某水庫排沙孔調度對壩前沖刷漏斗影響的試驗研究

張文全

(聊城市河道工程管理處，山東 聊城 252000)

1 研究背景

某水庫是一座以灌溉為主，兼具發電和防洪功能的綜合性水利樞紐工程。水庫由主壩、副壩、溢洪道以及發電洞組成。水庫大壩為混凝土重力壩設計，壩頂高程795 m，壩軸線長510 m，正常蓄水位為786.5 m，總庫容為6.07×108m3，興利庫容為4.77×108m3。按照工程設計，水庫的最大引水流量為125.4 m3/s，灌溉面積為20.666 7×104hm2，防洪保護面積為8.666 7×104hm2，發電裝機容量為2.6×104kW。該水庫位于我國西北水土流失較為嚴重的地區，夏季洪水時段河流的含沙量較高，因此給水庫帶來比較嚴重的淤積問題，并對水庫的正常運行和效益發揮造成顯著的不利影響。

水庫壩前沖刷漏斗的形成和發展過程與泄洪排沙孔前的水沙運動特征之間具有十分密切的關系，其形態和規模不僅可以反映排沙效果，同時對大壩壩前的水沙分布也存在重要的反作用[1]。對水庫壩前沖刷漏斗的研究始于上世紀中期的蘇聯，此后印度、伊朗等諸多國家對其結構優化進行了研究[2]。在國內，新疆的迪那河總干渠首次利用其進行庫區排沙，并取得顯著的工程效果[3]。在壩前沖刷漏斗的研究方面，進行數值模擬研究需要其他手段的有效輔助和印證，而原型觀測不僅受到多種因素的影響，同時還會耗費大量的觀測時間和資金。因此，模型試驗仍然是壩前沖刷漏斗研究的有益方式[4]。基于此，本文以該水庫為例，利用模型試驗的方式，展開排沙孔調度對壩前沖刷漏斗影響的相關研究，為工程調度運行提供必要的參考。

2 試驗設計

2.1 模型設計

本次試驗的水工模型按照重力相似性準則進行設計，根據試驗目的和工程實際情況，模型的幾何比尺選定為1∶100、流量比尺為1∶100 000、流速比尺為1∶10、時間比尺為1∶10、糙率比尺為1∶1.85。結合該水庫上下游的河勢情況確定模型的模擬范圍，其中上游至壩軸線以上1 450 m，庫區的地形為定床設計，地形的高程模擬至730 m。模型的下游模擬至壩軸線下300 m，地形高程模擬至710 m。

2.2 模型的制作

在模型制作過程中，主要以斷面板法進行，同時以等高線法予以配合[5]。在模型的底部進行塊石和河沙混合料的填筑，表層利用水泥砂漿抹面硬化，模型中的大壩、4個排沙泄洪深孔、2個非常排沙孔、電站的引水進口以及發電引水洞等主要建筑物利用聚乙烯板制作。為了更好模擬壩前沖刷情況，壩前及下游河道鋪設模型沙，其厚度為0.2～0.3 m，對應實際深度約20～30 m。在模型的制作過程中，嚴格控制精度，確保模型的制作誤差小于0.5 cm，高程誤差小于1 mm，以保證模型的幾何相似性要求[6]。模型制作完畢后，利用2015年5月的流速實測資料進行模型驗證。結果顯示，模型的實測流速和原型值之間的誤差在10%以內，說明制作的模型和水庫原型基本相似，可以用于后續研究。

為了保證試驗的順利進行，為模型試驗配備比較先進的自動控制和測量系統[7]。其中，試驗的物理模型主要由水循環系統、地下水庫、地表水庫、庫區和建筑物模型、加沙攪拌系統、沉沙池以及自動供水系統構成。測量系統主要包括遠程地形自動測量系統、泥沙測量系統以及遠程自動水位和流速測量系統[8]。所有測量獲取的數據均實時存入中控電腦，以便通過科學的對比分析，獲得研究結論。

2.3 試驗工況

為了研究不同排沙孔洞調度情況對水庫大壩壩前沖刷情況的影響，研究中選取庫區典型年月均徑流量和含沙量數據，作為試驗的水沙條件。經過比尺換算，確定6和3 L/s兩種不同的入庫流量以及96 kg/m3的入庫含沙量，結合不同的調度方式，設計出的試驗方案[9-11]見表1。

