水庫排沙清淤中導(dǎo)流堤與排沙渠結(jié)合技術(shù)應(yīng)用的試驗(yàn)分析

陳 楊

（新疆金溝河流域管理局,新疆 沙灣 830052）

1 問題的提出

紅山水庫位于沙灣縣城西南方向金溝河中游河段出山口處,壩址控制流域面積1688 km2。工程區(qū)距烏魯木齊211 km,距沙灣縣城約25 km,目前沙灣縣至工程區(qū)有X805 道路通過,均為瀝青路面,交通便利。紅山水庫工程是金溝河上的控制性工程,起著龍頭水庫的重要作用,主要承擔(dān)著灌溉、防洪和工業(yè)供水的任務(wù),并兼顧發(fā)電?？値烊轂?506 萬m3,正常蓄水位為887.00 m,死水位853.00 m。從水庫的興利要求看紅山水庫樞紐工程推薦正常蓄水位為887 m,是以灌溉供水為首要任務(wù)的水利樞紐工程,其次為防洪兼顧發(fā)電。金溝河是北疆地區(qū)泥沙含量較大的河流之一,紅山水庫建成后各不同淤積水平年淤積量見表1 ,河段泥沙淤積對(duì)水庫正常運(yùn)行的影響是較大的,可以說,如何解決金溝河流域沙灣縣段泥沙淤積問題是有效解決紅山水庫泥沙淤積的首要問題。本文結(jié)合同類型水庫泥沙淤積治理經(jīng)驗(yàn),針對(duì)金溝河流域紅山水庫泥沙淤積現(xiàn)狀提出在水庫上游修建導(dǎo)流堤與在水庫下游修建排沙渠相結(jié)合的清淤治理技術(shù),確保金溝河流域紅山水庫段來沙直接通過水庫排沙底洞向流域下游排放,為流域紅山水庫段創(chuàng)造有利的河流運(yùn)行條件,實(shí)現(xiàn)干流來流順暢的目的。

表1 紅山水利樞紐工程各不同淤積水平年淤積量表單位：萬m3

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

綜合考慮試驗(yàn)精度及原型河床條件,模型設(shè)計(jì)水深hm應(yīng)在1.5 cm以上,結(jié)合模型水流流態(tài)具體要求,將模型試驗(yàn)比尺[1]確定如下：

其中e為模型的幾何變率,對(duì)于該變率系數(shù)的選擇,國內(nèi)許多學(xué)者均進(jìn)行過深入研究,并提出不同的限制條件,具體如下,并結(jié)合金溝河流域紅山水庫泥沙淤積現(xiàn)狀,將試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀巫兟蚀_定為8。

張瑞謹(jǐn)所提出的限制條件[2]：

竇國仁所提出的限制條件[2]：

張紅武所提出的限制條件[3]：

在以上限制條件公式中, B為河寬, H為代表斷面水深。若選擇代表斷面時(shí)采用原型河道和庫區(qū)結(jié)合部,則河寬為300 m,代表斷面水深為1.8 m,根據(jù)限制條件計(jì)算結(jié)果,本水庫試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀巫兟蔱=8 符合以上限制條件的要求。流域代表斷面挾沙系數(shù)比尺k在傳統(tǒng)理念中通常取1,但是越來越多的文獻(xiàn)和試驗(yàn)顯示，k＞1,結(jié)合金溝河流域紅山水庫代表斷面實(shí)際,應(yīng)認(rèn)為代表斷面挾沙系數(shù)比尺k≈4.5。結(jié)合紅山水庫現(xiàn)有泥沙資料,原型懸移質(zhì)沙和河床淤積物顆粒粒徑均較小,存在較大的模擬難度,經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)后項(xiàng)目組決定，模型沙選用沙灣縣照力火電廠生產(chǎn)的粉煤灰,其生產(chǎn)的粉煤灰物化性能穩(wěn)定,密度適中,在進(jìn)行高含沙洪水試驗(yàn)的過程中其流態(tài)不會(huì)發(fā)生失真,且水下選沙容易,造價(jià)低廉,但是其組分中活性物含量較高,容易引發(fā)試驗(yàn)中河床面固結(jié)。針對(duì)照力火電廠所生產(chǎn)的粉煤灰的性能特征先進(jìn)行即鋪即做、鋪置1 d、鋪置2 d、鋪置3 d的預(yù)備性試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果顯示,鋪置2 d 預(yù)備性試驗(yàn)的模擬效果最好,泥沙起動(dòng)流速最符合金溝河流域紅山水庫代表斷面泥沙運(yùn)行實(shí)際,而且所選用的粉煤灰材料在預(yù)備性試驗(yàn)過程中也并未出現(xiàn)絮凝。

