輸水渠首工程水閘泥沙淤塞試驗(yàn)研究

鄒志華

摘要：在分析工程設(shè)計(jì)院提供的相關(guān)資料基礎(chǔ)上，本研究以某無(wú)壩引水樞紐的渠首工程為例，通過(guò)河工物理模型試驗(yàn)，來(lái)對(duì)渠首位置選擇以及設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評(píng)估，并找到設(shè)計(jì)中河道水流水力的特性，文章最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，找出已有設(shè)計(jì)在哪些方面存在不足。

關(guān)鍵詞：渠首工程 水閘 泥沙淤積 引水工程

本文利用物理模型試驗(yàn)，對(duì)某水利樞紐渠首工程進(jìn)行分析，找到進(jìn)水閘前泥沙產(chǎn)生嚴(yán)重淤積的主要原因，針對(duì)原因提出合理性的建議[7-9]。

1、基本概況

項(xiàng)目處于我國(guó)偏遠(yuǎn)的西部區(qū)域，取水的用途為發(fā)電。電站主要由渠首樞紐、引水體系、廠房等組成，其中渠首樞紐包括取水口、泄水渠道、泄洪閘以及引水渠道，首部樞紐運(yùn)用的是無(wú)壩引水方案。

該工程所在河流屬于常年性河流，也是西部地區(qū)年平均徑流量最大的河流，根據(jù)1957-2013年的數(shù)據(jù)該河流的年平均徑流量為14.52×108m。河流水源來(lái)自于降雨和冰山融雪，因此降雨量在各個(gè)月份很不很不均勻。6月到8月是該河流的汛期，汛期的水量達(dá)到了年徑流量的將近百分之七十。

2、試驗(yàn)過(guò)程

在該工程所在河段的下游一萬(wàn)米有一處水文站，觀測(cè)數(shù)據(jù)表明在洪水期該河段的最大輸沙率為8898 m3/s。由于當(dāng)河段在百年一遇洪水時(shí)，渠道取水口前的淤積更能夠反應(yīng)問(wèn)題，因此探討閘前泥沙形成淤積的原因時(shí)本實(shí)驗(yàn)選取的是百年一遇試驗(yàn)結(jié)果，共選取在洪峰時(shí)段56.21L/s、66.01L/s、82L/s、96.8L/s、120.15L/s、129. 75L/s六個(gè)流量來(lái)進(jìn)行不同的放水試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)發(fā)生百年一遇洪峰時(shí)，進(jìn)水口位置嚴(yán)重的泥沙淤積現(xiàn)象出現(xiàn)在各個(gè)流量的洪峰過(guò)后，阻礙水的流動(dòng)，干擾明渠引水的正是這些泥沙。

3、分析試驗(yàn)結(jié)果

3.1 水流與河床的相互作用

水流和河床的共同作用形成了河道，在河床作用于水流運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，河道里水的流動(dòng)也會(huì)影響河床的邊界情況，矛盾中的二者相互作用。在河床邊界條件、來(lái)水、來(lái)沙的相互作用下，本文所研究的工程所在河道呈現(xiàn)彎曲形態(tài)，主要的作用力來(lái)自于水和沙，起最終決定作用的是河床邊界條件。將取水口的邊界取直后，山體凹型的河岸形態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致水流對(duì)于取水口上游河道對(duì)岸直接沖刷，造成凸岸灘地坍塌的后果。而且由于現(xiàn)狀地質(zhì)屬于粗泥沙顆粒，會(huì)使河流型態(tài)轉(zhuǎn)變的速度增加，降低河道的穩(wěn)定程度。此外，因?yàn)樵摵佣紊嫌蔚臄嗝姹容^窄，使得右側(cè)的凸岸受到?jīng)_刷，在河流形態(tài)逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)下，斷面繼續(xù)變窄，左岸淤積程度加重。試驗(yàn)顯示河道的右側(cè)凸岸受到?jīng)_刷，在河道左側(cè)人工取直的護(hù)坡前形成近似直線的淤積帶，這種狀態(tài)說(shuō)明該河段的河型從彎曲轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)穩(wěn)定的順直狀態(tài)。

