張文全

(聊城市河道工程管理處，山東 聊城 252000)

1 研究背景

某水庫(kù)是一座以灌溉為主，兼具發(fā)電和防洪功能的綜合性水利樞紐工程。水庫(kù)由主壩、副壩、溢洪道以及發(fā)電洞組成。水庫(kù)大壩為混凝土重力壩設(shè)計(jì)，壩頂高程795 m，壩軸線長(zhǎng)510 m，正常蓄水位為786.5 m，總庫(kù)容為6.07×108m3，興利庫(kù)容為4.77×108m3。按照工程設(shè)計(jì)，水庫(kù)的最大引水流量為125.4 m3/s，灌溉面積為20.666 7×104hm2，防洪保護(hù)面積為8.666 7×104hm2，發(fā)電裝機(jī)容量為2.6×104kW。該水庫(kù)位于我國(guó)西北水土流失較為嚴(yán)重的地區(qū)，夏季洪水時(shí)段河流的含沙量較高，因此給水庫(kù)帶來(lái)比較嚴(yán)重的淤積問(wèn)題，并對(duì)水庫(kù)的正常運(yùn)行和效益發(fā)揮造成顯著的不利影響。

水庫(kù)壩前沖刷漏斗的形成和發(fā)展過(guò)程與泄洪排沙孔前的水沙運(yùn)動(dòng)特征之間具有十分密切的關(guān)系，其形態(tài)和規(guī)模不僅可以反映排沙效果，同時(shí)對(duì)大壩壩前的水沙分布也存在重要的反作用[1]。對(duì)水庫(kù)壩前沖刷漏斗的研究始于上世紀(jì)中期的蘇聯(lián)，此后印度、伊朗等諸多國(guó)家對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了研究[2]。在國(guó)內(nèi)，新疆的迪那河總干渠首次利用其進(jìn)行庫(kù)區(qū)排沙，并取得顯著的工程效果[3]。在壩前沖刷漏斗的研究方面，進(jìn)行數(shù)值模擬研究需要其他手段的有效輔助和印證，而原型觀測(cè)不僅受到多種因素的影響，同時(shí)還會(huì)耗費(fèi)大量的觀測(cè)時(shí)間和資金。因此，模型試驗(yàn)仍然是壩前沖刷漏斗研究的有益方式[4]?；诖?，本文以該水庫(kù)為例，利用模型試驗(yàn)的方式，展開(kāi)排沙孔調(diào)度對(duì)壩前沖刷漏斗影響的相關(guān)研究，為工程調(diào)度運(yùn)行提供必要的參考。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)的水工模型按照重力相似性準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮凸こ虒?shí)際情況，模型的幾何比尺選定為1∶100、流量比尺為1∶100 000、流速比尺為1∶10、時(shí)間比尺為1∶10、糙率比尺為1∶1.85。結(jié)合該水庫(kù)上下游的河勢(shì)情況確定模型的模擬范圍，其中上游至壩軸線以上1 450 m，庫(kù)區(qū)的地形為定床設(shè)計(jì)，地形的高程模擬至730 m。模型的下游模擬至壩軸線下300 m，地形高程模擬至710 m。

2.2 模型的制作

在模型制作過(guò)程中，主要以斷面板法進(jìn)行，同時(shí)以等高線法予以配合[5]。在模型的底部進(jìn)行塊石和河沙混合料的填筑，表層利用水泥砂漿抹面硬化，模型中的大壩、4個(gè)排沙泄洪深孔、2個(gè)非常排沙孔、電站的引水進(jìn)口以及發(fā)電引水洞等主要建筑物利用聚乙烯板制作。為了更好模擬壩前沖刷情況，壩前及下游河道鋪設(shè)模型沙，其厚度為0.2～0.3 m，對(duì)應(yīng)實(shí)際深度約20～30 m。在模型的制作過(guò)程中，嚴(yán)格控制精度，確保模型的制作誤差小于0.5 cm，高程誤差小于1 mm，以保證模型的幾何相似性要求[6]。模型制作完畢后，利用2015年5月的流速實(shí)測(cè)資料進(jìn)行模型驗(yàn)證。結(jié)果顯示，模型的實(shí)測(cè)流速和原型值之間的誤差在10%以?xún)?nèi)，說(shuō)明制作的模型和水庫(kù)原型基本相似，可以用于后續(xù)研究。

