多孔攔河閘壩上游沖淤導污模型試驗研究

林海斌，張海光

（華安水力發(fā)電廠，福建 華安 363800）

0 前言

低水頭攔河閘壩是我國開發(fā)水能資源的主要方式之一[1]，低水頭閘壩的可調節(jié)庫容較小，山區(qū)自然和人為因素的影響下水土流失較嚴重、污物較多，由于閘壩的攔截作用，泥沙在庫區(qū)發(fā)生淤積，使水庫的調節(jié)庫容變小，影響著電站的安全運行，同時污物的增多將對攔污柵的結構安全構成重大威脅[2]。

對于水庫淤積，韓其為[3]提出了水庫淤積與河床演變一維數學模型，對工程具有指導意義，但多孔閘壩泄流方式變化較大，壩前水流流態(tài)復雜[4]，因此本文采用小比尺模型試驗對泄流量進行了驗證，通過實測資料求解了推移質的級配曲線，模擬了多種流量下的沖淤情況。另對上游河道水流導污排污進行了四種方案的觀察比對，得到排污效果較好的一種布置方案。

1 工程概況

華安水力發(fā)電廠進水口樞紐工程位于福建省華安縣內，其中攔河閘所在位置的控制流域面積為6880 km2，設計多年平均流量為209 m3/s，設計年徑流總量為67.51億m3，正常蓄水位下的庫容為390萬m3，為徑流式不完全日調節(jié)水庫，由于可調庫容較小，水量利用率低，需要經常啟閉閘門進行泄水。

攔河閘壩總長194.4 m，最大壩高34.993 m，采用閘壩上下結合的型式，閘孔下部墊層為砼結構，上部是整毛石漿砌實用堰，堰上是平面鋼閘門擋水控制水位及宣泄流量。攔河閘共19孔，其中1#、8#～11#堰5孔堰頂高程為86.5 m，孔寬10 m，閘門高8 m，閘門尺寸為10 m×8 m，其它14孔堰頂高程均為87.5 m，孔寬8 m，閘門高7 m，閘門尺寸為8 m×7 m，其平面布置圖見圖1。

2 模型試驗

2.1 推移質級配曲線選擇

根據華安電廠洪水水文資料，建壩20多年來，經常發(fā)生的洪水流量在2500 m3/s左右。為研究庫區(qū)推移質顆粒組成，選用Q=2500 m3/s的流量為特征流量，用于分析推移質組成中的顆粒粒徑，上游水流所能挾帶的懸移質顆粒為最小顆粒粒徑。

建壩時河床質取樣篩分得到的顆粒級配曲線見圖2。由圖2可知，粒徑小于2.5 cm的顆粒占河床質總量的30%，而粒徑小于1.0 cm的顆粒占18%，介于兩個粒徑之間的顆粒占河床質總量的12%?？紤]到建壩后運行至今庫區(qū)淤積的河床質顆粒級配會有所改變[5～6]，據水庫放空時觀測，河床質泥沙中粒徑約在2 cm～3 cm，在試驗中，根據河床質顆粒級配曲線取上述兩個粒徑之間的曲線段作為選用的推移質顆粒組成部分。

圖2 河床顆粒級配曲線

2.2 輸沙率

根據華安攔河閘下游浦南站的水文資料，歷史上汛期最大的懸移質含量為2.7 kg/m3，因此最大的推移質輸沙率可表示為：

式中：gB為推移質輸沙率；Q為流量；B為河床寬度。

2.3 模型設計與制作

根據試驗要求，模型按重力相似準則設計為整體正態(tài)模型，考慮到試驗場地、供水流量以及量測精度，選定模型與原型的長度比尺為1∶70，即λL=70。模型地形用水泥砂漿抹面，下游河道左岸灘地采用小石子噴水泥漿加糙，攔河閘和進水閘閘體模型采用有機玻璃制作，基本上滿足模型糙率的需要。攔河閘上游河道長度取400 m，前接一穩(wěn)水池和過渡段。因上游試驗段內基本沒有彎道水流的影響，推移質向下游運動的方向與河道水流方向大體一致，選擇攔河閘上游400 m斷面作為加沙斷面，試驗過程采用篩分的方法配備模型沙。

根據華安電廠洪水水文資料及模型試驗時間要求，選用Q=2500 m3/s的洪水流量作為造床流量，經過模型時間8 h，相當于原型時間約67 h，推移質基本穩(wěn)定。計算的輸沙率為5.76×10-3kg/（m·s），為了使河床面保持相對穩(wěn)定，輸沙到達沖淤相對平衡，直到床面上均勻地分布著魚鱗狀沙波為止，造床基本穩(wěn)定后的庫區(qū)地形見圖3。

圖3 造床穩(wěn)定后庫區(qū)地形圖

3 試驗結果分析

3.1 泄流能力驗證

為了驗證攔河閘模型泄流流量的精確性，對攔河閘大閘孔（10 m×8 m）和小閘孔（8 m×7 m）兩種閘孔分別進行泄流能力試驗，計算得出的攔河閘大閘門自由出流水位～流量關系曲線見圖4，攔河閘小閘門自由出流水位～流量關系曲線見圖5。由圖可知，對于相同的閘孔下泄流量，模型實測庫水位比設計洪水位低，攔河閘大小閘門自由出流時的實際泄流能力將比設計計算值約大1%～5%，水閘泄流能力滿足設計要求。

