黃河某水庫壩前沖刷漏斗形態(tài)模型試驗研究

張旭東，董占地，王志國

(1.河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056038;2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

我國河流泥沙多、水利樞紐多,許多河流的含沙量之高、輸沙量之大均居世界各主要河流的前列[1］。河流發(fā)生水流運動的同時常伴有泥沙輸移[2］,河流所攜帶的泥沙進入水庫時,由于水位抬高,過水斷面擴大,流速減慢,因此造成水庫淤積[3］。壩前泥沙淤積可能導致泄水建筑物進口淤堵、閘門啟閉困難、無法使發(fā)電引水口門前清等,從而影響工程效益發(fā)揮甚至影響樞紐工程安全運行,所以我國對水庫泥沙研究頗為重視。至今,國內外主要通過原型觀測、模型試驗、理論分析與數值模擬等4種方法進行研究[4］,其中在多泥沙河流壩前水庫漏斗研究方面較多[5-10］,并在壩前漏斗形態(tài)、縱橫向坡比及影響因素等方面取得大量成果。如涂啟華等[11］指出壩區(qū)漏斗域為水流由庫區(qū)明渠流過渡到有壓底孔泄流的水流流動區(qū)域；董年虎[12］認為漏斗坡比的影響因素有孔前水深、小漏斗上游側淤積厚度、孔口進口處流速和開啟度,并指出邊界條件也是一個重要的影響因素,排沙漏斗的形態(tài)還取決于壩前水位、流量、主流與排沙孔的相對位置等因素[13］；王廣月[14］指出沖刷漏斗的成因是泄水孔口附近流線急劇收縮,在此大量泥沙起動,并隨著到孔口距離的增大,這種作用變弱,當上游來水來沙與此段河床相適應而處于相對平衡狀態(tài)時,就會在樞紐前形成穩(wěn)定的沖刷漏斗；崔承章等[15］通過開展小浪底壩區(qū)漏斗形態(tài)概化模型試驗,認為漏斗的橫坡比基本接近模型沙的水下休止角,而縱坡比與泄流量成反比、與壩前水位成正比；胡德超等[16］利用三維數值模擬的方法研究了水庫壩區(qū)沖刷漏斗的形成機理。筆者通過開展黃河某水庫壩前漏斗形態(tài)模型試驗研究,并根據試驗結果對比相同流量、相同水位和不同運用方式條件下,同一位置孔口前形成的漏斗形態(tài)及縱橫坡比特點,進而提出相對合理的排沙底孔運用方式。

1 樞紐概況

該水利樞紐位于黃河中游,庫區(qū)兩岸支流眾多,其中流域面積大于1000 km2的入黃支流有6條,支流典型特點為溝深坡陡、河道比降在4%左右,橫斷面窄深,含沙量大,泥沙顆粒較粗,是黃河粗泥沙的主要來源區(qū),造成黃河嚴重的泥沙淤積。因此,該水利樞紐工程開發(fā)任務為“以防洪減淤為主,兼顧供水灌溉和發(fā)電等綜合利用”。該水庫死水位588 m,汛限水位617 m,總庫容129.42億m3,電站裝機規(guī)模2100 MW,多年平均來沙量7.73億t。

樞紐主要建筑物包括:排沙底孔壩段共8個,分別與3個溢流表孔壩段和4個泄洪中孔壩段間隔布置,8個排沙底孔壩段長度均為20 m,排沙底孔采用短壓力進口形式,進口高程490 m,孔口尺寸4.5 m×6.0 m。發(fā)電引水壩段位于河床右側,共6個壩段,發(fā)電引水進口高程545 m,沖沙孔布置在發(fā)電引水壩段右側,進口高程為515 m,孔身直徑4 m,左、右岸壩段布置有灌溉供水取水口。發(fā)電引水洞單孔最大過流量為286.20 m3/s,6孔過流量合計1717.20 m3/s。排沙底孔單孔泄流量為1025.75 m3/s,沖沙孔過流量為313.00 m3/s,為了方便試驗記錄和試驗結果處理,將該水利樞紐泄水建筑物自左至右依次編號對應標于上方,上游建筑物立視面如圖1所示。

