田 原

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

受上游來水?dāng)y帶泥沙影響，無壩引水明渠淤積問題往往十分棘手，因此在引水明渠設(shè)計前，需要對其淤積成因進行多要素分析，從而減輕無壩引水明渠的淤積量，提高明渠的使用效率及壽命。當(dāng)前，物理模型試驗是分析無壩引水明渠淤積成因最為有效的方式[1-6]，關(guān)于淤積成因的成果也有一些，但是這些成果大都只是針對明渠的形態(tài)進行了分析[7-10]，而針對取水口形態(tài)和斷面流速的研究還較少。為此本文結(jié)合遼寧某引水明渠為研究實例，結(jié)合物理模型試驗方式，探討取水口形態(tài)和斷面流速對無壩引水明渠的影響。研究成果對于已經(jīng)或即將建設(shè)的引水明渠解決泥沙淤積問題具有重要的參考價值。

1 物理模型設(shè)計

對遼寧中部平原區(qū)某無壩引水明渠進行物理模型試驗方式，該引水明渠主要采用從河道內(nèi)抽排引水的方式，引水明渠的進水口主要設(shè)置在彎側(cè)區(qū)域，擴大引水的范圍和面積。物理模型試驗按照1∶50的比例進行設(shè)置，物理模型設(shè)置的主要參數(shù)比例尺見表1。引水明渠的概況如圖1所示。

表1 物理模型比例設(shè)置

圖1 引水明渠物理模型概況

2 試驗結(jié)果討論

2.1 試驗過程

對于整個明渠進行重現(xiàn)期分別為20年一遇及50年一遇的放水試驗過程，放水流量及投沙量見表2。

在進行每一個流量次序的放水時，都會進行相應(yīng)的泥沙投放量的補給，以保證引水明渠中懸移質(zhì)泥沙的試驗準(zhǔn)確性。為和天然補給情況保持一致性，采取疊加非間斷的補水放水進行試驗，在每次流量放水試驗中會進行2～3次的流速測定及泥沙淤積量測定試驗。在每一個放水試驗結(jié)束后，迅速對放水閘門進行關(guān)閉。并結(jié)合地形觀測儀器對明渠的地形進行現(xiàn)場試驗測定。

2.2 斷面流速分析

結(jié)合不同的放水試驗，對取水口不同放水時間的流量及流速之間的相關(guān)關(guān)系進行測定和分析，分析結(jié)果見表3，如圖2—3所示。

從表3中可看出，隨著放水流量的不斷增加，取水口斷面的流速逐步趨于穩(wěn)定。這表明經(jīng)過一段時間的放水試驗后，無壩引水明渠在進水口處的沖淤基本可以達到平衡的狀態(tài)，從圖2中可以看到，20年一遇洪水下放水流量在40～60m3/s、50年一遇洪水下放水流量在20～30m3/s時，其沖淤基本達到穩(wěn)定的狀態(tài)。而從圖3中可看出，20年一遇洪水下放水流量在40～60m3/s時，其流速散點逐步集中穩(wěn)定；而50年一遇洪水下放水流量在20～30m3/s時，其流速變化出現(xiàn)較為平穩(wěn)的現(xiàn)象。對比其原型設(shè)置比例，即為在原型試驗下，20年一遇無壩引水明渠流量達到200～300m3/s，可基本保持明渠沖淤平衡，流速達到穩(wěn)態(tài)；而在50年一遇下明渠引水流量達到100～150m3/s，可使得明渠不會出現(xiàn)集中淤積的狀態(tài)，流速平穩(wěn)。

表2 放水試驗過程

表3 各階段斷面流速分析成果

圖2 取水口放水流量相關(guān)性分析

圖3 取水口流速及流量相關(guān)分析

2.3 淤積形態(tài)分析

結(jié)合地形觀測儀，對各階段不同放水過程的無壩引水明渠的淤積情況進行分析，分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 各階段不同放水期明渠地形觀測結(jié)果

從圖4的試驗結(jié)果可看出，進水口的淤積已經(jīng)較為嚴(yán)重，隨著放水流量的不斷增加，其中段彎道的淤積量不斷增加，在最后一個階段的放水流量影響下，無壩引水明渠的淤積量達到最大，基本上已經(jīng)淤積了明渠的1/3，極大程度影響明渠引水量的正常運行。在最后一個階段放水流量下，其淤積過程處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。表明在較高水量下，明渠受來水?dāng)y帶的泥沙淤積程度較大，在洪水高峰期，試驗明渠各引水段出現(xiàn)的淤積現(xiàn)象并不十分明顯。在引水明渠淤積量達到一定的程度后，明渠淤積過程出現(xiàn)緩和狀態(tài)，處于平穩(wěn)變化的過程，這也充分表明明渠淤積達到平衡狀態(tài)。在試驗過程中也可看出，渠道的坡度也對明渠淤積產(chǎn)生一定程度的影響，放水峰值結(jié)束后，明渠水坡度達到最小，放水流量達到最大值時，大量的泥沙從取水口進入明渠，從試驗結(jié)果看出，當(dāng)河底坡度小于1.0%時，明渠淤積現(xiàn)象較為嚴(yán)重，排沙能力逐步減弱。

3 對策分析

(1)取水口在彎道處無壩明渠淤積較為嚴(yán)重的問題，主要采取的對策為對取水口進行順直護坡處理，并將取水口的高程降低0.5～0.8m，這種方式可有效減少取水口的泥沙沉降量，從而減少隨引水水流進入明渠的泥沙量。

(2)流速變化引起明渠泥沙淤積的問題，可以通過增加斷面水流流速來減少明渠斷面的泥沙淤積，當(dāng)流速增加到一定程度后，引水明渠的沖淤基本可以達到平衡狀態(tài)，而這種流速可以通過物理模型試驗來進行有效控制，從而有效減少留在明渠中的泥沙淤積量。

(3)坡度變化引起明渠泥沙淤積的問題，可以適當(dāng)增加河底坡度，當(dāng)河底坡度小于1.0%時，明渠淤積現(xiàn)象較為嚴(yán)重，針對這一問題，可以適當(dāng)控制明渠的坡度，進行沖淤平衡，減少明渠的淤積量。

4 試驗結(jié)論

(1)對于無壩引水明渠而言，造成明渠淤積嚴(yán)重的主因包括取水口大量的泥沙、明渠坡度設(shè)置較為平緩，引水明渠一般不設(shè)置較為有效的排沙設(shè)施。由于在取水口造成的淤積排入明渠，水量較小時，難以得到?jīng)_刷，綜合造成無壩引水明渠泥沙淤積。

(2)取水口的合理確定對于明渠沖淤變化影響較大，在進行取水口的確定時，應(yīng)結(jié)合取水口的地質(zhì)條件，盡力將取水口設(shè)置在凹道處且設(shè)置引水角，在泥沙淤積較為嚴(yán)重的區(qū)域，應(yīng)該結(jié)合明渠的實際情況，增加明渠底坡，加大其排沙能力。