表1 試驗方案設計表

3 試驗結果與分析

3.1 出庫流量影響的試驗結果與分析

根據試驗中獲取的數據，繪制工況1和工況2條件下的大壩壩前沖刷漏斗部位的高程等值線圖，結果見圖1和圖2。上述兩工況的其余條件全部相同，僅出庫流量不同。在工況1的條件下，壩前沖刷漏斗的左岸和右岸的橫向坡度分別為1∶1.85和1∶2.16，縱向坡度為1∶2.20，水庫電站引水口部位的淤積高程為754 cm。在工況2的條件下，壩前沖刷漏斗的左岸和右岸的橫向坡度分別為1∶1.91和1∶2.23，縱向坡度為1∶2.33，水庫電站引水口部位的淤積高程為744 cm。由此可見，在工況2條件下，壩前沖刷漏斗的坡度相對較緩。另一方面，由于電站引水洞進水口的高程為754，因此工況1條件下容易導致該部位的淤堵，對發電引水造成不利影響，而工況2條件下則不存在上述問題。究其原因，主要是隨著水庫泄流量的增大，泄流水流的流速也明顯增加，使水流具有更為充足的拉沙能力，因此河槽的沖刷幅度也明顯增加，因此造成工況2沖刷漏斗的縱向坡度較緩，漏斗的排沙范圍明顯增大，因此電站引水洞進水口前的泥沙淤積高程也明顯降低。總之，在條件允許的情況下，采用較大的泄洪流量不僅有利于排沙增加興利庫容，同時也有利于電站引水洞進口的淤積安全[12]。

圖1 工況1沖刷漏斗高程等值線圖

圖2 工況2沖刷漏斗高程等值線圖

3.2 開啟方式影響的試驗結果與分析

根據試驗中獲取的數據，繪制出工況2、工況3和工況4條件下的大壩壩前沖刷漏斗部位的高程等值線圖。其中，工況3和工況4 的高程等值線圖見圖3和圖4。

圖3 工況3沖刷漏斗高程等值線圖

圖4 工況4沖刷漏斗高程等值線圖

上述3個工況的其余條件全部相同，僅排沙孔的開啟方式不同。在工況2的條件下，壩前沖刷漏斗的左岸和右岸的橫向坡度分別為1∶1.91和1∶2.23，縱向坡度為1∶2.33，水庫電站引水口部位的淤積高程為744 cm。在工況3的條件下，壩前沖刷漏斗的左岸和右岸的橫向坡度分別為1∶2.06和1∶2.39，縱向坡度為1∶2.41，水庫電站引水口部位的淤積高程為749 cm。在工況4的條件下，壩前沖刷漏斗的左岸和右岸的橫向坡度分別為1∶2.07和1∶2.10，縱向坡度為1∶2.40，水庫電站引水口部位的淤積高程為754 cm。由此可見，在工況2條件下，電站引水洞進水口部位不會發生淤堵，而其余兩種工況均會發生淤堵。究其原因，主要是工況2條件下的壩前沖刷漏斗比較靠近左岸，其保護范圍可以涵蓋進水口，而其余兩個工況的沖刷漏斗比較靠近右岸，保護范圍難以覆蓋到該部位。同時，鑒于工況3和工況4的沖刷漏斗坡度較緩以及水庫上游來水的攜沙量較大，因此開啟兩個排沙孔可以取得更好的排沙效果，對增加興利庫容比較有利[13-14]。

3.3 運行水位影響的試驗結果與分析

根據試驗中獲取的數據，繪制出工況2和工況5條件下的大壩壩前沖刷漏斗部位的高程等值線圖。其中，工況5的高程等值線圖見圖5。

圖5 工況5沖刷漏斗高程等值線圖

上述兩個工況的其余條件全部相同，僅水庫的運行不同。在工況2的條件下，壩前沖刷漏斗的左岸和右岸的橫向坡度分別為1∶1.91和1∶2.23，縱向坡度為1∶2.33，水庫電站引水口部位的淤積高程為744 cm。在工況5的條件下，壩前沖刷漏斗的左岸和右岸的橫向坡度分別為1∶1.91和1∶1.99，縱向坡度為1∶2.20，水庫電站引水口部位的淤積高程為749 cm。由此可見，工況5條件下的壩前沖刷漏斗坡度較工況2陡，電站引水洞進水口也存在淤堵問題。究其原因，主要是運行水位較高時，壩前水流的先擴散后收縮程度較小，因此上游的沖刷距離也會縮短。由此可見，在條件允許的情況下，降低運行水位排沙可以獲得更好的排沙效果[15]。

4 結 論

壩前沖刷漏斗排沙是高含沙水庫排沙的重要方式，其排沙效果與水庫的調度運行、特別是泄洪排沙孔的調度運行存在顯著聯系。本文以某水庫為例，利用模型試驗的方法研究了排沙孔調度對壩前沖刷漏斗影響，并獲得如下主要結論：

1) 在條件允許的情況下，采用較大的泄洪流量有利于提高排沙效果和電站引水洞進口的淤積安全。

2) 同時開啟兩個排沙孔可以取得更好的排沙效果，對增加興利庫容比較有利，但是應注意電站引水洞進水口的淤積問題。

3) 在條件允許的情況下，降低運行水位排沙可以獲得更好的排沙效果。