洪振國，李建偉

(云南省水利水電勘測設計研究院，昆明 650021)

漏斗式排沙作為一種高效、節(jié)水、經(jīng)濟的泥沙處理技術，已成功用于灌溉、發(fā)電、工業(yè)及人畜引水等諸多領域的泥沙處理，取得了良好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益[1]。排沙漏斗的工程實踐始于1975年前蘇聯(lián)的Salakhov[2]提出的環(huán)流室，此后印度、伊朗、芬蘭等多個國家的學者進行了排沙漏斗結構優(yōu)化研究[3]， 1984年排沙漏斗首次應用于新疆迪那河總干渠工程[4]。董年虎[5]、王廣月[6]、王英偉[7]等通過大量的水電站沖沙底孔的試驗，提出了水電站水庫沖沙底孔排沙措施理論。但是臘寨水電站具有水頭較高，水庫含沙量較大，沖沙底孔距電站取水口較遠，底孔泄流量較小等特點，采用目前常規(guī)沖沙底孔排沙措施是不可行的。利用導流洞進口天然地形條件，在大壩上游增設丁壩，導流隧洞改建成泄洪沖沙洞，構成了一個完整的排沙流漏斗。通過排沙漏斗理論計算、模型試驗論證了排沙漏斗排沙措施的合理性。本文提出了這一種新的排沙措施，對類似水電站工程具有重要的參考價值。

1 工程概況

臘寨水電站位于云南省保山市騰沖縣與龍陵縣的界河龍江下游河段，為龍江至瑞麗江干流11個梯級開發(fā)方案中的第9級，開發(fā)河段為騰龍橋至弄另上游的臘寨之間。壩址位于騰龍橋水文站下游約4 km處，廠址位于壩址下游2 km。臘寨水電站開發(fā)任務以發(fā)電為單一目標。水庫壩址控制徑流面積3 672 km2，設計壩高68 m，總庫容599.6 萬m3，電站總裝機120 MW，年發(fā)電量6.07 億kWh，年利用小時5 058 h。電站主要由首部樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)3大部分組成[8]。其中首部樞紐由大壩和泄洪沖沙洞組成，大壩為混凝土重力壩[9]，壩頂高程1 105.0 m，建基面最低高程1 037.0 m，壩頂總長度180.5 m，攔河大壩由擋水壩段、沖沙孔壩段及溢流壩段組成，大壩最大壩高68 m，壩底最大寬度54.5 m，共設9個壩段。泄洪沖沙洞布置在左岸，為壓力圓洞，洞徑8 m，總長418.29 m。發(fā)電引水隧洞布置在右岸，總長2 057 m，洞徑8m，進口底板高程1 070.0 m，隧洞設計流量240.0 m3/s，底坡i為0.608%。

2 排沙漏斗結構布置

導流洞進口河床左右岸為陡崖地形條件，邊坡坡度較陡，地質(zhì)條件較好，在大壩上游195 m，導流洞進口下游45 m位置增設丁壩，導流洞明渠段加上蓋板構成進口明洞段，明渠向河床延長28 m，構成明渠段。將導流隧洞改建而成泄洪沖沙洞，構成了一個完整的排沙漏斗，實施水沙分離技術，一旦排沙漏斗運行，就會產(chǎn)生一個幾乎遍及庫河兩岸的旋流漏斗，具有與“漏斗式水沙分離器”內(nèi)的水流結構完全相似的流動[10]。排沙漏斗結構布置見圖1。排沙漏斗由丁壩、泄洪沖沙洞、導流洞進口天然地形條件等組成。

圖1 排沙漏斗平面示意

2.1 丁 壩

在大壩上游195 m, 導流洞下游45 m位置增設丁壩，丁壩壩頂高程為1 078.00 m,壩長54 m,壩高15 m, 壩頂寬3 m，丁壩橫斷面為梯形斷面，迎水面坡比1∶0.6，背水面壩坡比1∶0.8，外表采用40 cm厚C30鋼筋混凝土，里面采用C20素混凝土。由丁壩、泄洪沖沙洞、導流洞進口天然地形條件等組成排沙漏斗，河流枯期時含沙量較少，關閉泄洪沖沙洞的工作閘門，水流泥沙沉降至排沙漏斗。汛期泥沙含量高，當洪峰流量來臨時進行沖沙，將淤滿排沙漏斗的泥沙排除。

