王偉

（遼寧省河庫(kù)管理服務(wù)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110003）

1 引言

水利工程的興建極大程度推動(dòng)了我國(guó)水資源的高效利用，但不可忽視許多河流由于泥沙淤積、高水沙比、岸坡水土保持能力弱等，造成河床擁塞、航運(yùn)困難、水庫(kù)庫(kù)容減少和水電站發(fā)電能力下降。由此可見(jiàn)，開(kāi)展水利工程水沙演化特征分析對(duì)提升工程設(shè)計(jì)水平以及研究水沙沖淤均具有重要價(jià)值[1-3]。國(guó)內(nèi)外已有一些學(xué)者或水利工程師通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)，建立水質(zhì)模型，開(kāi)展水沙演化模擬分析，預(yù)判水沙淤積狀態(tài)，為實(shí)際工程運(yùn)營(yíng)提供重要參考[4-6]。但由于實(shí)際工程不可能完全理想化，因而開(kāi)展室內(nèi)水工模型試驗(yàn)很有必要，很多學(xué)者通過(guò)水工模型試驗(yàn)研究，獲得了水工結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)下特征參數(shù)[7-9]，為水利工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)提供重要試驗(yàn)依據(jù)。本文通過(guò)對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)開(kāi)展室內(nèi)水工模型試驗(yàn)的水沙演化分析，為探討水利工程泥沙含量演化及排淤?zèng)_沙提供重要參考。

2 模型試驗(yàn)介紹

在某河流上所建水電站需考慮區(qū)段內(nèi)水流泥沙淤積對(duì)泄洪閘影響，因而本文考慮在室內(nèi)設(shè)計(jì)開(kāi)展水工模型試驗(yàn)，研究該水電站樞紐工程水沙演化狀態(tài)，為工程建設(shè)運(yùn)營(yíng)提供重要參考。受水工模型尺寸限制，在該水電站4 km范圍對(duì)水工模型開(kāi)展試驗(yàn)研究，模型長(zhǎng)寬比尺參數(shù)[10]均為100，水流中含沙量、流量以及流速模型參數(shù)分別為2、10萬(wàn)、10，按照試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[11]設(shè)計(jì)制作出水工河道以及水利樞紐工程模型。

試驗(yàn)參數(shù)采用該水電站樞紐工程5—8月水力特征參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括水電站上游水流流量與含沙量、下游出水電站泄洪洞后的流量與含沙量，并監(jiān)測(cè)水電站運(yùn)行過(guò)程中上游水位變化情況。限于篇幅，本文給出水電站上游水流流量與含沙量在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)變化關(guān)系，如圖1所示。根據(jù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及圖1可知，水電站上游進(jìn)入壩址區(qū)水流流量6月23日最大為3 780 m3/s，6—7月日均流量可達(dá)2 023 m3/s，相比5月增大了147.7%；下游出泄洪洞后流量最大為4 040 m3/s，與上游壩址區(qū)內(nèi)最大流量時(shí)刻一致；上游庫(kù)水位最高為255.95 m，4個(gè)月內(nèi)水位線先降低后升高，最低水位為212.10 m，工程實(shí)測(cè)時(shí)間是7月4日，8月最高水位可達(dá)239.74 m。本文模型試驗(yàn)即以上述參數(shù)為控制條件，在水工模型上安裝監(jiān)測(cè)傳感器，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳回采集系統(tǒng)。工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布，如圖2所示。在對(duì)各水力特征參數(shù)變化特征進(jìn)行觀測(cè)的基礎(chǔ)上，以泄流過(guò)程中水力各特征參數(shù)變化反映水電站樞紐工程水沙演化特征。