為了保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行，為模型試驗(yàn)配備比較先進(jìn)的自動(dòng)控制和測(cè)量系統(tǒng)[7]。其中，試驗(yàn)的物理模型主要由水循環(huán)系統(tǒng)、地下水庫(kù)、地表水庫(kù)、庫(kù)區(qū)和建筑物模型、加沙攪拌系統(tǒng)、沉沙池以及自動(dòng)供水系統(tǒng)構(gòu)成。測(cè)量系統(tǒng)主要包括遠(yuǎn)程地形自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)、泥沙測(cè)量系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程自動(dòng)水位和流速測(cè)量系統(tǒng)[8]。所有測(cè)量獲取的數(shù)據(jù)均實(shí)時(shí)存入中控電腦，以便通過(guò)科學(xué)的對(duì)比分析，獲得研究結(jié)論。

2.3 試驗(yàn)工況

為了研究不同排沙孔洞調(diào)度情況對(duì)水庫(kù)大壩壩前沖刷情況的影響，研究中選取庫(kù)區(qū)典型年月均徑流量和含沙量數(shù)據(jù)，作為試驗(yàn)的水沙條件。經(jīng)過(guò)比尺換算，確定6和3 L/s兩種不同的入庫(kù)流量以及96 kg/m3的入庫(kù)含沙量，結(jié)合不同的調(diào)度方式，設(shè)計(jì)出的試驗(yàn)方案[9-11]見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 出庫(kù)流量影響的試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)，繪制工況1和工況2條件下的大壩壩前沖刷漏斗部位的高程等值線圖，結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。上述兩工況的其余條件全部相同，僅出庫(kù)流量不同。在工況1的條件下，壩前沖刷漏斗的左岸和右岸的橫向坡度分別為1∶1.85和1∶2.16，縱向坡度為1∶2.20，水庫(kù)電站引水口部位的淤積高程為754 cm。在工況2的條件下，壩前沖刷漏斗的左岸和右岸的橫向坡度分別為1∶1.91和1∶2.23，縱向坡度為1∶2.33，水庫(kù)電站引水口部位的淤積高程為744 cm。由此可見(jiàn)，在工況2條件下，壩前沖刷漏斗的坡度相對(duì)較緩。另一方面，由于電站引水洞進(jìn)水口的高程為754，因此工況1條件下容易導(dǎo)致該部位的淤堵，對(duì)發(fā)電引水造成不利影響，而工況2條件下則不存在上述問(wèn)題。究其原因，主要是隨著水庫(kù)泄流量的增大，泄流水流的流速也明顯增加，使水流具有更為充足的拉沙能力，因此河槽的沖刷幅度也明顯增加，因此造成工況2沖刷漏斗的縱向坡度較緩，漏斗的排沙范圍明顯增大，因此電站引水洞進(jìn)水口前的泥沙淤積高程也明顯降低?？傊跅l件允許的情況下，采用較大的泄洪流量不僅有利于排沙增加興利庫(kù)容，同時(shí)也有利于電站引水洞進(jìn)口的淤積安全[12]。

圖1 工況1沖刷漏斗高程等值線圖

圖2 工況2沖刷漏斗高程等值線圖

3.2 開(kāi)啟方式影響的試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)，繪制出工況2、工況3和工況4條件下的大壩壩前沖刷漏斗部位的高程等值線圖。其中，工況3和工況4 的高程等值線圖見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 工況3沖刷漏斗高程等值線圖