3.2 泄洪沖沙洞

泄洪沖沙洞由導流洞明渠段加上蓋板，明渠向河床延長28 m等措施改建而成，泄洪沖沙洞總長402.29 m，泄洪沖沙洞進口底板高程1 060.0 m，設計下泄流量727.0 m3/s，校核下泄流量729.3 m3/s。進口明渠段為“U”形斷面，底寬由8 m漸變至14.57 m，擴散角為3°，底坡i為0。進口明洞段斷面尺寸8 m×10.67 m，方形斷面，C25鋼筋混凝土，襯砌厚度0.8 m，底坡i為0。進口明洞段與閘井段之間采用方形隧洞連接，斷面尺寸8 m×8 m，襯砌厚度0.8 m，底坡i為0。閘井段豎井高程為1 105.0 m，底坡i為0，豎井內(nèi)設8 m×8 m平板閘門一道。閘后為漸變段，由方形8 m×8 m漸變成圓形，鋼筋混凝土襯砌，厚度0.7 m，底坡i為1/33.275。漸變段上游為洞身段，洞徑D為8.0 m，底坡i為1/33.275，鋼筋混凝土襯砌。洞身段上游為漸變段，由D為8.0 m圓形漸變?yōu)? m×7 m方形，襯砌厚度0.9 m，底坡i為1/33.275。出口閘室段為矩形斷面，底坡i為0，設7 m×7 m弧形工作閘門一道。出口閘室段前為出口擴散段，底寬由7 m擴散至10 m，擴散角為9°。擴散段緊接挑流鼻坎段，挑射角26.146°，半徑22.379 m，齒槽底板深入基巖，底寬3 m，高程1 045.00 m。末端為出口海漫段，底坡為1/50。

3 理論計算

通過長期對水電站水庫沖刷漏斗的原型觀測和分析，國內(nèi)外學提出了大量的計算排沙漏斗的經(jīng)驗公式或曲線關系，這種經(jīng)驗關系基本上代表了原型觀測的統(tǒng)計規(guī)律，這種經(jīng)驗關系式一般均與流量、孔前流速有關，或者在此基礎上引入淤積厚度、孔前平均水深等參數(shù)。其中最有代表是夏毓常[11]等根據(jù)原第十一工程局設計隊的原型觀測資料建立的沖刷漏斗縱橫坡關系，其關系公式為：

(1)

(2)

式中：J、J′分別為排沙漏斗縱、橫向坡降；Q為孔口流量，m3/s；v為孔口流速，m/s；v0為水深1 m時漏斗床面泥沙起動流速，m/s；z為漏斗外圍淤積厚度，m。

由于臘寨水電站排沙漏斗孔口流量Q=727 m3/s，孔口流速v=8.52 m/s，漏斗外圍淤積厚度z=25 m，經(jīng)以上沖刷漏斗縱、橫坡公式計算，排沙漏斗縱坡J=1∶2.8，橫坡J′=1∶2.3。

4 模型試驗

4.1 模型試驗參數(shù)

臘寨水電站水庫正常蓄水位1 102.5 m，設計洪水位1 103.42 m，校核洪水1 103.67 m，泄洪沖沙洞進口底板高程1 060.0 m，設計下泄流量727.0 m3/s，校核下泄流量729.3 m3/s。水電站水庫的多年平均懸移質(zhì)輸沙量為227 萬t，多年平均推移質(zhì)輸沙量為45.5 萬t，多年平均懸移質(zhì)含沙量為0.454 kg/m3。

4.2 模型設計

水電站樞紐泥沙模型試驗河床段屬于山區(qū)河道，邊界條件極為復雜，水流受邊界條件影響較大，因此模型除滿足水流運動和幾何相似外，保證泥沙運動相似是極為重要的。按水工模型試驗規(guī)程相關研究內(nèi)容的規(guī)定以及泥沙模型的要求，水工泥沙整體模型宜采用正態(tài)?？紤]到水庫泥沙淤積的特點，以及動床模型所要解決的電站取水排沙問題主要是推移質(zhì)泥沙，對多種模型沙的計算比較及以往的試驗經(jīng)驗，為使模型滿足泥沙運動相似，模型模擬懸移質(zhì)泥沙采用白礬石。模型使用白礬石與設計沙樣基本相當，能夠滿足相似要求。對沖刷漏斗而言，非汛期攔沙、泥沙淤積模型滿足沉降相似，即淤積相似。汛期排沙，淤積物受到?jīng)_刷，滿足揚動相似，因此模型滿足排沙漏斗的相似要求。本模型試驗各項相似比尺見表1。

表1 模型試驗各項相似比尺

臘寨水電站水工、泥沙整體模型按模型設計的要求制作。模擬庫段自電站大壩上游約3 600 m起至大壩下游約1 000 m止，實際模擬河段全長約4.6 km。模型共布設有67個斷面。參考上、下游校核水位情況，上游地形制作高程為1 110 m，下游為1 075 m。模型配有獨立運行的動力設備及流量控制設備，可較方便地模擬電站的不同運行工況。電站、溢流壩及泄洪沖沙洞等水工結構部分，采用全有機玻璃材料制作。圖2是試驗前模型布置圖。圖2中壩頂、上游坡面鋪設紅磚為丁壩，丁壩上游左岸布置泄洪沖沙洞，丁壩下游右岸布置進水口，進水口臨近大壩。