圖1 上游水流流量與含沙量變化情況

圖2 工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布

3 模型試驗(yàn)結(jié)果特征分析

3.1 特征參數(shù)分析

基于模型試驗(yàn)全過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到不同時(shí)刻水電站模型上、下游特征參數(shù)變化情況，如圖3所示。從圖3可以看出，當(dāng)水電站壩前水位發(fā)生變化時(shí)，沿程水位變化有所差異，其中在壩區(qū)1 500 m里程內(nèi)，水位變化較?。辉趬吻八粸?22.80 m時(shí)里程1 500 m以內(nèi)水位變化幅度不超過(guò)0.03%，變化幅度最大為壩前水位212.40 m時(shí)的0.2%。相比而言，在里程1 500～4 500 m內(nèi)水位線變化幅度較大，其中在壩前水位212.40、217.80 m時(shí)分別達(dá)0.20%、0.04%，且均為隨里程增大水位線逐漸抬高趨勢(shì)。分析表明，水電站壩區(qū)內(nèi)水沙淤積主要發(fā)生在里程1 500～4 500 m內(nèi)，該里程內(nèi)水位抬高變化顯著，水沙淤積明顯，而里程1 500 m以內(nèi)幾乎無(wú)水沙淤積現(xiàn)象。

圖3 上游壩區(qū)里程內(nèi)水位線變化情況

根據(jù)模型中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位數(shù)據(jù)，獲得模擬河道內(nèi)特征點(diǎn)水位變化，如圖4所示。從圖4可知，A點(diǎn)監(jiān)測(cè)水位最大值為228 m，水位變化與上游來(lái)水流量有關(guān)，當(dāng)流量愈大時(shí)則水位線愈高，上游來(lái)水流量與水位線具有一定正相關(guān)特征；從整體水位線變化來(lái)看，變化量值最大未超過(guò)20 m；對(duì)比同一時(shí)間區(qū)段內(nèi)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位可知，水位以里程較大的測(cè)點(diǎn)為最大，其中D點(diǎn)所在里程相對(duì)較大，在第2 000 h該測(cè)點(diǎn)水位為223.2 m，相比C點(diǎn)同一時(shí)刻水位增大了2.6%。

圖4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位時(shí)程曲線

在泄流沖淤試驗(yàn)過(guò)程中，由于壩區(qū)上游流量變化均會(huì)引起泥沙淤積，通過(guò)觀測(cè)模型中河床變化，可反映水庫(kù)泥沙淤積演化過(guò)程，模型中不同時(shí)刻變化形態(tài)如圖5所示，并將各橫斷面上模型實(shí)測(cè)地形高程與水電站樞紐工程實(shí)測(cè)地形高程對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。從圖5—6可以看出，模型試驗(yàn)中泥沙存在淤積現(xiàn)象，但對(duì)河道沖刷并不顯著；由地形高程曲線可知，上、下游段模型試驗(yàn)值與實(shí)際工程監(jiān)測(cè)值一致，中游段模型試驗(yàn)值較高，全斷面地形高程呈“U”字形，地形高程最低約為180 m，最大變化幅度為33.3%。中游段試驗(yàn)結(jié)果較高，模型中泥沙等含量均采用概化換算獲得。一方面，限于模型尺寸效應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果雖能為工程提供參考，但與實(shí)際工程仍有一定差異；另一方面，實(shí)際工程中河床地形高程還受地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)影響，而這種情況在試驗(yàn)室無(wú)法準(zhǔn)確模擬，因而模型試驗(yàn)結(jié)果高于實(shí)測(cè)值，最大相差幅度為5.4%。

