趙文竹

(山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心，山東 濟(jì)南 250100)

泥沙淤積沉降對(duì)水工結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營帶來較大挑戰(zhàn)，如何有效規(guī)避泥沙淤積沉降影響乃是水利工程設(shè)計(jì)中重要考量因素[1- 3]。為此，探討水工建筑的泥沙沉降以及水沙演變特征對(duì)推動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要意義。范海東[4]、史舒婧等[5]、呂科等[6]利用Fluent流場仿真平臺(tái)建立水工結(jié)構(gòu)的滲流場計(jì)算模型，由流場特征參數(shù)反映水沙特征，特別是分析流場中動(dòng)水壓強(qiáng)、流速等參數(shù)，為工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)。當(dāng)然，也有一些工程師利用細(xì)觀監(jiān)測手段，分析了已建工程的水沙細(xì)觀特征[7- 8]，及時(shí)預(yù)判工程失穩(wěn)前兆，為工程建設(shè)提供重要參考。由于流場仿真計(jì)算有時(shí)與工程實(shí)際偏差較大，而細(xì)觀監(jiān)測耗時(shí)周期較長，不利于工程設(shè)計(jì)的進(jìn)度控制，因而王偉[9]、呂會(huì)嬌等[10]、王世杰等[11]引入物理模型試驗(yàn)理論，設(shè)計(jì)水工模型的等比例尺復(fù)制試驗(yàn)，開展相應(yīng)的河道沖淤、潰壩及多工況的模擬試驗(yàn)，進(jìn)而獲得相應(yīng)的工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討工程的有效安全運(yùn)營。本文根據(jù)膠東調(diào)水樞紐工程張家寨下游引水渠首增設(shè)排沙閘問題，設(shè)計(jì)開展引水渠的泄降沖淤試驗(yàn)，分析排沙閘在水沙演變中重要作用，為工程設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 模型試驗(yàn)概況

1.1 工程背景

引黃濟(jì)青工程乃是面向青島市及沿途城市農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)補(bǔ)水用途的大型跨流域、遠(yuǎn)距離調(diào)水工程。該引水工程從打漁張引黃閘取黃河水，設(shè)計(jì)運(yùn)行線路全長290km，其中修建引水明渠250km，穿越36條河流。為控制水力作用，全線路修建水閘、泵站、調(diào)壓塔等各類建筑物450余座，設(shè)5級(jí)提水泵站和1級(jí)臨時(shí)提水泵站，另有大型蓄水庫和沉沙池。在引黃濟(jì)青工程線路張寨橋輸水渠點(diǎn)建設(shè)長度為6.08km的高低輸水渠，由于局部地段泥沙含量集中，特別是對(duì)懸浮質(zhì)監(jiān)測分析表明[3，12]，中值粒徑為0.01mm，泥沙淤積較嚴(yán)重，懸浮質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。為有效提升下游引水渠內(nèi)輸水安全性，在渠首設(shè)置一攔沙閘，設(shè)計(jì)開展引水渠首閘前河道水沙模型試驗(yàn)，分析閘前河道水閘水沙演變特征，為排沙閘有效設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖1 泥沙顆粒級(jí)配曲線

1.2 模型試驗(yàn)

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性，依據(jù)引水渠首現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)河道上游120m與下游河道150m的物理水工模型，模擬寬度約為80m，水工模型與實(shí)際設(shè)計(jì)模型的幾何比尺為30，結(jié)合泥沙懸浮質(zhì)顆粒屬性及級(jí)配狀態(tài)，以人工篩分沙(中值粒徑0.1mm)作為泥沙懸浮質(zhì)模擬物，該類型懸浮質(zhì)比重以及遷移動(dòng)能、懸疑能基本與引水渠泥沙含量一致，容重為1200kg/m3，泥沙模擬沉速比為4.5，依照文獻(xiàn)[13- 14]可得到模型試驗(yàn)中含沙量比尺為2。由于下游引水渠運(yùn)營年限超過5a，因而設(shè)定上游河道沖淤導(dǎo)致的預(yù)計(jì)變形相似比為8。模型試驗(yàn)還包括消力池、泄洪閘等設(shè)施，均按照實(shí)際工程中尺寸進(jìn)行比例尺復(fù)制。為保障模型試驗(yàn)中供水有效性，本文設(shè)定循環(huán)供水系統(tǒng)，并于泥沙懸浮沉降系統(tǒng)為一體，該模型平面圖如圖2所示，其中循環(huán)供水系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件調(diào)配相應(yīng)的泄流量、出、入渠流量等，而水質(zhì)中安裝有加、沉沙裝置，可較好模擬泥沙懸浮遷移過程，排水設(shè)施以及模擬泄流量均按照工程實(shí)際蒸發(fā)與入渠測試量匹配設(shè)定。