圖4 工況4沖刷漏斗高程等值線圖

上述3個(gè)工況的其余條件全部相同，僅排沙孔的開(kāi)啟方式不同。在工況2的條件下，壩前沖刷漏斗的左岸和右岸的橫向坡度分別為1∶1.91和1∶2.23，縱向坡度為1∶2.33，水庫(kù)電站引水口部位的淤積高程為744 cm。在工況3的條件下，壩前沖刷漏斗的左岸和右岸的橫向坡度分別為1∶2.06和1∶2.39，縱向坡度為1∶2.41，水庫(kù)電站引水口部位的淤積高程為749 cm。在工況4的條件下，壩前沖刷漏斗的左岸和右岸的橫向坡度分別為1∶2.07和1∶2.10，縱向坡度為1∶2.40，水庫(kù)電站引水口部位的淤積高程為754 cm。由此可見(jiàn)，在工況2條件下，電站引水洞進(jìn)水口部位不會(huì)發(fā)生淤堵，而其余兩種工況均會(huì)發(fā)生淤堵。究其原因，主要是工況2條件下的壩前沖刷漏斗比較靠近左岸，其保護(hù)范圍可以涵蓋進(jìn)水口，而其余兩個(gè)工況的沖刷漏斗比較靠近右岸，保護(hù)范圍難以覆蓋到該部位。同時(shí)，鑒于工況3和工況4的沖刷漏斗坡度較緩以及水庫(kù)上游來(lái)水的攜沙量較大，因此開(kāi)啟兩個(gè)排沙孔可以取得更好的排沙效果，對(duì)增加興利庫(kù)容比較有利[13-14]。

3.3 運(yùn)行水位影響的試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)，繪制出工況2和工況5條件下的大壩壩前沖刷漏斗部位的高程等值線圖。其中，工況5的高程等值線圖見(jiàn)圖5。

圖5 工況5沖刷漏斗高程等值線圖

上述兩個(gè)工況的其余條件全部相同，僅水庫(kù)的運(yùn)行不同。在工況2的條件下，壩前沖刷漏斗的左岸和右岸的橫向坡度分別為1∶1.91和1∶2.23，縱向坡度為1∶2.33，水庫(kù)電站引水口部位的淤積高程為744 cm。在工況5的條件下，壩前沖刷漏斗的左岸和右岸的橫向坡度分別為1∶1.91和1∶1.99，縱向坡度為1∶2.20，水庫(kù)電站引水口部位的淤積高程為749 cm。由此可見(jiàn)，工況5條件下的壩前沖刷漏斗坡度較工況2陡，電站引水洞進(jìn)水口也存在淤堵問(wèn)題。究其原因，主要是運(yùn)行水位較高時(shí)，壩前水流的先擴(kuò)散后收縮程度較小，因此上游的沖刷距離也會(huì)縮短。由此可見(jiàn)，在條件允許的情況下，降低運(yùn)行水位排沙可以獲得更好的排沙效果[15]。

4 結(jié) 論

壩前沖刷漏斗排沙是高含沙水庫(kù)排沙的重要方式，其排沙效果與水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行、特別是泄洪排沙孔的調(diào)度運(yùn)行存在顯著聯(lián)系。本文以某水庫(kù)為例，利用模型試驗(yàn)的方法研究了排沙孔調(diào)度對(duì)壩前沖刷漏斗影響，并獲得如下主要結(jié)論：

1) 在條件允許的情況下，采用較大的泄洪流量有利于提高排沙效果和電站引水洞進(jìn)口的淤積安全。

2) 同時(shí)開(kāi)啟兩個(gè)排沙孔可以取得更好的排沙效果，對(duì)增加興利庫(kù)容比較有利，但是應(yīng)注意電站引水洞進(jìn)水口的淤積問(wèn)題。

3) 在條件允許的情況下，降低運(yùn)行水位排沙可以獲得更好的排沙效果。