圖2 試驗前模型布置

4.3 試驗成果

模型試驗結束后，待庫內(nèi)水體排后對水庫淤積，尤其是泄洪沖沙洞進口位置排沙漏斗地形，采用全站儀進行詳細精密觀測。為分析排沙漏斗對電站取水口的保護情況，主要分析了在壩面位置漏斗橫向變化及順水流向的縱坡變化。在正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位中，正常蓄水位水深最小，泄洪沖沙洞過流最少，相應底孔流速最小，形成的沖刷漏斗坡度最陡，所以正常蓄水位為控制工況，正常蓄水位時試驗后河床淤積情況見圖3，沖刷漏斗縱剖面見圖4，坐標零點為泄洪沖沙洞進口位置，上游為正，下游為負。沖刷漏斗橫剖面見圖5，坐標零點為泄洪沖沙洞軸線位置，左岸為負，右岸為正。

圖3 試驗后河床淤積情況

圖4 沖刷漏斗縱剖面

圖5 沖刷漏斗橫剖面

從圖3～圖5可知：①由于臘寨水電站在運行水位較高，水庫水面相對較寬，排沙漏斗地形相對開闊，排沙漏斗得至較充分發(fā)展，排沙漏斗縱坡1∶2.4，縱坡相對較緩形態(tài)較為規(guī)則。②導流洞明渠加蓋并延長，排沙底孔位于水庫河床中心，孔前水深較大，左右岸橫坡1∶2.2，漏斗橫向基本對稱，但是漏斗橫向形態(tài)受到兩側邊坡的影響，橫向坡度比縱向漏斗坡度陡。③排沙漏斗頂部高程為1 076 m，丁壩頂高程1 078 m，丁壩頂部高程大于排沙漏斗頂部高程，丁壩有效地切斷上游泥沙，因此丁壩設計是合理的。④利用導流洞進口所在天然地形條件，大壩上游增設丁壩，導流隧洞改建成泄洪沖沙洞，構成了一個完整的排沙流漏斗后，丁壩布置將上游河床水沙因子直接導向豎軸旋渦的外切線方向，河床上形成直徑約為92 m排沙漏斗，貫穿于庫河兩岸，床面泥沙會沿丁壩方向豎軸旋渦區(qū)內(nèi)運動，位于左、右岸內(nèi)的泥沙運行通道被切斷，泥沙被直接導入漏斗內(nèi)，并通過泄洪沖沙洞排放至大壩下游，確保進水口達到“門前清”，有效地保證電站正常發(fā)電。

4.4 模型驗證情況

水庫沖刷漏斗的坡度形成是一個多種因素綜合作用結果，包括入庫水流條件、入庫泥沙量及級配、泥沙粒徑及淤積量、庫區(qū)地形地貌、樞紐泄流規(guī)模及布置高程和位置等。因此，每一個水庫的沖刷漏斗的坡度都不可能與另一個水庫完全相同。但是，可以通過大量水庫實測資料的對比分析，對臘寨水電站水庫沖刷漏斗模型進行驗證。

表2為小華山、巴家咀、澮河、汾河、三門峽、鹽鍋峽等8個水庫觀測得到11個沖刷漏斗的實測資料。由表2可知：①深孔流量為0.25～1 041 m3/s，泄水孔流速為0.57～10.4 m/s，中值粒徑為0.012～0.06 mm，孔前水深為12～39.7 m，孔前淤積厚度為1.6～27 m，沖刷漏斗縱坡為1∶36～1∶3，橫坡為1∶6.7～1∶1.2。臘寨水電站水庫泄洪沖沙洞前流量727 m3/s、泄水流速8.52 m/s，孔前淤積厚度25 m，沖刷漏斗縱坡1∶2.4，橫坡1∶2.2等指標均基本處于表2的11個漏斗資料范圍內(nèi)，所以驗證臘寨水電站水庫沖刷漏斗模型試驗所得漏斗縱、橫坡是合理的。

表2 沖刷漏斗實測資料

5 結 論

臘寨水電站水庫利用導流洞進口天然地形條件，在大壩上游增設丁壩，導流隧洞改建成泄洪沖沙洞，構成了一個完整的排沙流漏斗，排沙漏斗貫穿于庫河兩岸，床面泥沙會沿丁壩方向豎軸旋渦區(qū)內(nèi)運動，左右岸內(nèi)的泥沙運行通道被切斷，泥沙被直接導入漏斗內(nèi)，并通過導流洞排放于大壩下游，確保進水口達到“門前清”，有效地保證電站正常發(fā)電，因此排沙漏斗排沙措施是合理的。這種排沙漏斗排沙措施為水電站防沙提供新思路，將來可在灌溉、發(fā)電、工業(yè)及人畜引水等諸多領域廣泛應用。