多沙河流水利樞紐動(dòng)床模型設(shè)計(jì)研究

摘 要：多沙河流水利樞紐的常規(guī)模型經(jīng)常無(wú)法正確模擬實(shí)際工程運(yùn)行情況，導(dǎo)致擬建工程建成運(yùn)行后出現(xiàn)這樣或那樣的問(wèn)題。為提高多沙河流水利樞紐動(dòng)床模型試驗(yàn)水平，優(yōu)化水庫(kù)泥沙模型設(shè)計(jì)方法，以某多沙河流水庫(kù)為原型，針對(duì)動(dòng)床模型試驗(yàn)首要的模型沙選擇，確定化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、容重適中的擬焦沙作為模型沙，通過(guò)分析懸移質(zhì)和推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)相似條件，依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果以及精度較高的沉速和水流挾沙力等計(jì)算公式，確定在多沙河流水庫(kù)模型中滿(mǎn)足水流運(yùn)動(dòng)、泥沙運(yùn)動(dòng)以及異重流運(yùn)動(dòng)相似條件對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)比尺，為模型制作后完成驗(yàn)證和正式工程方案試驗(yàn)打下良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)泥沙模型；模型沙；異重流運(yùn)動(dòng)；多沙河流；水利樞紐

中圖分類(lèi)號(hào)：ＴＶ３１４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２５．０３．００６

引用格式：褚麗，楊張輝，劉松華，等．多沙河流水利樞紐動(dòng)床模型設(shè)計(jì)研究［Ｊ］．人民黃河，２０２５，４７（３）：３７－４１．

０ 引言

多沙河流水利樞紐設(shè)計(jì)非常困難，許多重要的環(huán)節(jié)僅依靠規(guī)范很難完成，設(shè)計(jì)單位不得不委托相關(guān)單位開(kāi)展模型試驗(yàn)，設(shè)計(jì)人員與試驗(yàn)人員一起攻克關(guān)鍵技術(shù)難題。我國(guó)最早的水庫(kù)泥沙模型試驗(yàn)是２０ 世紀(jì)５０ 年代在列寧格勒大學(xué)開(kāi)展的黃河三門(mén)峽水庫(kù)淤積及排沙模型試驗(yàn)［１］ ，１９５８—１９６０ 年我國(guó)水利科研單位集中李保如、沙玉清、錢(qián)寧等著名專(zhuān)家和大量技術(shù)人員，先后開(kāi)展了三門(mén)峽水庫(kù)建成后下游花園口至東壩頭河段露天大模型預(yù)測(cè)試驗(yàn)、三門(mén)峽水庫(kù)和渭河野外大模型試驗(yàn)，受當(dāng)時(shí)模型相似律研究水平較低的限制，除露天大模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)當(dāng)時(shí)的游蕩型河段治理具有指導(dǎo)或參考意義外，其他模型還不能達(dá)到定性相似，無(wú)法提交試驗(yàn)成果報(bào)告，更沒(méi)能預(yù)測(cè)出庫(kù)區(qū)泥沙嚴(yán)重淤積乃至不斷向上游發(fā)展的“翹尾部”現(xiàn)象，導(dǎo)致三門(mén)峽水利樞紐工程出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題［１－２］ 。由于模型試驗(yàn)的失敗，因此至今對(duì)此缺乏正式的評(píng)價(jià)，只有文獻(xiàn)［１］認(rèn)為“對(duì)于模型試驗(yàn)的探索還是積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，在我國(guó)河流模型發(fā)展史上有重要的位置”。受各方面的影響，多沙河流水庫(kù)模型的相似理論和試驗(yàn)方法長(zhǎng)期沒(méi)有明顯提高，即使到小浪底水庫(kù)設(shè)計(jì)之時(shí)，國(guó)內(nèi)也難以進(jìn)行多沙河流的水庫(kù)模型試驗(yàn)，只能開(kāi)展難以滿(mǎn)足嚴(yán)格相似條件的壩區(qū)模型試驗(yàn)，以至于在黃河水利科學(xué)研究院、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院利用電廠粉煤灰分別完成小浪底壩區(qū)模型試驗(yàn)之后，黃河水利委員會(huì)又投入巨資在南京水利科學(xué)研究院利用電木粉重新制作壩區(qū)模型開(kāi)展試驗(yàn)，即使如此，其壩前沖淤形態(tài)與工程修建運(yùn)行后的狀況仍然存在較大差距。