圖1 上游建筑物立視面(單位:m)

2 模型設計

2.1 模型比尺確定

壩區(qū)泥沙物理模型主要研究不同運用方式下水庫泄流與排沙關系及壩前沖刷漏斗形態(tài)等。模型設計時應考慮沖刷坑附近水流平軸環(huán)流和豎軸環(huán)流對沖刷坑大小及形態(tài)的影響。為正確模擬出這兩種水流結構,模型設計上宜采用正態(tài)模型,進而避免幾何變態(tài)模型造成的建筑物扭曲,保證垂向水流流速分布相似和環(huán)流結構相似。

根據試驗內容和場地,確定本次模型平面比尺為:水平比尺λL＝垂直比尺λH＝100。依據動床河工模型的相似準則,確定模型試驗其他相似比尺:流速比尺為10,懸沙粒徑比尺為2.61,含沙量比尺為2.8,流量比尺為100000。

2.2 模型沙的選擇

模型為壩區(qū)動床模型,模型沙選配主要考慮泥沙沉降相似、泥沙起動相似及河床變形相似,進而確定懸沙粒徑比尺和含沙量比尺。原型水庫淤積物的干容重取1.40 t/m3,模型床沙干容重約為0.75 t/m3,模型中的懸沙粒徑小、干容重取0.70 t/m3。原型懸移質泥沙中值粒徑為0.028 mm左右,根據懸沙粒徑比尺可得要求的模型懸沙中值粒徑約為0.011 mm,本試驗原型水庫的入庫水流含沙量較高,屬于高含沙水流,根據多年來經驗,高含沙模型試驗含沙量比尺一般大于1。中國水利水電科學研究院在開展小浪底、三門峽、渭河下游等模型試驗時含沙量比尺均為2.8,因此本試驗水利樞紐泥沙物理模型選用粉煤灰作為模型沙,含沙量比尺也定為2.8。

2.3 模型布置

本次模型試驗范圍為該水利樞紐上游5 km左右,模型高度滿足試驗最高水位即汛限水位(617 m)要求,模型高度為2.1 m。循環(huán)系統(tǒng)由模型、200 m3的地下水庫、220 m3的地表水庫及2個100 m3的渾水攪拌池、沉沙池及自動供水系統(tǒng)等部分構成,模型平面布置如圖2所示。

圖2 模型平面布置示意

3 試驗過程

模型試驗模擬沖刷漏斗有兩種方法:一種是按挾沙水流相似準則設計模型,讓泥沙自然沉積在壩前,然后進行沖刷漏斗形態(tài)試驗；另一種是在模型上按壩前設計淤積高程,人工鋪設模型沙,再進行沖刷試驗[17］。本試驗采用第一種方法開展2種工況的模型試驗。2種工況試驗的地形邊界條件和水沙邊界條件完全相同,均保持壩前水位為588 m,上游來水流量為1000 m3/s,含沙量為20 kg/m3,即為了方便試驗結果的比較,每種工況試驗前先將壩前5 m(模型距離)范圍內的地形高程清理至排沙底孔底板高程490 m,工況一運用方式為沖刷、工況二運用方式為淤積。2種工況試驗時,模型進口施放流量為1000 m3/s、含沙量為20 kg/m3的含沙水流,并將壩前水位控制在死水位588 m,同時開啟8＃排沙底孔進行泄流。不同之處在于,工況一在試驗前需預放一定的含沙水流,并適當開啟不同位置閘門進行泄水,使各泄水建筑物孔洞前淤沙高程基本一致,通過觀測實時地形,確保壩前地形穩(wěn)定后的淤積面高程達到545 m(考慮試驗結束后,泥沙在重力作用和水壓力作用下會發(fā)生沉降,故試驗過程中監(jiān)測的地形高程要偏高一些)以上時,關閉進出水口并自然靜止12 h以上,使得孔洞前淤積面高程基本穩(wěn)定,在此基礎上再開展工況二的試驗。

