田 杰

（山西省水利水電科學(xué)研究院 山西太原 030002）

1 研究背景

隨著沿黃地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，對(duì)黃河水資源的需求量也越來越多，流域內(nèi)修建了大量的蓄水和引提水工程。但黃河水沙變化過程非常復(fù)雜，水沙豐枯變化劇烈，取水口附近受水庫運(yùn)用、上游來流等諸多因素影響。因此，引水引沙過程也非常復(fù)雜，另外泥沙在隧洞內(nèi)難免發(fā)生沖淤不平衡的情況，特別是局部地段累積性淤積的情況也可能發(fā)生。

山西省中部引黃工程是山西省“十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中一項(xiàng)重要的工程，該工程干線自天橋水電站庫區(qū)取水，因此直接采用天橋水電站入庫徑流分析取水口處徑流。天橋水電站2000—2010年多年平均流量417 m3/s，月平均最大流量1 061 m3/s（2007年9月），月平均最小流量92 m3/s（2001年5月）。區(qū)間流域面積17 911 km2，90%以上為黃土丘陵溝壑區(qū)，受暴雨沖蝕，洪峰大，泥沙多[1]。為此，開展取水輸水泥沙問題的深入研究，對(duì)保障中部引黃工程的正常運(yùn)行是不可或缺的。

沉沙池是處理泥沙的一種經(jīng)常采用的方法。按照常規(guī)，沉沙池應(yīng)建在取水口泵站之前，以減少進(jìn)入水泵的泥沙含量及減少泥沙粒徑，同時(shí)解決泥沙在隧洞內(nèi)的淤積和泥沙對(duì)水泵的磨損。但是，由于該工程首部受地形條件所限，不具備設(shè)沉沙池的條件，即使采用了一些辦法，也不能完全排除泥沙的影響，所以鑒于該工程長距離隧洞輸水的特征，設(shè)計(jì)單位除在首部采取一些處理措施之外，擬定利用泵站出水池沉沙，比較徹底地解決泥沙在隧洞內(nèi)的淤積。

該工程直接從黃河干流提水，黃河水泥沙含量大且變化過程非常復(fù)雜，泥沙問題是威脅工程運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵問題。如果處理不當(dāng)，高含沙水流不僅會(huì)造成水泵的磨蝕，輸水隧洞也極有可能發(fā)生泥沙淤堵的現(xiàn)象。尤其應(yīng)當(dāng)指出的是：中部引黃工程采用無壓隧洞經(jīng)泵站一次提水后自流輸水，線路長、縱坡緩（坡降：1/3 000），輸水線路水文及工程地質(zhì)條件復(fù)雜，且受地勢約束，一旦隧洞內(nèi)發(fā)生泥沙淤堵，清淤工作極其困難，將會(huì)嚴(yán)重影響到工程的正常運(yùn)行。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目按照設(shè)計(jì)單位的要求，對(duì)泵站出水池進(jìn)行水工泥沙物理研究，其目的是：依據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的水沙等技術(shù)參數(shù)、要求及邊界條件，了解不同運(yùn)行條件下各部位淤積狀態(tài)并優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。

在清水試驗(yàn)基礎(chǔ)上，取不同流量和含沙量組合條件下的工況組合進(jìn)行試驗(yàn)，工況組合如下：小流量2.95 m3/s、大含沙量10 kg/m3（最不利的工況）；小流量2.95 m3/s、中等含沙量 5.0 kg/m3；中等流量 14.73 m3/s、中等含沙量5.0 kg/m3；大流量23.57 m3/s、中等含沙量5.0 kg/m3；中小流量 8.84 m3/s、中等含沙量 5.0 kg/m3。

2.2 模型設(shè)計(jì)范圍

模型包括上游供水段、模型試驗(yàn)段及回水段三部分，詳見模型布置圖1。

2.3 模型幾何比尺的確定

根據(jù)模型試驗(yàn)任務(wù)及模型沙選擇要求，模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，選用幾何比尺為1∶20的整體正態(tài)水工模型[2]。本模型試驗(yàn)各物理量相似比尺列于表1。

2.4 模型沙的選擇

在渾水模型試驗(yàn)中，為了做到泥沙運(yùn)動(dòng)相似，首先碰到的就是選沙問題。根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的泥沙資料，考慮偏安全因素，泥沙粒徑范圍采用義門站的泥沙資料，其粒徑級(jí)配曲線如圖2。

圖1 模型布置圖

表1 模型各物理量比尺

圖2 顆粒級(jí)配曲線

由圖2曲線知，懸沙中值粒徑d50=0.04 mm，d＜0.025 mm的泥沙占38.28%?？梢姂乙瀑|(zhì)泥沙是比較細(xì)的，對(duì)于懸沙來說，模型沙主要是保證沉降相似。通過對(duì)電木粉、精煤、粉煤灰、塑料沙進(jìn)行比選，選用起動(dòng)流速小、級(jí)配廣的精煤做模型沙。煤粉的顆粒較細(xì)，容易漂浮，一般可用來做模型的懸沙，但使用前需注意浸水（或泡水）處理，洗去漂浮物及油質(zhì)，方可正式使用[3]。

3 試驗(yàn)成果及分析

3.1 出水池中水流粒徑分布

在出水池0-082、0-062、0-038斷面不同高度設(shè)取樣管，運(yùn)行中每隔一定時(shí)間取樣進(jìn)行垂線上的顆粒分析[4]。

由試驗(yàn)分析可知，在流量較小的情況下，無論是出水池前部（樁號(hào)0-082）還是后部（樁號(hào)0-038）處，泥沙顆粒級(jí)配沿程均無較大的變化，而隨著流量的加大，出水池中相應(yīng)的水流流速增大，由試驗(yàn)結(jié)果可以明顯看出較粗顆粒的泥沙被水流帶走，向出口處推移，從而后部泥沙顆粒較粗而前部較細(xì)。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，顆粒級(jí)配也無較明顯的變化。