圖2 模型平面圖

本模型試驗(yàn)設(shè)定研究工況為張寨橋引水期運(yùn)營時(shí)，增設(shè)排沙閘對(duì)渠首泥沙淤積影響，設(shè)定河道上游來水流量為35m3/s，此為引水渠正常引水流量，懸浮質(zhì)的輸沙比為5%，時(shí)間比尺為10[15- 16]。試驗(yàn)中渠首水閘開度為1m，水位深度為3.5m，試驗(yàn)時(shí)持續(xù)降低水位，確保泥沙淤積至排沙閘懸板結(jié)構(gòu)，測試相應(yīng)的水沙特征參數(shù)，包括流速等。另各泥沙淤積測點(diǎn)設(shè)定在排沙閘頂、懸板兩側(cè)，各有5個(gè)測點(diǎn)，間距為0.5m，典型斷面上測點(diǎn)分布如圖3所示。

圖3 斷面上測點(diǎn)分布

2 水沙演變結(jié)果分析

2.1 流速特征

在引水期模型試驗(yàn)中，分別在典型斷面T4以及排沙閘懸板等間距1m處取測點(diǎn)1#～4#，其中1#測點(diǎn)距離河床側(cè)邊30cm，其余測點(diǎn)以1#測點(diǎn)為基準(zhǔn)劃定，最終測定各斷面上不同測點(diǎn)的流速變化特征。依據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而獲得典型斷面不同水深處的流速變化特征，如圖4所示。

圖4 不同水深處流速變化特征

由圖4中各斷面流速變化特征可知，測點(diǎn)距離河床底部愈大，則流速值愈低。特征斷面T4上1#測點(diǎn)在相對(duì)水深為0.5時(shí)流速為0.6m/s，而相同斷面相同水深的2#、4#測點(diǎn)流速較前者分別減少了21.2%、47.5%，整體來看1#測點(diǎn)流速與2#、3#、4#測點(diǎn)的流速差幅分布在6.5%～26.9%、11.3%～35%、7%～90.4%，測點(diǎn)間幅度差異最大值出現(xiàn)在相對(duì)水深0.5。分析表明，各測點(diǎn)間差異性最大值為河床內(nèi)中部流速，此與河床底部受泥沙淤積影響，各測點(diǎn)間流速趨于一致性。在相對(duì)水深0.2、1.1處，各測點(diǎn)的流速接近一致，差異性較小，分別穩(wěn)定在0.2、0.7m/s。

從單個(gè)測點(diǎn)流速變化來看，測點(diǎn)流速與水深兩者具有正相關(guān)關(guān)系，在河道斷面T4上的2#測點(diǎn)相對(duì)水深0.2處流速為0.21m/s，而在相對(duì)水深0.5、1.1處流速較前者分別增大了1.24、2.3倍，該測點(diǎn)下隨相對(duì)水深增大0.3，流速平均增幅為56.6%，而在1#、4#測點(diǎn)上流速增幅平均為64.7%、51.9%，受橫斷面上測點(diǎn)影響，流速隨相對(duì)水深變化最大為1#測點(diǎn)，即以斷面上兩側(cè)的測點(diǎn)流速增幅更顯著。

由圖4(b)可知，排沙閘懸板各測點(diǎn)上流速隨相對(duì)水深變化具有一致性，表明愈靠近排沙閘，則泥沙淤積對(duì)流速影響愈弱，流速參數(shù)值受泥沙懸浮沉降影響愈小，各測點(diǎn)的流速呈一致性態(tài)勢。在懸板1#測點(diǎn)上相對(duì)水深參數(shù)1.1較參數(shù)0.2、0.8分別具有5.4倍、24.9%增幅，而總體隨相對(duì)水深增大0.3，流速值增長1.23倍，而在2#、4#測點(diǎn)增幅分別為1.7、3.3倍。而相同水深處的不同測點(diǎn)間流速差幅隨相對(duì)水深增大而減小，在相對(duì)水深0.2處1#與3#、4#測點(diǎn)流速差幅為1.28、3.7倍，而相對(duì)水深0.8處流速差幅又分別為28.6%、79.8%，表明閘前懸板斷面上流速變化走向不受泥沙淤積影響[17]，而不同測點(diǎn)間流速主要受水深影響，泥沙淤積影響較弱。