3.2閘前斷面加寬產(chǎn)生的影響

修建該工程時(shí)，與原始河道相比進(jìn)水閘前的河道過(guò)流斷面寬度增加，當(dāng)來(lái)水的總量穩(wěn)定時(shí)，水流的挾沙能力隨著流速的減小而降低，導(dǎo)致泥沙落淤更容易。水閘前的河道寬度大但深度淺時(shí)，關(guān)閘時(shí)出現(xiàn)累計(jì)性、沉淀性淤積的可能性更大，在水壓以及重力的雙重作用下，下部淤泥的密度逐漸加大加，當(dāng)淤泥穩(wěn)定時(shí)被沖走的可能性更小，這也加大了沙難沖淤的難度。以進(jìn)水閘前的一點(diǎn)為樣本測(cè)量水的流速，按照流量2年和5年一遇洪水的常放流量進(jìn)行兩次試驗(yàn)，相關(guān)數(shù)值如下圖：

（a）2年一遇（b）5年一遇

圖1修改閘前斷面前后典型點(diǎn)的水流流速變化

根據(jù)上圖1得知隨著時(shí)間的變化水流流速以及流量級(jí)呈拋物線型，與修改后相比斷面修改前水流的流速數(shù)值要大，并且二者的變化形式基本一致，當(dāng)然由于人工、設(shè)備等因素也會(huì)出現(xiàn)誤差，出現(xiàn)個(gè)別的點(diǎn)不吻合的情況。圖中兩條直線為水流流速的均值線，線的趨勢(shì)表明當(dāng)洪峰期開(kāi)始時(shí)，在第一級(jí)流量下（開(kāi)始時(shí)）水流的流速比較小時(shí)，與均值線的偏離程度比較大，之后隨著水流的流速增加，在第四個(gè)流量級(jí)時(shí)，與均值線的偏離程度達(dá)到最大值，和來(lái)水流量呈正相關(guān)的關(guān)系。洪峰期結(jié)束后，隨著流量的降低水流的流速也有所降低，意味著閘前斷面存在的泥沙淤積影響了水流的流速，間接降低了水流的攜沙能力，減弱了泥沙的輸沙能力，加速了泥沙的落淤，最終形成淤積循環(huán)。所以在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)拓寬閘前斷面，增加閘前水流的流速。

4、解決措施

該河段的水流方式呈螺旋型，按照彎道環(huán)流的常理，底沙流向彎道的凸岸，清水流向彎道的凹岸，最終水沙分離。 在實(shí)際工程中取水口的對(duì)岸（左岸） 地質(zhì)為便于沖刷的顆粒狀粗泥沙，如果調(diào)整山體的凹岸結(jié)構(gòu)，將取水口進(jìn)行取直，會(huì)損壞該河段彎道的結(jié)構(gòu)。所以必須將左岸的地質(zhì)材料替換成不易被沖涮的石體，此外還可以在閘前設(shè)置攔沙坎。

5、結(jié)論

流速和輸沙率呈正相關(guān)，隨著流速的降低水流的輸沙能力也會(huì)減弱，導(dǎo)致泥沙在閘前淤積。因此，無(wú)壩閘前取水口應(yīng)該布置在河流彎道頂點(diǎn)稍偏的下游位置。本文認(rèn)為只要破壞彎道的結(jié)構(gòu)，取水口的位置不滿足上述條件時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致泥沙在閘前淤積，該研究能夠?qū)?guó)內(nèi)引水工程的實(shí)施提供科學(xué)、合理的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉榮華，魏加華，陳志祥，等.塔里木河流域水量調(diào)度優(yōu)化模型研究.南水北調(diào)與科技水利，2009； 7.（ 1） ： 26～30

[2] 趙井東，王 杰，劉時(shí)銀.天山木扎爾特河流域的冰川地貌與冰期.地理學(xué)報(bào)，2009；64（ 5） ： 553～562