3.2 出水池中淤積形態(tài)及淤積量分析

由于采用精煤作模型沙，顏色太深，由模型外部觀察淤積面比較困難，故除了由外面觀測外，每運(yùn)行一段時(shí)間，用探桿直接量測一次淤積面變化，測定淤積厚度。等工況運(yùn)行結(jié)束后，停水量測淤積面。

從試驗(yàn)結(jié)果看，Q=2.95 m3/s、S=10 kg/m3，泥沙淤積比較均勻，淤積面也比較平滑。由于出水池中存在多根柱，影響水流的前進(jìn)，故在柱的周圍存在有不規(guī)則的坑，直徑在2.5 m左右。出水池沿程淤積厚度沒有明顯變化，淤積最高點(diǎn)相對(duì)高程為24.46 m，在樁號(hào)0-070附近，最低點(diǎn)在壓力管道出水口附近，相對(duì)高程為22.99m，高差1.47 m。淤積厚度沿程由小變大漸趨平緩，0-030至0-070斷面間淤積最大，最高點(diǎn)淤積厚度為4.91 m。當(dāng)流量加大（Q=23.57 m3/s），含沙量減?。⊿=5 kg/m3）運(yùn)行工況結(jié)束后，出水池沿程淤積厚度由小變大，最高點(diǎn)出現(xiàn)在0-050附近，約為5.74 m。最低點(diǎn)淤積厚度約為1.64 m，高差4.1 m。當(dāng)運(yùn)行工況Q=8.84 m3/s，S=10 kg/m3運(yùn)行結(jié)束后，壓力管道出口處的沖坑基本被填平，出水池沿程淤積變化比較平穩(wěn)，高差變化不大，最高點(diǎn)相對(duì)高程約為25.46 m，出現(xiàn)在樁號(hào)0-063左右。

關(guān)于出水池的淤積形態(tài)，淤積時(shí)間。根據(jù)模型設(shè)定的運(yùn)行模式，只有Q=2.95 m3/s，S=10 kg/m3工況下的淤積形態(tài)才是由空池情況淤積之基礎(chǔ)試驗(yàn)成果。對(duì)于其他成果都是在此基礎(chǔ)上連續(xù)沖淤變化的結(jié)果，故各種工況下當(dāng)池內(nèi)無泥沙時(shí)，從開始運(yùn)行直至達(dá)到?jīng)_淤平衡的時(shí)間是無試驗(yàn)資料的。為此可應(yīng)用明渠沉沙池淤積計(jì)算的一般公式計(jì)算典型工況的出水池中淤積量及淤積時(shí)間。

將不同流量、含沙量組合情況下出水池中泥沙達(dá)到?jīng)_淤平衡的運(yùn)行時(shí)間（天數(shù)）計(jì)算結(jié)果列入表2。

表2 不同流量、含沙量組合工況下出水池沖淤平衡淤積時(shí)間（天數(shù)）

4 結(jié)論及建議

1）從出水前池及隧洞中各種選定的運(yùn)行工況試驗(yàn)成果可以看出，出水前池起到一定的沉沙池作用，可以將入池泥沙中較粗的顆粒沉下，減少或避免隧洞內(nèi)的淤積。但出水前池作為沉沙池考慮從目前的設(shè)計(jì)體型看仍存在一些問題。池內(nèi)產(chǎn)生的回流擴(kuò)散，使淤積不均勻等；同時(shí)，為解決減少隧洞淤積的目的，應(yīng)不斷地將淤積泥沙清除，保持足夠的體積供沉沙，而目前的體型是池內(nèi)柱子太多，無論機(jī)械清淤或水力沖沙都不利。實(shí)驗(yàn)中看出入池壓力洞段當(dāng)流量很小時(shí)，因洞內(nèi)流速很小，也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重泥沙淤積，由明流變?yōu)闈M流，不僅淤泥清淤困難，也可能形成明滿流危險(xiǎn)，故將沉沙池置于水泵出口，應(yīng)權(quán)衡利弊，認(rèn)真研究。另外，建議出水池體型及構(gòu)造應(yīng)該按照沉沙池規(guī)范要求來設(shè)計(jì)。

2）從出水前池內(nèi)淤積形態(tài)、不同深度、不同部位的泥沙粒徑等來看各種工況也是有一定差別的，是符合一般泥沙沖淤規(guī)律的。但可以看出不論哪種工況，若不能將沉淀的泥沙清除，都將在一定時(shí)間內(nèi)淤積至沖淤平衡狀態(tài)，使入池泥沙基本都送入洞內(nèi)。所提供的不同工況淤滿時(shí)間雖然較粗，但說明這一工作狀態(tài)是一定會(huì)出現(xiàn)的。因此隧洞中水流泥沙設(shè)計(jì)應(yīng)以最不利的工作狀態(tài)設(shè)計(jì)，即不同工況的泥沙全部進(jìn)洞來研究隧洞內(nèi)的泥沙沖淤問題。

［1］劉錫田.黃河天橋水電站建設(shè)及泥沙處理主要經(jīng)驗(yàn)［J］.山西水利科技，2003，149（3）：1-6.

［2］劉志明，汪慶元.SL155-2012水工（常規(guī)）模型試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：中國水利水電出版社，2012:4-9.

［3］屈孟浩.黃河動(dòng)床模型試驗(yàn)理論和方法［M］.鄭州：黃河水利出版社，2005:109-110.

［4］封光寅.河流泥沙顆粒分析原理及方法［M］.北京：中國水利水電出版社，2008:54-98.