2.2 含沙量特征

模型試驗(yàn)同時(shí)可獲得各測點(diǎn)不同水深處含沙量變化特征，如圖5所示。

圖5 不同水深處含沙量變化特征

由圖5可知，T4斷面含沙量變化差異性顯著低于閘前懸板斷面，T4斷面4個(gè)測點(diǎn)中含沙量變化幅度最大為4#測點(diǎn)，達(dá)7.9%，而在閘前懸板斷面1#～4#4個(gè)測點(diǎn)的最大變幅分別為76.4%、98.8%、109.7%、122.7%，表明閘前懸板泥沙沉降受限較大，是排沙閘作用的重要體現(xiàn)。T4斷面1#、2#、4#測點(diǎn)含沙量平均值分別在1.17、1.13、1.1kg/m3左右，隨相對(duì)水深增大，整體具有減小趨勢，但降幅較小。閘前懸板斷面各測點(diǎn)含沙量隨相對(duì)水深變化均遞減，3#測點(diǎn)的水深0.1處含沙量為1.03kg/m3，而在另一水深0.4、0.8處含沙量較前者分別減少26.8%、52.3%，2#測點(diǎn)在相對(duì)水深0.8與0.1間流速亦具有差幅50%。綜合認(rèn)為，閘前懸板有助于降淤，含沙量在斷面上隨相對(duì)水深呈減小，而距離排沙閘較遠(yuǎn)的T4斷面水流含沙量受排沙閘影響較小，無法顯著抑制含沙量。

3 運(yùn)營過程中閘前泥沙淤積演化特征

根據(jù)模型試驗(yàn)中閘前泥沙監(jiān)測，獲得各累計(jì)運(yùn)營時(shí)間下閘前河床軸線上含沙量變化特征，如圖6所示。

圖6 閘前河床軸線上含沙量變化特征

由圖6可知，與閘前距離愈遠(yuǎn)，河床含沙量愈大，累計(jì)運(yùn)營20～70d時(shí)均如此；在累計(jì)運(yùn)營40d時(shí)閘前位置的含沙量為1.01kg/m3，閘前距離增大至30、100m時(shí)的含沙量較前者分別增大了6.6%、81%。從整體增幅來看，在閘前0～50m區(qū)間內(nèi)，累計(jì)運(yùn)營20d平均閘前距離增大10m，水質(zhì)中含沙量增長2.2%，而閘前距離增大至50～100m區(qū)間后，其含沙量隨閘前距離的平均增幅為11.2%，表明含沙量隨閘前距離增長為先慢后快。比較不同累計(jì)運(yùn)營時(shí)間的增幅可知，累計(jì)運(yùn)營70d，其含沙量增長亦是以閘前50m為節(jié)點(diǎn)，在該節(jié)點(diǎn)前、后區(qū)間內(nèi)平均增幅分別為3.9%、11.3%，與累計(jì)運(yùn)營20d接近一致。相同閘前距離累計(jì)運(yùn)營時(shí)間愈長含沙量愈大，在閘前30m處初始含沙量為0.83kg/m3，而累計(jì)運(yùn)營40、70d時(shí)含沙量相比前者增長了29.2%、57.5%，在閘前各距離點(diǎn)內(nèi)累計(jì)運(yùn)營40、70d與初始含沙量間幅度分布為20.1%～42.7%、52.1%～62.7%。筆者認(rèn)為，閘前水流含沙量在各累計(jì)運(yùn)營期內(nèi)具有一致性，累計(jì)運(yùn)營時(shí)間對(duì)泥沙淤積影響僅存在時(shí)間效應(yīng)，而閘前距離參數(shù)對(duì)泥沙淤積影響更具有“長遠(yuǎn)”效應(yīng)[18]，此亦印證了前文分析排沙閘在引水渠首的重要降淤作用。

圖6(b)為排沙閘單孔與多孔式工作時(shí)的含沙量變化特征。依據(jù)圖中含沙量變化可知，單孔與多孔式排沙閘的工作運(yùn)營模式含沙量與累計(jì)運(yùn)營時(shí)間均為正相關(guān)關(guān)系，累計(jì)運(yùn)營每增長10d，2種排沙模式含沙量分別平均增長9.5%、7.4%，且單孔與多孔式排沙2種模式間含沙量差幅分布為11.7%～20.6%，表明多孔式排沙閘工作效率高于單孔。

4 結(jié)論

(1)河床中部流速為各測點(diǎn)間差異性最大；距離河床底部愈大，則流速愈低；隨水深增大，流速增大，2#測點(diǎn)相對(duì)水深增大0.3，流速平均增長56.6%；愈靠近排沙閘，則泥沙淤積對(duì)流速影響愈弱。

(2)閘前懸板泥沙沉降受限較大，且各測點(diǎn)含沙量隨相對(duì)水深變化均為遞減，T4斷面距離排沙閘較遠(yuǎn)，無法顯著抑制含沙量。

(3)與閘前距離愈遠(yuǎn)，含沙量愈大，但隨閘前距離含沙量增長為先慢后快；多孔式排沙閘工作效率高于單孔，2種模式間含沙量差幅分布為11.7%～20.6%。

(4)綜合認(rèn)為排沙閘有助于降淤，特別是在閘前50m內(nèi)，而采用多孔式排沙更利于沖淤。