為進(jìn)一步進(jìn)行模型中泥沙、水流運(yùn)動(dòng)和河床變形相似程度的判斷與檢驗(yàn)，還進(jìn)行了以下驗(yàn)證,即選擇紅山水庫庫區(qū)天然河道實(shí)測(cè)原始地形,并在驗(yàn)證過程中加強(qiáng)進(jìn)口水流量、含沙量、懸移質(zhì)級(jí)配等與原型一致性的檢查,并以泥沙沖淤變形、出庫含沙量、沿程水位、流速等為重點(diǎn)觀測(cè)對(duì)象。根據(jù)驗(yàn)證,本次試驗(yàn)的代表斷面淤積量、淤積變動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)、淤積具體部位等均與原型相似,并能成功復(fù)制金溝河流域紅山水庫運(yùn)行10 a泥沙實(shí)際淤積過程。驗(yàn)證試驗(yàn)也說明,模型比尺和所選擇的模型沙均符合試驗(yàn)要求。

3 導(dǎo)流堤與排沙渠結(jié)合技術(shù)應(yīng)用的試驗(yàn)排沙效果

3.1 導(dǎo)流堤排沙

金溝河流域紅山水庫導(dǎo)流堤試驗(yàn)確定在泥沙測(cè)量斷面K411 處,導(dǎo)流堤全長400 m,高6 m,與壩前直線距離5.5 km,且在該測(cè)量斷面處導(dǎo)流堤軸線和導(dǎo)線形成135°夾角。進(jìn)行金溝河流域設(shè)計(jì)流量100 m3/s,庫水位1120 m,且p=100%工況下導(dǎo)流堤試驗(yàn)結(jié)果的模擬。在導(dǎo)流堤的導(dǎo)向下水流向左岸流去，并在導(dǎo)流堤端部與左岸河道會(huì)合后流向下游，持續(xù)性沖刷3 d后在臨近左岸處形成最大深度4.0 m、最大寬度80.0 m的S形河槽。

3.2 排沙渠排沙

將排沙渠出口設(shè)置在泄洪排沙涵洞前450 m處，并使其與導(dǎo)流明渠左岸連接后兩個(gè)軸線形成65°夾角，排沙渠設(shè)計(jì)長度600 m，深度6.5 m，梯形橫斷面，渠底寬45.5 m，設(shè)計(jì)邊坡1∶1.5。將設(shè)計(jì)長度600 m、設(shè)計(jì)高度6.0 m的導(dǎo)流順壩設(shè)置在排沙渠道前段，并使順壩軸線和渠道軸線形成150°夾角。進(jìn)行金溝河流域設(shè)計(jì)流量100 m3/s，控制庫水位1120 m工況下排沙渠試驗(yàn)結(jié)果的模擬。模擬及觀測(cè)結(jié)果顯示，導(dǎo)流順壩迎、背水面存在較小的水位差，且順壩進(jìn)口處水流流速緩慢、流態(tài)平穩(wěn)且順暢，對(duì)于較低庫水位，金溝河流域出現(xiàn)突然性較大規(guī)模洪水后，即使沖刷槽內(nèi)的水流也很難改道導(dǎo)流明渠進(jìn)口。

3.3 導(dǎo)流堤與排沙渠結(jié)合的排沙效果

根據(jù)以上對(duì)金溝河流域紅山水庫排沙清淤中導(dǎo)流堤與排沙渠道排沙過程的模擬以及對(duì)水庫在洪水歷時(shí)過程中排沙效果的觀測(cè)分析,將水庫排沙清淤技術(shù)措施實(shí)施后典型斷面沖刷情況描繪如下,具體見圖1。

圖1 設(shè)計(jì)斷面沖刷前后情況對(duì)比

通過對(duì)金溝河流域洪山水庫典型設(shè)計(jì)斷面沖刷前后情況對(duì)比的分析可知,沖刷主槽主要出現(xiàn)在水庫上游左岸，且當(dāng)庫水位達(dá)到1453 m后主槽出現(xiàn)部分淤積,且在次年的正常流量水平下主槽經(jīng)過3 d沖刷后又再次形成淤積，阻礙了水流流向魚嘴方向。此外,當(dāng)紅山水庫上游左岸沖刷主槽形成后，必然會(huì)有大量挾沙的洪水流經(jīng)主槽及所設(shè)置的排沙渠道后向下游排放，很難改變河道主流，所以能有效解決金溝河紅山水庫庫區(qū)泥沙落淤于魚嘴方向的問題。

