白 云

（聊城市河道工程管理服務(wù)中心，山東 聊城 252000）

水利樞紐工程中不可避免會(huì)遇到泥沙淤積帶來的滲流影響，而且與工程的蓄水位、輸水流量等具有重要關(guān)聯(lián)性，探討水利工程中水沙演變與降淤關(guān)系具有重要意義。針對(duì)水利工程中泥沙淤積與水沙演變特征，范海東、史舒婧等、呂科等利用Fluent 等滲流場(chǎng)仿真計(jì)算平臺(tái)研究了不同工況下或不同設(shè)計(jì)方案的滲流場(chǎng)特征，或探討了泥沙淤積演變過程，為工程設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)等提供了重要參考。一些工程師利用專用細(xì)觀監(jiān)測(cè)設(shè)備，如李倩等、曹貫中等、曾劍在工程現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)多個(gè)傳感器，研究工程運(yùn)營(yíng)過程中滲流場(chǎng)以及泥沙懸浮的細(xì)觀變化特征，預(yù)判水工結(jié)構(gòu)受水沙破壞影響的前兆。雖滲流場(chǎng)以及水沙演變的仿真計(jì)算較為高效，但試驗(yàn)結(jié)果有時(shí)與實(shí)際差異較大，細(xì)觀監(jiān)測(cè)要求周期較長(zhǎng)。王偉、儲(chǔ)維刃等、段淇元等根據(jù)物理模型理論按照比例在室內(nèi)復(fù)制水工結(jié)構(gòu)，開展相應(yīng)的水工模型試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果探討水工設(shè)施的水沙演變、滲流場(chǎng)變化以及靜、動(dòng)力結(jié)構(gòu)安全性，為工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化、安全設(shè)計(jì)評(píng)判等提供佐證。依據(jù)魯東北引水樞紐工程的水沙演變問題，設(shè)計(jì)引水渠泥沙淤積與沖砂模型試驗(yàn)，探討設(shè)置排沙閘對(duì)于引水渠輸水安全高效運(yùn)營(yíng)的作用，為工程建設(shè)加固提供重要依據(jù)。

1 模型試驗(yàn)概況

1.1 工程背景

魯東北引水樞紐工程是地區(qū)內(nèi)重要水利工程，承擔(dān)著地區(qū)引水、水資源調(diào)度等重要功能，最大集水面積超過7 000 km2，可灌溉農(nóng)田340 km2。工程包括引水渠、攔污柵及泄洪閘等設(shè)施。引水渠底采用雙層防滲加固措施，厚度40 mm，最大沉降變形不超過6 mm，兩側(cè)設(shè)置有擋土邊墻，箱涵最大承受土壓力超過5 MPa，涵厚度36 mm，拼裝式擋土墻抗拉應(yīng)力2.5 MPa，邊坡監(jiān)測(cè)表明無顯著滑移面，最大滲透坡降不超過0.26，局部鋪設(shè)暗渠，保護(hù)引水渠輸水安全性。攔污柵位于引水河道入水口，結(jié)構(gòu)體系配置有主、次錨索，最大張拉荷載分別達(dá)1 650、1 350 kN，錨索按照間隔120 mm分層布置，初步仿真計(jì)算表明攔污柵及其支撐墩結(jié)構(gòu)變形較小，沉降變形與順?biāo)鞣较蜃冃巫畲蠓謩e為6.5、8.4 mm，柵墩厚度80 mm，可承受最大拉應(yīng)力2.2 MPa。泄洪閘設(shè)計(jì)泄流100 m3/s，閘頂高程252.6 m，閘室底板厚度0.6 m，為多孔式閘門設(shè)計(jì)形態(tài)，單孔尺寸1.2 m。由于河道內(nèi)泥沙懸浮較多，泄洪閘設(shè)置有攔沙網(wǎng)，可有效限制下游河流內(nèi)泥沙懸浮質(zhì)，取樣測(cè)試表明河道內(nèi)含沙量為0.8～5.5 kg/m3，泥沙主要來源于上游水力沖刷與沖蝕。水文監(jiān)測(cè)表明，該河道內(nèi)泥沙含量在3—9 月為最高，峰值為6.5 kg/m3，年輸沙量超過800萬(wàn)t，而6—9月平均輸沙量可達(dá)110 萬(wàn)t，月均輸沙量與年降雨量分布較契合，泥沙遷移受雨水地表徑流影響，加劇了河道泥沙懸浮質(zhì)遷移。根據(jù)引水渠上游河道內(nèi)泥沙懸浮質(zhì)篩分得知，泥沙中值粒徑0.01 mm，以粒徑0.1 mm 以內(nèi)為主，顆粒級(jí)配曲線如圖1 所示。為研究該引水樞紐工程水沙演變特征，特增設(shè)一排沙水閘，并研究上游河道枯水期與引水運(yùn)營(yíng)期內(nèi)閘前河道泥沙淤積特征，為排沙閘有效設(shè)置提供參考。

