王芳芳,吳時(shí)強(qiáng),高 昂,薛萬(wàn)云

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029; 2. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

1 水庫(kù)壩前排沙防淤研究現(xiàn)狀

在多沙河流上修建水庫(kù)或引水工程,會(huì)因壩前或取水口前流速降低,水流挾沙能力減弱而造成淤積。隨著泥沙淤積的發(fā)展,將降低水庫(kù)有效庫(kù)容和引水質(zhì)量,并造成水輪機(jī)和泄流建筑物的磨損。為減緩水庫(kù)泥沙淤積,減少粗沙過(guò)機(jī),保證電站等取水口“門前清”,防止淤積造成閘門或孔口堵塞等,工程上一般在引水口附近設(shè)置拉沙底孔或排沙廊道等排沙設(shè)施。在排沙洞口上游附近,流線急劇收縮,流速迅速增大,大量泥沙起動(dòng),發(fā)生沖刷;隨著沖刷深度增加,水沙分界面的水流流速處于泥沙起動(dòng)臨界值以下時(shí),沖刷基本穩(wěn)定,形成以引水口為頂點(diǎn),向上游及兩側(cè)發(fā)射的錐形沖坑,形似漏斗,亦稱“排沙漏斗”。排沙漏斗是一種經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)水的防沙和排沙設(shè)施[1],其形成、形態(tài)及范圍深受泄水、排沙及取水建筑物設(shè)計(jì)者的關(guān)注。

水庫(kù)排沙設(shè)施排沙漏斗的成因、形態(tài)及模擬均十分復(fù)雜,涉及三維水流結(jié)構(gòu)、淤積物的水下休止角以及模擬的相似率等。目前,研究排沙漏斗的手段多種多樣,但對(duì)于水庫(kù)排沙漏斗形態(tài)的預(yù)測(cè)及排沙洞布置方案的優(yōu)選,還是以模型試驗(yàn)為主[2-3]。徐國(guó)賓等[4]對(duì)壩前局部排沙漏斗模型相似準(zhǔn)則進(jìn)行了研究,考慮了包括壩前水流條件、淤積物黏結(jié)力、水下休止角及級(jí)配等因素,提出正態(tài)模型是滿足排沙漏斗形態(tài)相似的必要條件,認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)泥沙在水平及傾斜床面上的起動(dòng)相似,除了要滿足水平床面上的起動(dòng)相似條件外,還需滿足模型沙與原型沙水下休止角相同的條件。王英偉[5]對(duì)影響壩前排沙漏斗形態(tài)的因素進(jìn)行了歸納,認(rèn)為壩前淤積泥沙特性及庫(kù)前水位對(duì)排沙漏斗坡度的影響較大,排沙漏斗的坡降和沖深是決定排沙洞底坎高程的主要因素。然而,崔承章等[6]認(rèn)為壩前水位和泄流量是影響排沙漏斗縱坡的主要因素,水位較高時(shí)縱坡接近模型沙的水下休止角,且縱坡隨壩前水位下降而變緩非常明顯。歸納而言,排沙漏斗的形成主要受壩前泄流條件、壩區(qū)地形、來(lái)水來(lái)沙條件、水庫(kù)運(yùn)行方式及壩前淤積物特性等因素的影響,并具有以下基本特征[7]:①不同水深和進(jìn)水方式下,漏斗平面形態(tài)差異很大。深水條件下漏斗坡度基本與淤積物水下休止角保持一致,淺水狀態(tài)下縱坡緩于橫坡;正向進(jìn)水時(shí)平面形態(tài)接近于半圓形,而側(cè)向進(jìn)水時(shí)漏斗平面形態(tài)呈“匙”形。②漏斗范圍一般不會(huì)很大,原型中一般限于壩前約500 m范圍內(nèi)。③漏斗縱坡一般由坑底段和坡面段組成,前者短而緩,后者長(zhǎng)而陡,后者的坡度即為縱坡坡度,不同條件下取值為水下休止坡降的10%～100%。此外,一些研究基于工程實(shí)測(cè)及模型試驗(yàn)資料,給出了沖坑深度的估算公式[8-9]。熊紹隆[8]結(jié)合室內(nèi)水槽試驗(yàn),解釋了在深水條件下坡角接近于水下休止角以及淺水中較緩坡度漏斗的形成原因。然而，這些結(jié)論還不足以為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供充分條件，由于實(shí)際工程地質(zhì)條件、水流條件復(fù)雜，往往需要較大比尺的模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證[10-11]。

在模型試驗(yàn)中,模型沙的選取十分關(guān)鍵，大多采用天然沙和輕質(zhì)沙,常見(jiàn)的輕質(zhì)沙有粉煤灰、電木粉、塑料沙等。對(duì)于無(wú)黏性不同粒徑天然沙及塑料沙,其漏斗坡度均接近于泥沙的水下休止角,漏斗坑底也不存在坑底平段,僅孔口附近坡度有所減緩[8]。由此可知模型沙的選取與其物理特性關(guān)系十分密切。室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果與原型觀測(cè)相差很大,得到的漏斗邊坡坡度較原型陡,因此漏斗范圍也偏小,這種結(jié)果偏于保守,因此對(duì)于工程安全是有利的[2]。

為保證大古水電站安全運(yùn)行,消除水庫(kù)淤積對(duì)電站引水、防洪安全帶來(lái)的潛在威脅,本文以大古水電站為例進(jìn)行排沙漏斗的模擬試驗(yàn)研究。采用模型試驗(yàn)方法對(duì)排沙設(shè)施的可行性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證,并研究排沙漏斗形態(tài)與水流條件和淤沙特性之間的關(guān)系。

2 排沙漏斗模型試驗(yàn)

2.1 工程概況及試驗(yàn)組次

大古水電站[12]于西藏自治區(qū)山南地區(qū)桑日縣境內(nèi),是雅魯藏布江中游桑日縣至加查縣峽谷段的第2級(jí)電站。電站從左至右分別為左岸溢流壩段、底孔壩段、右岸廠引壩段,在溢流壩段與廠引壩段之間布置泄洪沖沙底孔。發(fā)電廠房為壩后式廠房,布置在主河床右側(cè)岸坡,電站裝機(jī)容量為660 MW,安裝4臺(tái)單機(jī)容量為165 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組,結(jié)合電站進(jìn)水口、沖沙底孔布置,在進(jìn)水口下部共設(shè)2個(gè)排沙廊道,排沙廊道支管與主管間采用非對(duì)稱“Y”形岔管,主管緊靠底孔布置。

壩址處多年平均懸移質(zhì)年輸沙量為1 580萬(wàn)t,多年平均含沙量為0.526 kg/m3,多年汛期平均含沙量為0.708 kg/m3,多年平均推移質(zhì)輸沙量為39.5萬(wàn)t。輸沙量年際變化較大,最大年輸沙量為多年平均輸沙量的3.3倍,為最小年輸沙量的17.0倍。輸沙量年內(nèi)分配不均勻,主要集中在汛期(6—9月),占全年輸沙量的96.1%,其中7月、8月兩月占全年的74.4%。從實(shí)測(cè)資料分析,壩址處推移質(zhì)與懸移質(zhì)之比為2.5%,表明懸移質(zhì)是庫(kù)區(qū)淤積的主要來(lái)源,但由于推移質(zhì)顆粒大,基本上淤積在庫(kù)區(qū)。根據(jù)庫(kù)區(qū)泥沙淤積計(jì)算結(jié)果,運(yùn)行15年后庫(kù)區(qū)基本達(dá)到?jīng)_淤平衡(排沙率超過(guò)90%),淤積高程為3 406.4 m,壩前淤積泥沙以懸移質(zhì)為主,約占92.9%。大古水電站水庫(kù)庫(kù)容小,正常蓄水位3 447 m以下庫(kù)容與沙量之比僅為4.4∶1,水庫(kù)泥沙淤積速率較快,淤積洲頭將很快抵達(dá)壩前,存在較嚴(yán)重的淤積問(wèn)題,需要進(jìn)行庫(kù)區(qū)壩前拉沙的研究。

圖1 底孔及排沙廊道布置

排沙設(shè)施包括1個(gè)排沙底孔和2個(gè)排沙廊道,如圖1所示。底孔進(jìn)口段向上游懸出壩面6 m,采用矩形斷面三面收縮的喇叭口體型,底板高程為3 376.00 m,有壓段出口斷面為5 m×8 m(寬×高)。排沙廊道2個(gè)進(jìn)口設(shè)置于電站進(jìn)口下方,進(jìn)口底板高程為2 383 m,1號(hào)排沙廊道進(jìn)口以喇叭口形接矩形斷面,再漸變?yōu)橹睆?.5 m的圓管斷面,之后接坡度為1.77%的斜管斷面。2號(hào)排沙廊道進(jìn)口形式與1號(hào)排沙廊道相同,漸變段后以斜坡為9.1%的斜管與總廊道以“Y”形岔管形式相接,排沙廊道有壓段總長(zhǎng)152.2 m,其中斜坡段長(zhǎng)113.2 m,之后圓管斷面漸變?yōu)榫匦螖嗝?再接一壓坡段,有壓段出口斷面為2.8 m×3.5 m(高×寬),工作閘門為弧形閘門,后接平坡明渠,長(zhǎng)87.29 m。根據(jù)調(diào)度運(yùn)行方式,庫(kù)區(qū)排沙水位為正常蓄水位3 447 m和死水位3 442 m這2種工況,由于2個(gè)廊道過(guò)流量相互影響,試驗(yàn)中考慮2個(gè)廊道的開(kāi)啟次序,試驗(yàn)組次及排沙運(yùn)行組合安排如表1所示。

表1 試驗(yàn)組次

2.2 模擬方法

模型以重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì),采用正態(tài)模型(比尺為1∶60),這有利于原型與模型排沙漏斗的相似[4]。模型上游庫(kù)區(qū)模擬至壩前400 m,由于該河段泥沙以懸移質(zhì)為主,庫(kù)區(qū)15年沖淤平衡后的淤積高程為3 406.4 m,模型懸移質(zhì)按揚(yáng)動(dòng)相似設(shè)計(jì),懸沙揚(yáng)動(dòng)流速按照竇國(guó)仁公式計(jì)算:

(1)

式中:Uc為懸沙揚(yáng)動(dòng)流速;h為水深;d為中值粒徑;Kε為床面平整度,當(dāng)d≤ 0.5 mm時(shí),取Kε=0.5 mm,當(dāng)d> 0.5 mm時(shí),取Kε=d;δ為薄膜水厚度，δ=0.213×10-4cm;εk為黏結(jié)力，εk=2.56 cm3/s;g為重力加速度，g=9.8 m/s2;ρs為泥沙密度，ρs=2.65 t/m3；ρ為水體密度，ρ=1 t/m3。

按照拉沙運(yùn)行方式,庫(kù)水位分別為3 447 m和3 442 m時(shí)開(kāi)啟排沙底孔或底孔,15年后壩前淤積高程為3 406.4 m,即壩前水深分別為40.6 m和35.6 m。由此可以確定懸沙揚(yáng)動(dòng)流速分別為1.89 m/s和1.75 m/s,按照模型比尺,模型沙揚(yáng)動(dòng)流速應(yīng)分別為0.24 m/s和0.23 m/s。為保證泥沙休止角相似,模型沙仍然采用天然沙,由此模型水深分別為0.677 m和0.593 m,按照竇國(guó)仁公式,得到在模型水深條件下泥沙中值粒徑與揚(yáng)動(dòng)流速的關(guān)系,如圖2所示。由圖2可見(jiàn),接近模型起動(dòng)流速的模型沙中值粒徑約為0.21～0.28 mm,揚(yáng)動(dòng)流速約為0.32～0.33 m/s,比相似性要求的中值粒徑略高,即試驗(yàn)結(jié)果偏于安全,由于是非黏性沙,此時(shí),深水條件下排沙漏斗的形態(tài)主要與模擬沙的水下休止角有關(guān)[8],粒徑影響相對(duì)較小。據(jù)此,模型沙中值粒徑取0.271 mm,泥沙顆粒級(jí)配如圖3所示,與原型混合物粒徑級(jí)配基本一致。

圖2 不同模型水深條件下泥沙中值粒徑與揚(yáng)動(dòng)流速關(guān)系

圖3 模型沙顆粒級(jí)配曲線

試驗(yàn)前先預(yù)鋪模型沙至高程3 406.4 m,庫(kù)水位為實(shí)際運(yùn)行水位;試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)模型沖刷水流挾沙量很快趨于穩(wěn)定,當(dāng)出口水流含沙濃度與來(lái)流基本一致時(shí),認(rèn)為泥沙沖淤處于平衡狀態(tài),此時(shí)停止試驗(yàn),待庫(kù)區(qū)水抽干后量測(cè)排沙漏斗形態(tài)。模型排沙漏斗輪廓采用水準(zhǔn)儀測(cè)量,精度可達(dá)1 mm。

圖4 排沙漏斗縱向形態(tài)

2.3 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

通過(guò)多組試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn):①在庫(kù)水位分別為正常蓄水位和死水位情況下均未觀測(cè)到底孔及排沙底孔的淤塞現(xiàn)象,3個(gè)排沙洞的進(jìn)口前均能形成相對(duì)穩(wěn)定的排沙漏斗,電站取水口泥沙淤積高程均在攔污柵底板以下,能夠保證電站取水口“門前清”。②如圖4所示,底孔排沙漏斗半徑比較大,達(dá)60 m左右,坡降約為1∶1.73～1∶1.82;雖然2個(gè)排沙廊道位置偏離壩中線距離不同,但流量和開(kāi)啟方式對(duì)沖刷穩(wěn)定后的漏斗形態(tài)影響不顯著,漏斗半徑約為40 m,坡降約為1∶1.47～1∶1.59。③底孔和廊道的排沙漏斗在平面上有重疊,但仍然相互獨(dú)立,其中底孔漏斗半徑比較大,底孔與其旁邊的排沙廊道形成的排沙漏斗有較大的重疊,說(shuō)明3個(gè)排沙洞可以覆蓋電站進(jìn)水口區(qū)域,具備保證電站“門前清”的條件。④ 2個(gè)排沙廊道形成的漏斗有較小重疊,同時(shí)開(kāi)啟時(shí)靠岸側(cè)廊道分流較小,但仍能形成較完整漏斗,且漏斗形態(tài)變化不大,不同運(yùn)行組次下漏斗范圍均可達(dá)到岸邊。

圖5 不同試驗(yàn)組次下排沙漏斗形態(tài)

表2 不同工程庫(kù)區(qū)排沙漏斗形態(tài)模擬結(jié)果比較

無(wú)論是底孔還是排沙廊道,試驗(yàn)中均能形成穩(wěn)定的排沙漏斗,而且在深水條件下,排沙漏斗的穩(wěn)定形態(tài)受排沙運(yùn)行方式及流量大小影響不明顯。本工程2個(gè)排沙廊道相互連通,相同水位同時(shí)開(kāi)啟情況下,流量分配比約為3.8∶6.2,然而最終形成的排沙漏斗形態(tài)及范圍基本一致,如圖5(d)及圖4所示。圖中底孔漏斗較2個(gè)廊道漏斗范圍和深度較大,坡度稍緩,是由于進(jìn)口高程底孔相對(duì)較低,流量大得多的原因。底孔進(jìn)口位于溢流壩段與廠引壩段之間,從漏斗范圍看，右岸對(duì)電站進(jìn)水口影響很小,左岸影響溢流壩中部3號(hào)表孔軸線位置;2個(gè)排沙廊道漏斗范圍均可達(dá)到岸邊，基本可以保證電站進(jìn)口“門前清”。因此,在排沙運(yùn)行時(shí),正常情況下開(kāi)啟2個(gè)排沙廊道即可,底孔可在泄洪時(shí)配合排沙清淤使用,以增大有效庫(kù)容。在實(shí)際運(yùn)行時(shí),若排沙洞長(zhǎng)久不運(yùn)行,淤積物容易在進(jìn)口落淤并板結(jié),因此建議排沙洞要經(jīng)常運(yùn)行,以防淤死。

3 討 論

為了便于比較分析,將不同工程庫(kù)區(qū)排沙漏斗的相關(guān)研究列于表2。由表2可見(jiàn),國(guó)內(nèi)眾多大型水利樞紐均建有排沙設(shè)施,如底孔、排沙廊道等;其布置形式、工程地質(zhì)條件和水力條件等差異很大。根據(jù)已有研究結(jié)果,排沙漏斗形態(tài)具有一定的相似性和規(guī)律性。熊紹隆[8]將深水條件下的排沙漏斗的特性進(jìn)行了總結(jié),認(rèn)為無(wú)黏性不同粒徑天然沙及塑料沙,其漏斗坡度均接近于泥沙的水下休止角,漏斗坑底不存在坑底平段,僅孔口附近坡度有所減緩。

如表2所示,眾多模型試驗(yàn)結(jié)果表明在深水條件下,排沙漏斗的縱坡和橫坡相差不大,其坡度一般在1∶1～1∶5之間,深水、小流量條件下坡降一般在其淤積物的水下休止角附近。然而,隨著流量的增大,水深的降低以及運(yùn)行條件的變化,也會(huì)導(dǎo)致漏斗坡降小于水下休止角的情況,比較明顯的是縱向坡度緩于橫向坡度,如紫坪鋪、三峽等工程。很多實(shí)測(cè)資料顯示,實(shí)測(cè)排沙漏斗的坡降要緩得多,一般在1∶5～1∶36之間。一般原型觀測(cè)到的排沙漏斗形態(tài)與模型試驗(yàn)結(jié)果相差很大[2]:龔嘴水庫(kù)排沙漏斗坡降模擬結(jié)果為1∶1.6,而實(shí)際觀測(cè)縱坡坡降為1∶10[13];碧口電站[14]排沙漏斗設(shè)計(jì)邊坡為1∶1.6,而實(shí)際觀測(cè)中側(cè)向邊坡在1∶3.3～1∶7.1之間,縱坡在1∶10.6～1∶17之間?？梢?jiàn),原型漏斗的坡降比模型緩得多,平面范圍大得多。分析其原因,主要是由于水槽試驗(yàn)中選用的泥沙顆粒較粗,泥沙主要以推移質(zhì)方式輸移,有悖于水庫(kù)淤積平衡前壩前泥沙淤積主要以懸移質(zhì)和異重流挾沙為主的實(shí)際情況[9]，模型試驗(yàn)難以模擬實(shí)際工程中泥沙真實(shí)的物理成分、淤沙變化過(guò)程以及化學(xué)反應(yīng)等;此外,對(duì)淤積泥沙的開(kāi)始啟動(dòng)狀態(tài)模擬失真,如試驗(yàn)中很難準(zhǔn)確模擬排沙洞的淤堵?tīng)顟B(tài)。一般來(lái)說(shuō),在只考慮壩前淤積平衡和排沙洞不被淤死的情況下,模型試驗(yàn)得到的排沙漏斗的坡度及范圍一般是偏于保守的。

本工程漏斗坡降均在1∶1.5～1∶1.8之間,接近于模擬沙的水下休止角,與阿爾塔什壩研究結(jié)果[15]相近,而相對(duì)于其他水庫(kù)坡降略陡,可能源于模擬沙粒徑的選取偏粗,啟動(dòng)流速偏大。從安全角度考慮,在模型試驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求的情況下,實(shí)際工程偏安全。由于原型觀測(cè)結(jié)果普遍緩于模型試驗(yàn)結(jié)果,大古水電站排沙漏斗設(shè)計(jì)邊坡可按照1∶3設(shè)計(jì),來(lái)估算排沙洞進(jìn)口位置及排沙漏斗范圍。

在深水條件下,排沙漏斗形態(tài)主要由淤積物物理化學(xué)特性及進(jìn)口高程決定,受水流條件及排沙運(yùn)行方式影響不明顯,其漏斗坡降一般約為淤積物的水下休止角,漏斗規(guī)模由漏斗深度即進(jìn)口高程決定。因此,大古水電站采用2個(gè)進(jìn)口連通的排沙廊道布置方式是可行的,且開(kāi)啟順序?qū)吻白罱K形成的漏斗形態(tài)影響不大。

4 結(jié) 論

a. 大古水電站庫(kù)區(qū)排沙洞的開(kāi)啟順序?qū)吻奥┒沸螒B(tài)影響較小;2個(gè)排沙廊道同時(shí)運(yùn)行可滿足電站進(jìn)口“門前清”的要求;底孔壩前排沙漏斗的范圍大于廊道進(jìn)口漏斗,可在汛期泄洪時(shí)排沙,增大有效庫(kù)容;3個(gè)漏斗在平面上有部分重疊,認(rèn)為此排沙洞布置方案具備保證電站進(jìn)水口“門前清”的條件。

b. 在正常蓄水位及死水位下,壩前壅水較高,此時(shí)排沙漏斗形態(tài)受排沙運(yùn)行方式影響較小,漏斗縱坡和橫坡坡降均接近于淤積泥沙的水下休止角。盡管2個(gè)排沙廊道及底孔所分配流量差異很大,但所形成的漏斗坡度基本一致,因此在深水條件下,無(wú)黏性沙排沙漏斗坡度主要由淤積泥沙的水下休止角決定,受水深的影響較小。

c. 在僅考慮壩前達(dá)到淤積平衡狀態(tài)、排沙洞可正常運(yùn)行情況下,模型采用非黏性的天然沙或輕質(zhì)沙對(duì)排沙漏斗形態(tài)及范圍的模擬均偏于保守,漏斗坡度陡于實(shí)際觀測(cè)值。因此,設(shè)計(jì)時(shí)可在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,類比已有實(shí)測(cè)資料,酌情確定漏斗坡度以更加經(jīng)濟(jì)合理地布置排沙設(shè)施。