根據(jù)水流沖刷現(xiàn)狀及趨勢(shì)進(jìn)行金溝河流域紅山水庫庫區(qū)典型斷面2020 年泥沙淤積形態(tài)的模擬，并在庫區(qū)地形條件下結(jié)合水庫洪水歷時(shí)和水沙條件進(jìn)行水庫上游修建導(dǎo)流堤以及同時(shí)在水庫下游修建排沙渠相結(jié)合的清淤治理措施實(shí)施后實(shí)際排沙效果的模擬，具體見圖2，圖中出庫泥沙1 表示出庫泥沙實(shí)測(cè)結(jié)果，出庫泥沙2 表示出庫泥沙試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 2020年金溝河流域紅山水庫庫區(qū)典型斷面泥沙淤積形態(tài)模擬結(jié)果

根據(jù)對(duì)圖2 中典型斷面泥沙淤積形態(tài)模擬結(jié)果的分析可以看出，在水庫上游修建導(dǎo)流堤同時(shí)在水庫下游修建排沙渠相結(jié)合的清淤治理措施實(shí)施后出庫泥沙量顯著增加，且滯留于庫區(qū)的泥沙完全能夠通過如異重流排沙等較為有效的排沙方式及時(shí)排除庫區(qū)。根據(jù)金溝河流域紅山水庫庫區(qū)2019 年汛期實(shí)際排沙情況來看，2019 年10 月12 日水庫秋季蓄水過程中通過1448.40 m的較高異重流排沙水位實(shí)現(xiàn)了3.642 萬t的排沙總量，排沙比達(dá)到14.53%，異重流排沙效果十分顯著。而水庫上游修建導(dǎo)流堤與水庫下游修建排沙渠相結(jié)合的排沙過程主要集中在5 月~7 月份，而異重流排沙過程則集中在7 月~10 月份，兩種排沙方式的結(jié)合能夠有效解決金溝河流域紅山水庫庫區(qū)泥沙淤積問題。

3.3 入庫出庫泥沙預(yù)測(cè)

根據(jù)對(duì)金溝河流域紅山水庫庫區(qū)典型斷面2020 年出庫泥沙情況的模擬并結(jié)合水庫出庫泥沙實(shí)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行水庫上游修建導(dǎo)流堤同時(shí)在水庫下游修建排沙渠相結(jié)合的清淤治理措施實(shí)施后入庫出庫泥沙年際對(duì)比，具體見圖3。

圖3 金溝河流域紅山水庫庫區(qū)典型斷面入庫出庫泥沙年際對(duì)比

根據(jù)出庫入庫泥沙年際對(duì)比結(jié)果，紅山水庫上游修建導(dǎo)流堤同時(shí)在水庫下游修建排沙渠相結(jié)合的清淤治理措施實(shí)施后，綜合排沙能力隨時(shí)間的推移有所降低，主要原因應(yīng)在水庫運(yùn)行管理方面，由于水庫實(shí)際運(yùn)行過程中，各年來水來沙情況較難預(yù)測(cè)，為此必須不定期人工清理排沙渠。此外，庫區(qū)上游來水會(huì)對(duì)導(dǎo)流堤造成較嚴(yán)重的沖刷，而上游導(dǎo)流堤是確保上游水流流向的主要建筑物，也是能否有效解決紅山水庫庫區(qū)泥沙淤積問題的關(guān)鍵工程。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，金溝河流域6 月~8 月份汛期期間庫水位在887.02 m，上游河道來水和水庫泄水流量均不超過650 m3/s，紅山水庫能通過上游修建導(dǎo)流堤、下游修建排沙渠相結(jié)合的清淤措施取得理想的排沙效果，汛期排沙總量可達(dá)165 萬t。

4 結(jié)論

針對(duì)金溝河流域紅山水庫泥沙淤積問題構(gòu)建起物理模型，并研究了水庫上游修建導(dǎo)流堤、下游修建排沙渠相結(jié)合的清淤治理措施實(shí)施后庫區(qū)泥沙淤積效果分析，得出的主要結(jié)論有：（1）水庫上游修建導(dǎo)流堤、下游修建排沙渠的清淤措施對(duì)于金溝河流域紅山水庫庫區(qū)清淤治理十分可行，并與其余排沙清淤措施（如異重流排沙）聯(lián)合應(yīng)用后能快速恢復(fù)水庫庫容，且適用性強(qiáng)；（2）水庫上游修建導(dǎo)流堤、下游修建排沙渠相結(jié)合的清淤治理措施主要通過庫區(qū)常遇流量并在庫區(qū)形成沖刷主槽，以達(dá)到順利排泄洪水期泥沙的目的，能很好地恢復(fù)水庫庫容。