圖5 模型中不同時(shí)刻河床地形變化

圖6 斷面地形高程結(jié)果對(duì)比

3.2 底孔堵塞沖刷分析

當(dāng)泄洪洞上游泥沙淤積嚴(yán)重，會(huì)造成泄洪閘底孔堵塞，進(jìn)而影響泄流效率，為此探討底孔堵塞后沖刷方案。模型試驗(yàn)中上游來(lái)水流量控制為800 m3/s，水位為230 m，排沙洞流量控制為300 m3/s，分別對(duì)2個(gè)明流洞、3個(gè)孔板洞、3個(gè)排沙洞開(kāi)展試驗(yàn)，依次打開(kāi)a#、b#明流洞，關(guān)閉其他孔洞，待測(cè)試洞內(nèi)含沙量穩(wěn)定后，對(duì)孔板洞、排沙洞開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)試，依次獲得各個(gè)孔洞含沙量隨時(shí)間變化關(guān)系，如圖7所示。從圖7可以看出，不論是明流洞還是孔板洞、排沙洞，其含沙量均是先增后減至穩(wěn)定狀態(tài)變化，a#明流洞至含沙量穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)達(dá)315 min，含沙量峰值為20 kg/m3，穩(wěn)定狀態(tài)下含沙量約為2.95 kg/m3，相比峰值含沙量降低了85.3%。a#孔板洞峰值含沙量為60 kg/m3，含沙量至穩(wěn)定狀態(tài)下降幅超過(guò)80%；對(duì)比2個(gè)孔板洞含沙量變化可知，b#孔板洞峰值含沙量更大，達(dá)70 kg/m3。綜上分析來(lái)看，明流洞排沙量最小，峰值含沙量?jī)H為排沙洞的28%，孔板洞排沙能力僅次于排沙孔。

圖7 各孔洞含沙量隨時(shí)間變化

泄洪閘進(jìn)水塔排墩前地形高程在沖刷模型試驗(yàn)前、后對(duì)比，如圖8所示。從圖8可知，經(jīng)沖刷排沙后，泄洪閘前高程顯著降低，泥沙淤積影響減弱；試驗(yàn)前地形高程穩(wěn)定在192 m，經(jīng)沖刷后地形高程最低僅為175 m，降低幅度達(dá)9%。分析表明，模型沖刷試驗(yàn)有效減弱了泥沙淤積現(xiàn)象，可為水電站樞紐工程的安全運(yùn)營(yíng)提供重要防淤思路。

圖8 沖刷模型試驗(yàn)前、后地形高程對(duì)比

4 螺旋流定點(diǎn)沖淤試驗(yàn)分析

為研究螺旋流排沙沖淤效果，設(shè)計(jì)以不同管徑螺旋面排沙沖淤，以5、8 cm作為管徑對(duì)比方案，螺旋面形態(tài)如圖9（a）所示，螺旋流排沙裝置如圖9（b）所示。試驗(yàn)控制上游水位為120 cm，排沙洞流量為2.6 L/s，以固定點(diǎn)處的螺旋管道作為輸沙渠道，測(cè)定全過(guò)程管徑出口含沙量，獲得含沙量變化曲線。

圖9 螺旋流排沙裝置

4.1 螺旋流5 cm管徑

5 cm管徑螺旋流輸沙過(guò)程中平均含沙量與累計(jì)含沙量變化曲線如圖10所示，平均含沙量呈先增后減變化，峰值含沙量為115 kg/m3，位于第74 min，后持續(xù)下降，直至最低含沙量10 kg/m3。另從平均含沙量的增長(zhǎng)與下降階段來(lái)看，增長(zhǎng)階段分為緩慢增長(zhǎng)與快速增長(zhǎng)2個(gè)增長(zhǎng)速率段，緩慢增長(zhǎng)段為0～36 min，增長(zhǎng)幅度約為153%，而從37 min后至峰值含沙量，平均每分鐘含沙量增長(zhǎng)1.63 kg/m3；而在下降階段，平均含沙量亦具有速率轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其臨界點(diǎn)位于第125 min左右，分析表明出現(xiàn)平均含沙量的增長(zhǎng)和下降變化拐點(diǎn)與螺旋管徑剖面流向轉(zhuǎn)換停滯有關(guān)，當(dāng)螺旋流的旋轉(zhuǎn)方向到達(dá)極限點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生螺旋流速降低，進(jìn)而含沙量會(huì)有速率變化的過(guò)程。累計(jì)輸沙量處于持續(xù)增長(zhǎng)階段，在峰值含沙量時(shí)即第74 min時(shí)累計(jì)輸沙量達(dá)800 kg，而累計(jì)輸沙量增長(zhǎng)斜率分為2個(gè)階段，0～60 min內(nèi)平均每分鐘增加含沙量9.2 kg，在該時(shí)間點(diǎn)之后累計(jì)含沙量增長(zhǎng)斜率逐漸放緩，即第60 min為累計(jì)含沙量峰值增長(zhǎng)臨界點(diǎn)，相比峰值平均含沙量有所提前。