以往設(shè)計(jì)單位只關(guān)注試驗(yàn)結(jié)果而不關(guān)注模型設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致水利樞紐建成運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)這樣或那樣的問(wèn)題［１］ 。為提升多沙河流水利樞紐動(dòng)床模型試驗(yàn)水平，本文以某水庫(kù)泥沙模型設(shè)計(jì)為例，通過(guò)模型相似條件分析、模型沙選擇、比尺計(jì)算等環(huán)節(jié)，讓讀者了解到多沙河流水利樞紐動(dòng)床模型的設(shè)計(jì)方法。

１ 工程概況

擬建工程主要由攔河壩、溢洪道、泄洪排沙洞和放水洞等建筑物組成。溢洪道布置于河道右岸、泄洪排沙洞和放水洞布置于河道左岸。攔河壩為土質(zhì)心墻分區(qū)壩，設(shè)計(jì)最大壩高５７． ９ ｍ， 壩頂全長(zhǎng)５８６ ｍ、寬７．０ ｍ，壩體采用土質(zhì)心墻防滲；溢洪道緊鄰攔河壩右壩頭布置，控制段采用ＷＥＳ 實(shí)用堰，共２ 孔，單孔凈寬７．５ ｍ，堰頂設(shè)弧形工作閘門(mén)，在工作閘門(mén)上游設(shè)平板檢修閘門(mén)，出口采用底流消能；泄洪排沙洞布置于攔河壩左岸山體內(nèi)，進(jìn)水塔為岸塔式，塔室內(nèi)設(shè)弧形工作閘門(mén)和平面事故檢修閘門(mén)，洞身采用５．０ ｍ×６．０ ｍ 的城門(mén)洞形無(wú)壓斷面，出口采用底流消能；放水洞亦布置于攔河壩左岸山體內(nèi)，位于泄洪排沙洞右側(cè)，進(jìn)水塔為岸塔式，洞身斷面為尺寸１．５ ｍ×１．８ ｍ 的城門(mén)洞形。

擬建水庫(kù)正常蓄水位為９９６．５０ ｍ，汛限水位為９９５．５０ ｍ，水庫(kù)調(diào)洪演算起調(diào)水位為汛限水位９９５．５０ ｍ，１００ ａ 一遇以下洪水不同方案按流量２４０ ｍ３ ／ ｓ 控泄，超１００ ａ 一遇洪水采用所有設(shè)施泄洪。

２ 試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)內(nèi)容及技術(shù)路線

２．１ 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

擬建水利樞紐工程是以防洪為主，兼顧城市供水和農(nóng)業(yè)灌溉的大（２）型水庫(kù)，庫(kù)容６ ４０６ 萬(wàn)ｍ３。其泄水建筑物溢洪道、泄洪排沙洞等為２ 級(jí)建筑物，應(yīng)根據(jù)水工模型試驗(yàn)論證工程布置及水力設(shè)計(jì)的合理性，驗(yàn)證主要泄水建筑物進(jìn)水口流態(tài)、過(guò)流能力、泄槽流態(tài)、消能防沖設(shè)施合理性、下游沖刷、壩后回水沖刷、泄洪排沙洞排沙效果等，在必要時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，完善泄水建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