2種工況的試驗過程中監(jiān)測壩前地形沖淤變化及形成漏斗的形態(tài),并觀察發(fā)電洞口門前清情況。同時,根據實時監(jiān)測的地形數據(工況二試驗,壩前漏斗肩部淤積高程超過發(fā)電洞進口高程545 m并穩(wěn)定后)及時對比進出口含沙量,判斷是否達到沖淤平衡,待沖淤平衡后,關閉進出口,并對試驗后的壩前地形和漏斗進行測量。

4 試驗結果及分析

4.1 工況一試驗結果分析

工況一試驗結束后,壩前漏斗實況見圖3(圖中箭頭表示水流方向),壩前沖淤地形示意見圖4,壩前5 cm(模型)處漏斗橫斷面見圖5。

圖3 壩前沖刷漏斗實況

圖4 壩前沖刷漏斗示意

圖5 壩前5 cm（模型）處漏斗橫斷面

從圖3和圖4可以看出,試驗結束后壩前沖刷漏斗呈半圓形,通過測量可知,漏斗橫向寬度范圍為17～70 m,漏斗縱向寬度約為50 m,可以使1＃發(fā)電洞門前清。

試驗結束后,壩前沖刷漏斗最低點在排沙洞進口底板高程490 m附近。發(fā)電洞底板高程545 m以下橫向和縱向的變化特點為:①橫向坡比。8＃排沙底孔前,左右橫向坡比基本一致,并以527 m高程為界大致分為兩段,上段坡比略小于下段,具體而言,高于527 m高程的橫向坡比為1∶1左右,低于527 m高程的橫向坡比為1∶0.3左右,其平均橫向坡比約為1∶0.6。②縱向坡比。可分為兩段,靠近孔洞的縱向坡比為1∶0.5左右,遠離孔洞的縱向坡比為1∶0.9左右,前者大于后者,其平均坡比約為1∶0.8,分析可發(fā)現越遠離洞口段坡度越小,當泄水孔口前淤積的深度變淺時自然越遠離洞口,即淤積深度越小坡度越小,符合壩前漏斗形態(tài)的一般規(guī)律。

4.2 工況二試驗結果分析

工況二試驗結束后,壩前淤積漏斗形態(tài)隨時間變化見圖6,壩前沖淤地形見圖7,壩前5 cm(模型)處地形橫斷面見圖8。

圖6 壩前淤積漏斗變化情況

圖7 壩前淤積漏斗示意

圖8 壩前漏斗橫斷面

從圖6和圖7可以看出,排沙底孔前漏斗為半圓狀,以排沙洞進口底板高程490 m附近為最低點,且隨著壩前淤積高程的提高,壩前漏斗的坡度越來越陡,發(fā)電洞底板高程545 m以下漏斗橫向最大寬度約為215 m,可以使其右側的1＃～4＃發(fā)電洞達到門前清狀態(tài),漏斗縱向向上游延伸至孔洞前沿305 m左右。

壩前漏斗的左右橫向坡比基本一致,且分為兩段,545 m高程以下漏斗橫向坡比為1∶2左右,545 m高程以上漏斗橫向坡比為1∶5左右,后者明顯小于前者；壩前漏斗的縱向坡比以542 m高程為界也分為兩段,542 m高程以下漏斗縱向坡比在1∶2.5左右,與其相比,542 m高程以上漏斗縱向坡比明顯偏小,坡比約為1∶5。對比淤積漏斗縱橫平均坡比可得,橫向坡比大于縱向坡比,由于孔口前主流是由單向明渠流向深水孔口流過渡,順水流方向單寬流量大于垂直于主流的側向單寬流量,而且流量越大水深越大,因此一般漏斗的縱向坡比小于橫向坡比[18］。

通過對比兩種工況試驗結果可知,整體形態(tài)上,淤積漏斗橫向寬度和縱向寬度都大于沖刷漏斗的,且淤積漏斗的橫向坡比和縱向坡比都小于沖刷漏斗相應的坡比,即淤積漏斗影響范圍大于沖刷漏斗的。因此,建議定期或不定期開啟排沙底孔進行排沙,以提高排沙底孔排沙效果和發(fā)電洞發(fā)電效率。