圖10 平均含沙量與累計(jì)含沙量變化（5 cm管徑）

4.2 螺旋流8 cm管徑

同理可得到8 cm管徑含沙量變化關(guān)系，如圖11所示。8 cm輸沙管徑的含沙量變化曲線趨勢(shì)與5 cm管徑基本一致，峰值含沙量相比5 cm管徑增長(zhǎng)了4.3%，達(dá)120 kg/m3，位于第100 min；另在37.5 min前，含沙量變化較小，基本維持在20 kg/m3，而在第37.5 min至峰值含沙量階段，平均每分鐘含沙量增長(zhǎng)1.76 kg/m3；而在降低階段，8 cm管徑的降低速率拐點(diǎn)位于第136 min左右；對(duì)比5 cm管徑下含沙量結(jié)果可知，8 cm輸沙管徑的螺旋流排沙能力優(yōu)于5 cm管徑，沖淤能力與螺旋流管徑關(guān)系為正相關(guān)。從累計(jì)含沙量特征參數(shù)亦可知，其增長(zhǎng)斜率拐點(diǎn)約位于第92 min，此時(shí)累計(jì)含沙量達(dá)800 kg；在該增速拐點(diǎn)后，增長(zhǎng)速率放緩，92～160 min增長(zhǎng)幅度為83.5%；從整體累計(jì)含沙量對(duì)比來(lái)看，8 cm管徑的累計(jì)含沙量在各時(shí)刻均高于5 cm管徑，2個(gè)管徑在第140 min時(shí)均已處于累計(jì)含沙量增長(zhǎng)的第2階段中，8 cm管徑累計(jì)含沙量達(dá)1 400 kg，相比5 cm管徑其增大幅度為14.3%。綜合分析來(lái)看，平均含沙量峰值點(diǎn)均滯后于累計(jì)含沙量增長(zhǎng)速率拐點(diǎn)；2種管徑最終含沙量均穩(wěn)定在10～15 kg/m3，但8 cm管徑螺旋流排沙量高于5 cm管徑，有助于孔洞排沙沖淤。

圖11 平均含沙量與累計(jì)含沙量變化（8 cm管徑）

5 結(jié)論

（1）研究了在壩區(qū)里程1 500～4 500 m內(nèi)水沙淤積，里程1 500 m以內(nèi)幾乎無(wú)水沙淤積；上游來(lái)水流量與水位線為正相關(guān)關(guān)系；全斷面地形高程呈“U”字形，地形高程最低約為180 m，最大變化幅度為33.3%，模型試驗(yàn)的地形高程結(jié)果高于工程實(shí)測(cè)值。

（2）底孔堵塞沖刷試驗(yàn)中含沙量均是先增后減至穩(wěn)定狀態(tài)，明流洞排沙量最小，峰值含沙量?jī)H為排沙洞的28%，孔板洞排沙能力僅次于排沙孔；經(jīng)沖刷排沙后，泄洪閘前高程降低幅度達(dá)9%，地形最低高程僅為175 m。

（3）5 cm管徑螺旋流排沙方式下平均含沙量呈先增后減變化，峰值含沙量為115 kg/m3，增長(zhǎng)與下降階段均有速率拐點(diǎn)；累計(jì)輸沙量呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，但增長(zhǎng)速率逐漸放緩，第60 min為累計(jì)含沙量峰值增長(zhǎng)臨界點(diǎn)。

（4）8 cm管徑螺旋流排沙方式下平均含沙量、累計(jì)含沙量變化趨勢(shì)均與5 cm管徑一致，但峰值含沙量相比5 cm管徑增長(zhǎng)了4.3%，且各時(shí)刻累計(jì)含沙量均高于5 cm管徑，2種管徑最終平均含沙量均穩(wěn)定在10～15 kg/m3。