106.395L/s、69.294L/s、49.507L/s。試驗結果為：防水試驗結束后，進水口均有大量泥沙淤積，呈梭形分布；在阻礙水流的同時也影響引水作業的順利進行。通過Surfer軟件，對進水閘前泥沙淤積厚度進行仿真，結果如圖3所示。從圖3可知，進水口右側多數區域淤積厚度超過3.6cm，左側多數區域超過2.6cm；兩大淤積體之間出現了新的引水通道。洪峰結束后，出現比100年一遇更大淤積厚度，更嚴重地阻礙明渠引水功能發揮。如表7所示，渠道引水變化十分顯著。在最后1個洪峰流量時，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年一遇進水口處淤積厚度分布圖（cm）

表7 200年一遇來水流量下分水渠進水情況表

4 結語

在構建無壩引水樞紐河工模型后，分別對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行仿真和測量，得出以下幾個基本結論：

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

（2）100年一遇洪水時，防水試驗結束后，進水口均有大量泥沙淤積，多數區域淤積厚度超過2.8cm，其它部分也在2.4cm以上；在最后1個洪峰流量時，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，防水試驗結束后，進水口均有大量泥沙淤積，呈梭形分布；右側多數區域淤積厚度超過3.6cm，左側多數區域超過2.6cm；兩大淤積體中間出現了新的引水通道；在最后1個洪峰流量時，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］楊紀偉，李靜，王志國，等.無壩引水工程閘前泥沙淤積分析［J］.科學技術與工程，2015（02）：290-293.

［2］劉麗麗，魯婧，張治昊.簸箕李灌區一干渠、支斗渠及田間泥沙淤積分布特征［J］.水利科技與經濟，2015（07）：1-3.

［3］張劍峰.關于頭屯河引水樞紐群協調運行方案探討［J］.廣東水利水電，2012（05）：21-23+26.

［4］李曉慶，唐新軍.新疆引水樞紐閘后消能防沖設計理念的演變［J］.水電能源科學，2012（11）：77-80+69.

［5］丁曼，于德萬.團山子水庫泥沙淤積分析計算及防治措施［J］.水利規劃與設計，2014（04）：34-37.

［6］劉麗麗，趙軒.鬧德海水庫泥沙淤積對庫容的影響分析［J］.水利規劃與設計，2014（07）：30-33.

［7］呂敏.水庫泥沙淤積分析及庫容測量［J］.水利技術監督，2016（01）：84-86.

［8］劉寶貴，劉巧元，董磊，等.黃河下游長平灘區河道沖淤變化分析［J］.水利技術監督，2013（06）：39-41.

TV673

A

1008-1305（2017）01-0096-04

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

2016-04-28

國志鵬（1979年—），男，工程師。

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