4.3 與已有漏斗模型試驗結果比較

國內外許多學者通過原型觀測或模型試驗對水利樞紐泄水建筑物進口沖刷漏斗進行了研究,在壩前漏斗形態(tài)方面取得了大量的成果,表1和表2分別為不完全統(tǒng)計的壩前漏斗實測結果和試驗結果。

表1 壩前漏斗實測結果

表2 壩前漏斗試驗結果

綜合上述漏斗實測結果和試驗結果可知:①無論 是實測結果還是試驗結果,大都呈現出漏斗橫向坡比大于漏斗的縱向坡比；②原型觀測漏斗的坡比與入庫水流條件、入庫泥沙量及泥沙特征、庫區(qū)地形、地貌、樞紐泄流規(guī)模及布置高程和位置等相關[11］,沖刷漏斗的成因十分復雜,現有試驗技術尚無法達到嚴格相似,因此原型觀測漏斗坡比與試驗結果會存在不同程度的差異,一般而言,模型試驗得到的漏斗邊坡坡度較原型觀測的要大、范圍要??；③泄流量增大,相應的底孔流速增大,形成的沖刷漏斗坡度更加平緩；④泄流量一定時,不同水深漏斗坡比差異很大,呈現坡比隨水深增大而增大的趨勢；⑤本試驗的底孔流量、孔前水深、孔前淤積厚度都介于其他水庫的范圍中,同時本試驗的漏斗縱、橫向坡比也介于其他水庫的坡比范圍中,因此本試驗結果合理可靠。

5 結論

對黃河某水庫壩前沖刷漏斗形態(tài)進行模型試驗研究,對比分析了同一排沙底孔在壩前沖刷和淤積運用方式下所形成漏斗的形態(tài)、縱橫向坡比及發(fā)電洞孔口門前清情況,并與已有研究結果進行對比,得到以下結論:

(1)壩前漏斗為半圓狀,且淤積漏斗大于沖刷漏斗的影響范圍,發(fā)電洞底板545 m高程以下,8＃排沙底孔淤積漏斗橫向和縱向最大寬度分別約為215 m和140 m,8＃排沙底孔沖刷漏斗橫向和縱向最大寬度分別約為70 m和50 m。

(2)在死水位588 m、流量1000 m3/s、含沙量20 kg/m3的水沙條件下,8＃排沙底孔前淤積漏斗可以使1?！?＃發(fā)電洞達到門前清,而8＃排沙底孔前沖刷漏斗可以使1＃發(fā)電洞達到門前清。因此,定期或不定期開啟排沙底孔進行排沙,可以提高排沙底孔排沙效果和發(fā)電洞發(fā)電效率。

(3)545 m高程以下,8＃排沙底孔淤積漏斗的橫向坡比和縱向坡比分別為1∶2.0和1∶2.5左右,8＃排沙底孔沖刷漏斗的橫向坡比和縱向坡比分別為1∶0.6和1∶0.5左右。

(4)對比分析兩組橫、縱向坡比,淤積漏斗的縱、橫坡比均小于沖刷漏斗的相應坡比,即淤積漏斗的坡度小于沖刷漏斗的；同時橫向坡比一般大于縱向坡比。

(5)壩前漏斗縱向坡比、橫向坡比均大致可分為兩段,且具有遠離孔洞小、近孔洞大的規(guī)律。

(6)實測漏斗形態(tài)分析結果和模型試驗結果表明,本次試驗結果與實測分析結果及其他模型試驗結果在定性規(guī)律上基本一致。在考慮壩前達到沖淤平衡狀態(tài)、排沙洞可正常運行情況下,模型試驗形成的壩前沖刷漏斗形態(tài)及范圍均偏于保守,漏斗坡度大于原型觀測的結果。因此,這種試驗結果是偏于保守的,對于工程安全是有利的。