２．２ 試驗(yàn)內(nèi)容

設(shè)計(jì)單位要求的試驗(yàn)內(nèi)容包括觀測(cè)溢洪道和泄洪排沙洞不同水位和不同泄流量情況下的過(guò)流能力、消能效果、泄槽底板的脈動(dòng)壓力和離心力、尾渠水流流態(tài)、消力池下游和壩后沖刷、泄洪排沙洞的排沙效果等。１）進(jìn)行閘門(mén)全開(kāi)時(shí)溢洪道、泄洪排沙洞的泄流能力試驗(yàn)，驗(yàn)證不同庫(kù)水位、不同閘門(mén)開(kāi)度情況下對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)及下泄流量。２）設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位情況下，自溢洪道、泄洪排沙洞進(jìn)口至主槽的水面曲線。３）設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位情況下，驗(yàn)證溢洪道、泄洪排沙洞底流消能效果。４）驗(yàn)證泄槽底板的穩(wěn)定性，觀測(cè)溢洪道泄洪時(shí)泄槽底板的脈動(dòng)壓力和離心力。５）驗(yàn)證溢洪道、泄洪排沙洞下游防沖設(shè)施布置和結(jié)構(gòu)是否合理，給出海漫末端、壩后回水的沖坑深度和范圍，驗(yàn)證防沖范圍和深度。６）驗(yàn)證溢洪道、泄洪排沙洞尾渠的防護(hù)形式，給出尾渠的水面線和流速，提出防護(hù)措施。７）觀測(cè)溢洪道、泄洪排沙洞尾渠出口至主槽的水面線和流速，觀測(cè)壩后河床的沖刷程度。８）驗(yàn)證泄洪排沙洞尾渠的排沙效果，提出水庫(kù)排沙比及提高排沙比的措施。

２．３ 研究的技術(shù)路線

根據(jù)初步掌握的原型泥沙資料，擬建水利樞紐工程所在河流的年均含沙量超過(guò)５０ ｋｇ／ ｍ３，比黃河年均含沙量還大很多，這樣的中小河流在西北乃至華北某些地區(qū)都較多存在，有關(guān)泥沙方面的工程設(shè)計(jì)難度遠(yuǎn)大于大江大河的水利樞紐，何況泄洪排沙時(shí)下泄水流無(wú)疑是高含沙量水流［３］ 。對(duì)于本項(xiàng)目，技術(shù)難度較大的是上述試驗(yàn)內(nèi)容中的第８ 條，亦即通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證泄洪排沙洞尾渠的排沙效果，提出水庫(kù)排沙比及提高排沙比的措施。由于渾水條件下的泄流能力、摩阻特性、消能效果、流變特性、流速及壓力分布等方面的表現(xiàn)與清水區(qū)別較大［４－５］ ，因此第８ 條對(duì)試驗(yàn)內(nèi)容中的第１～７ 條都有不可忽視的影響。

為此，本項(xiàng)目根據(jù)擬建水庫(kù)入庫(kù)的水沙特性和河道初始地形資料，經(jīng)過(guò)比選確定合適的幾何比尺，制作水利樞紐壩區(qū)模型，確保水流的進(jìn)口條件以及泥沙淤積后水流流態(tài)變化、灘槽形態(tài)演變同原型相似，在不同特征洪水條件下，開(kāi)展樞紐泄水建筑物的水力特性、樞紐下游消能防沖效果以及泄洪排沙洞的排沙效果等研究?jī)?nèi)容的觀測(cè)試驗(yàn)，給出洞前的沖刷漏斗形態(tài)，論證工程布置及水力設(shè)計(jì)的合理性，為水庫(kù)工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

３ 模型設(shè)計(jì)過(guò)程

３．１ 模型設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)模型的試驗(yàn)任務(wù)，為滿(mǎn)足水流運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)要求，擬建水利樞紐庫(kù)區(qū)模型應(yīng)該設(shè)計(jì)為正態(tài)［６］ ，按照水流重力相似準(zhǔn)則、阻力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，并滿(mǎn)足模型與原型水流流態(tài)相似的限制條件［７］ 。通過(guò)已有的物理模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，排沙洞排出的含沙水流大部分情況下不是賓漢流體［５］ ，輸沙問(wèn)題十分復(fù)雜，不僅出現(xiàn)高含沙洪水與一般挾沙水流的輸沙，而且還有一定規(guī)模的推移質(zhì)輸沙（尤其在沖刷漏斗附近存在推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)），為滿(mǎn)足泥沙沖淤相似條件和泄洪排沙洞內(nèi)高含沙水流運(yùn)動(dòng)相似條件，需進(jìn)一步依據(jù)修訂的《河工模型試驗(yàn)規(guī)程》［７］ 和《黃河高含沙洪水模型的相似律》［５］ 以及相關(guān)研究［８］ ，確定模型需要遵循的相似條件。此外，對(duì)于多沙河流水利樞紐尤其是庫(kù)區(qū)模型，還必須滿(mǎn)足異重流運(yùn)動(dòng)相似條件［９］ ，亦即