圖4 攔河閘大閘門自由出流水位～流量關系曲線

圖5 攔河閘小閘門自由出流水位～流量關系曲線

3.2 上游河道沖淤情況分析

當入庫流量增大到3000 m3/s，4#、8#、14#閘門關閉，其余閘門全開時，上游庫水位為92.50 m，引水渠引水流量剛好能達到152 m3/s，庫區(qū)河床泥沙開始啟動，經過模型時間7 h（原型約為59 h），河床基本達到沖淤平衡，沖淤平衡后的庫區(qū)地形見圖6。當入庫流量繼續(xù)增大時，雖然來流量增加，但由于水深隨之增加，過水斷面水流流速并沒增加多少，河床泥沙啟動量反而減少，無法達到庫區(qū)沖淤的效果。從圖6可以看出，整個庫區(qū)淤積沖淤效果并不明顯，庫區(qū)右岸淤積部分仍然存在，庫區(qū)左岸由于受束水墻的阻擋作用，束水墻到5#閘門之間泥沙淤積增加，束水墻處泥沙淤積高程已接近束水墻頂高程。河中部分河床淤積高程約下降1.5 m。由于水流脈動、底部漩渦及橫向渦流的作用，閘前淤積泥沙呈懸浮狀態(tài)而被水流挾帶至下游，但這種脈動和縱橫向渦流作用僅在攔河閘閘前約25 m范圍內較為明顯，排沙的范圍僅及閘坎前15 m～20 m。

圖6 沖淤平衡后壩前地形圖

當入庫流量達到5000 m3/s時壩前沖淤情況見圖7，19個閘門均打開，隨著流量的增加，庫區(qū)內粒徑為2.5 cm的表層泥沙將大量啟動，隨水流通過閘門挾帶至下游，庫區(qū)內淤積減少，流量愈增大，沖淤效果愈明顯。

圖7 流量為5000 m3/s時閘前沖淤情況

3.3 上游河道水流導污試驗分析

華安水電站泄流量小于500 m3/s的天數約占90%，需要經常啟閉閘門泄流。攔河閘壩軸線與攔污柵夾角成漏斗形狀，在汛期大量上游污物隨著水流堆積在庫區(qū)內，受電站進水閘引水的影響，大量污物會逐步堆積在攔污柵上，對攔污柵攔污造成巨大壓力，影響電站正常運行。選取入庫流量Q=500 m3/s進行河道水流導污試驗，觀察對比了四個方案：（1）無攔污排措施，開9#閘門；（2）無攔污排措施，開3#閘門；（3）有攔污排措施，開9#閘門；（4）有攔污排措施，開3#閘門。

當沒有設置攔污排措施時，開9#閘門泄洪與開3#閘門泄洪都會存在著大量污物積聚在攔污柵前，但開啟3#閘門泄洪污物積聚范圍要小。在8#和9#閘墩處設置一攔污排至攔河閘上游左岸80 m，見圖8。當開啟9#閘門泄洪時，大量污物被攔污排擋住，攔污柵前幾乎沒有污物。雖然部分污物隨水流通過9#閘門泄流至下游，但仍有大量的污物積聚于8#閘門至攔污排之間，無法隨水流下泄到下游，這么多污物將對攔污排結構上造成巨大的壓力。因此，考慮將攔污排由8#和9#閘墩移至2#和3#閘墩處至上游左岸80 m，見圖9，這樣可縮短攔污排的長度，且可減小污物受水流流向的影響對攔污排產生的正向壓力。當開啟9#閘門泄洪時，大量污物被攔污排擋住，攔污柵前幾乎沒有污物，但在8#閘門至攔污排之間仍積聚大量污物，對攔污排攔污造成壓力。因此關閉9#閘門，開啟3#閘門，即方案（4），則積聚在攔污排前的污物將通過3#閘門下泄的水流挾帶至下游，滯留于攔污排前的污物極少，達到較好的排污效果。

圖8 攔污排（8#、9#閘墩）

圖9 攔污排（2#、3#閘墩）

4 結論

由于低水頭多孔攔河閘的庫容較小，同時山區(qū)水土流失較嚴重，庫區(qū)泥沙淤積較嚴重、污物較多，本文以華安水電站工程為例采用模型試驗對攔河閘上游沖淤及導污情況進行模擬，得出以下主要結論：

（1）入庫流量低于5000 m3/s時，當流量增加，水深也隨之增加，過水斷面水流流速增加較少，河床泥沙起動量較少，無法達到庫區(qū)沖淤的效果，反之，當流量大于5000 m3/s時，所有閘門均打開，庫區(qū)泥沙大量起動，沖淤效果明顯；

（2）在沒有設置攔污排措施時，僅靠開閘導污排污，其效果并不明顯，大量上游污物隨著水流仍堆積在攔污柵上，對攔污柵造成巨大壓力。若在2#和3#閘墩處至攔河閘上游左岸80 m設置一攔污排，開啟3#閘門，能起到較好的攔污導污效果。