圖1 泥沙顆粒級(jí)配曲線

1.2 模型試驗(yàn)

為保證試驗(yàn)結(jié)果可靠性，按照引水渠首現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)河道上游120 m 與下游河道150 m 的物理水工模型，模擬寬度約80 m，結(jié)合泥沙懸浮質(zhì)顆粒屬性及級(jí)配狀態(tài)，以人工改進(jìn)水脂粉作為泥沙懸浮質(zhì)模擬物。該類型懸浮質(zhì)比重以及遷移動(dòng)能、懸移能基本與魯東北引水渠泥沙含量一致，容重為1 300 kg/m3，泥沙模擬沉速比為5.3。參考模型試驗(yàn)中含沙量比尺控制，最終確定模型水質(zhì)中含沙量比尺為2，結(jié)合目前河道沖淤狀態(tài)，設(shè)定淤積變形相似比例為10。按照預(yù)定模型試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，設(shè)計(jì)有供水系統(tǒng)、泥沙懸浮系統(tǒng)完成試驗(yàn)匹配性，模型平面如圖2 所示。該模型采用循環(huán)供水系統(tǒng)和加沙、沉沙裝置，供水流量以及排水設(shè)施均與工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際泄流量、蒸發(fā)量相匹配。

圖2 模型平面

模型試驗(yàn)主要研究枯水期工況下排沙閘前泥沙淤積對(duì)河床影響，在枯水期設(shè)定河道上游來水流量為25.5 m3/s，此為地區(qū)枯水季平均流量，泥沙含量設(shè)定為1.335 kg/m3，按照河道輸沙比5%計(jì)算泥沙遷移，時(shí)間比尺為10。泥沙淤積測(cè)點(diǎn)設(shè)定在排沙閘頂懸板兩側(cè)，各5 個(gè)，閘前河道斷面上共有20 個(gè)測(cè)點(diǎn)，斷面間距控制為1.5 m，典型斷面上測(cè)點(diǎn)分布如圖3 所示。

圖3 斷面上測(cè)點(diǎn)分布

2 河床水沙演變特征

2.1 河床泥沙淤積特征

根據(jù)枯水期工況模型試驗(yàn)結(jié)果，獲得排沙閘前河床泥沙淤積厚度與累計(jì)運(yùn)營(yíng)時(shí)間關(guān)系，如圖4所示。

圖4 泥沙淤積厚度與累計(jì)運(yùn)營(yíng)時(shí)間關(guān)系

從圖4 可看出，泥沙淤積厚度與累計(jì)運(yùn)營(yíng)時(shí)間具有三階函數(shù)關(guān)系，兩者具有正相關(guān)，具體函數(shù)關(guān)系詳見式（1）。運(yùn)營(yíng)累計(jì)80 d后，泥沙淤積厚度曲線有所放平，無較快增長(zhǎng)潛力。從泥沙淤積厚度具體量值變化來看，河床初始泥沙淤積厚度達(dá)11.76 cm，而隨著引水渠運(yùn)營(yíng)時(shí)間累積，泥沙淤積厚度顯著增大，運(yùn)營(yíng)累計(jì)20 、40 d 的泥沙淤積厚度相比初始時(shí)分別增長(zhǎng)了1.37、3.1 倍。引水渠運(yùn)營(yíng)累計(jì)0～50 d，平均運(yùn)營(yíng)時(shí)間每增長(zhǎng)10 d，河床泥沙淤積厚度增長(zhǎng)36.9%。當(dāng)運(yùn)營(yíng)時(shí)間增長(zhǎng)至60 d 以后，泥沙淤積厚度的增幅有所放緩；運(yùn)營(yíng)累計(jì)第70、80 d 時(shí)，泥沙淤積厚度相比累計(jì)50 d 時(shí)分別增長(zhǎng)了14.2%、15.4%。在運(yùn)營(yíng)第50 d 后區(qū)間內(nèi)，泥沙淤積厚度隨運(yùn)營(yíng)累計(jì)10 d 增長(zhǎng)4.9%，即泥沙淤積厚度在運(yùn)營(yíng)年限內(nèi)的增長(zhǎng)先快后慢，基本在運(yùn)營(yíng)累計(jì)50～60 d 時(shí)增幅逐漸放緩，表明排沙閘在較長(zhