林海斌，張海光

（華安水力發(fā)電廠，福建 華安 363800）

0 前言

低水頭攔河閘壩是我國開發(fā)水能資源的主要方式之一[1]，低水頭閘壩的可調(diào)節(jié)庫容較小，山區(qū)自然和人為因素的影響下水土流失較嚴(yán)重、污物較多，由于閘壩的攔截作用，泥沙在庫區(qū)發(fā)生淤積，使水庫的調(diào)節(jié)庫容變小，影響著電站的安全運行，同時污物的增多將對攔污柵的結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成重大威脅[2]。

對于水庫淤積，韓其為[3]提出了水庫淤積與河床演變一維數(shù)學(xué)模型，對工程具有指導(dǎo)意義，但多孔閘壩泄流方式變化較大，壩前水流流態(tài)復(fù)雜[4]，因此本文采用小比尺模型試驗對泄流量進行了驗證，通過實測資料求解了推移質(zhì)的級配曲線，模擬了多種流量下的沖淤情況。另對上游河道水流導(dǎo)污排污進行了四種方案的觀察比對，得到排污效果較好的一種布置方案。

1 工程概況

華安水力發(fā)電廠進水口樞紐工程位于福建省華安縣內(nèi)，其中攔河閘所在位置的控制流域面積為6880 km2，設(shè)計多年平均流量為209 m3/s，設(shè)計年徑流總量為67.51億m3，正常蓄水位下的庫容為390萬m3，為徑流式不完全日調(diào)節(jié)水庫，由于可調(diào)庫容較小，水量利用率低，需要經(jīng)常啟閉閘門進行泄水。

攔河閘壩總長194.4 m，最大壩高34.993 m，采用閘壩上下結(jié)合的型式，閘孔下部墊層為砼結(jié)構(gòu)，上部是整毛石漿砌實用堰，堰上是平面鋼閘門擋水控制水位及宣泄流量。攔河閘共19孔，其中1#、8#～11#堰5孔堰頂高程為86.5 m，孔寬10 m，閘門高8 m，閘門尺寸為10 m×8 m，其它14孔堰頂高程均為87.5 m，孔寬8 m，閘門高7 m，閘門尺寸為8 m×7 m，其平面布置圖見圖1。

2 模型試驗

2.1 推移質(zhì)級配曲線選擇

根據(jù)華安電廠洪水水文資料，建壩20多年來，經(jīng)常發(fā)生的洪水流量在2500 m3/s左右。為研究庫區(qū)推移質(zhì)顆粒組成，選用Q=2500 m3/s的流量為特征流量，用于分析推移質(zhì)組成中的顆粒粒徑，上游水流所能挾帶的懸移質(zhì)顆粒為最小顆粒粒徑。

建壩時河床質(zhì)取樣篩分得到的顆粒級配曲線見圖2。由圖2可知，粒徑小于2.5 cm的顆粒占河床質(zhì)總量的30%，而粒徑小于1.0 cm的顆粒占18%，介于兩個粒徑之間的顆粒占河床質(zhì)總量的12%?？紤]到建壩后運行至今庫區(qū)淤積的河床質(zhì)顆粒級配會有所改變[5～6]，據(jù)水庫放空時觀測，河床質(zhì)泥沙中粒徑約在2 cm～3 cm，在試驗中，根據(jù)河床質(zhì)顆粒級配曲線取上述兩個粒徑之間的曲線段作為選用的推移質(zhì)顆粒組成部分。

圖2 河床顆粒級配曲線

2.2 輸沙率

根據(jù)華安攔河閘下游浦南站的水文資料，歷史上汛期最大的懸移質(zhì)含量為2.7 kg/m3，因此最大的推移質(zhì)輸沙率可表示為：

式中：gB為推移質(zhì)輸沙率；Q為流量；B為河床寬度。

2.3 模型設(shè)計與制作

根據(jù)試驗要求，模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計為整體正態(tài)模型，考慮到試驗場地、供水流量以及量測精度，選定模型與原型的長度比尺為1∶70，即λL=70。模型地形用水泥砂漿抹面，下游河道左岸灘地采用小石子噴水泥漿加糙，攔河閘和進水閘閘體模型采用有機玻璃制作，基本上滿足模型糙率的需要。攔河閘上游河道長度取400 m，前接一穩(wěn)水池和過渡段。因上游試驗段內(nèi)基本沒有彎道水流的影響，推移質(zhì)向下游運動的方向與河道水流方向大體一致，選擇攔河閘上游400 m斷面作為加沙斷面，試驗過程采用篩分的方法配備模型沙。

根據(jù)華安電廠洪水水文資料及模型試驗時間要求，選用Q=2500 m3/s的洪水流量作為造床流量，經(jīng)過模型時間8 h，相當(dāng)于原型時間約67 h，推移質(zhì)基本穩(wěn)定。計算的輸沙率為5.76×10-3kg/（m·s），為了使河床面保持相對穩(wěn)定，輸沙到達(dá)沖淤相對平衡，直到床面上均勻地分布著魚鱗狀沙波為止，造床基本穩(wěn)定后的庫區(qū)地形見圖3。

圖3 造床穩(wěn)定后庫區(qū)地形圖

3 試驗結(jié)果分析

3.1 泄流能力驗證

為了驗證攔河閘模型泄流流量的精確性，對攔河閘大閘孔（10 m×8 m）和小閘孔（8 m×7 m）兩種閘孔分別進行泄流能力試驗，計算得出的攔河閘大閘門自由出流水位～流量關(guān)系曲線見圖4，攔河閘小閘門自由出流水位～流量關(guān)系曲線見圖5。由圖可知，對于相同的閘孔下泄流量，模型實測庫水位比設(shè)計洪水位低，攔河閘大小閘門自由出流時的實際泄流能力將比設(shè)計計算值約大1%～5%，水閘泄流能力滿足設(shè)計要求。

圖4 攔河閘大閘門自由出流水位～流量關(guān)系曲線

圖5 攔河閘小閘門自由出流水位～流量關(guān)系曲線

3.2 上游河道沖淤情況分析

當(dāng)入庫流量增大到3000 m3/s，4#、8#、14#閘門關(guān)閉，其余閘門全開時，上游庫水位為92.50 m，引水渠引水流量剛好能達(dá)到152 m3/s，庫區(qū)河床泥沙開始啟動，經(jīng)過模型時間7 h（原型約為59 h），河床基本達(dá)到?jīng)_淤平衡，沖淤平衡后的庫區(qū)地形見圖6。當(dāng)入庫流量繼續(xù)增大時，雖然來流量增加，但由于水深隨之增加，過水?dāng)嗝嫠髁魉俨]增加多少，河床泥沙啟動量反而減少，無法達(dá)到庫區(qū)沖淤的效果。從圖6可以看出，整個庫區(qū)淤積沖淤效果并不明顯，庫區(qū)右岸淤積部分仍然存在，庫區(qū)左岸由于受束水墻的阻擋作用，束水墻到5#閘門之間泥沙淤積增加，束水墻處泥沙淤積高程已接近束水墻頂高程。河中部分河床淤積高程約下降1.5 m。由于水流脈動、底部漩渦及橫向渦流的作用，閘前淤積泥沙呈懸浮狀態(tài)而被水流挾帶至下游，但這種脈動和縱橫向渦流作用僅在攔河閘閘前約25 m范圍內(nèi)較為明顯，排沙的范圍僅及閘坎前15 m～20 m。

圖6 沖淤平衡后壩前地形圖

當(dāng)入庫流量達(dá)到5000 m3/s時壩前沖淤情況見圖7，19個閘門均打開，隨著流量的增加，庫區(qū)內(nèi)粒徑為2.5 cm的表層泥沙將大量啟動，隨水流通過閘門挾帶至下游，庫區(qū)內(nèi)淤積減少，流量愈增大，沖淤效果愈明顯。

圖7 流量為5000 m3/s時閘前沖淤情況

3.3 上游河道水流導(dǎo)污試驗分析

華安水電站泄流量小于500 m3/s的天數(shù)約占90%，需要經(jīng)常啟閉閘門泄流。攔河閘壩軸線與攔污柵夾角成漏斗形狀，在汛期大量上游污物隨著水流堆積在庫區(qū)內(nèi)，受電站進水閘引水的影響，大量污物會逐步堆積在攔污柵上，對攔污柵攔污造成巨大壓力，影響電站正常運行。選取入庫流量Q=500 m3/s進行河道水流導(dǎo)污試驗，觀察對比了四個方案：（1）無攔污排措施，開9#閘門；（2）無攔污排措施，開3#閘門；（3）有攔污排措施，開9#閘門；（4）有攔污排措施，開3#閘門。

當(dāng)沒有設(shè)置攔污排措施時，開9#閘門泄洪與開3#閘門泄洪都會存在著大量污物積聚在攔污柵前，但開啟3#閘門泄洪污物積聚范圍要小。在8#和9#閘墩處設(shè)置一攔污排至攔河閘上游左岸80 m，見圖8。當(dāng)開啟9#閘門泄洪時，大量污物被攔污排擋住，攔污柵前幾乎沒有污物。雖然部分污物隨水流通過9#閘門泄流至下游，但仍有大量的污物積聚于8#閘門至攔污排之間，無法隨水流下泄到下游，這么多污物將對攔污排結(jié)構(gòu)上造成巨大的壓力。因此，考慮將攔污排由8#和9#閘墩移至2#和3#閘墩處至上游左岸80 m，見圖9，這樣可縮短攔污排的長度，且可減小污物受水流流向的影響對攔污排產(chǎn)生的正向壓力。當(dāng)開啟9#閘門泄洪時，大量污物被攔污排擋住，攔污柵前幾乎沒有污物，但在8#閘門至攔污排之間仍積聚大量污物，對攔污排攔污造成壓力。因此關(guān)閉9#閘門，開啟3#閘門，即方案（4），則積聚在攔污排前的污物將通過3#閘門下泄的水流挾帶至下游，滯留于攔污排前的污物極少，達(dá)到較好的排污效果。

圖8 攔污排（8#、9#閘墩）

圖9 攔污排（2#、3#閘墩）

4 結(jié)論

由于低水頭多孔攔河閘的庫容較小，同時山區(qū)水土流失較嚴(yán)重，庫區(qū)泥沙淤積較嚴(yán)重、污物較多，本文以華安水電站工程為例采用模型試驗對攔河閘上游沖淤及導(dǎo)污情況進行模擬，得出以下主要結(jié)論：

（1）入庫流量低于5000 m3/s時，當(dāng)流量增加，水深也隨之增加，過水?dāng)嗝嫠髁魉僭黾虞^少，河床泥沙起動量較少，無法達(dá)到庫區(qū)沖淤的效果，反之，當(dāng)流量大于5000 m3/s時，所有閘門均打開，庫區(qū)泥沙大量起動，沖淤效果明顯；

（2）在沒有設(shè)置攔污排措施時，僅靠開閘導(dǎo)污排污，其效果并不明顯，大量上游污物隨著水流仍堆積在攔污柵上，對攔污柵造成巨大壓力。若在2#和3#閘墩處至攔河閘上游左岸80 m設(shè)置一攔污排，開啟3#閘門，能起到較好的攔污導(dǎo)污效果。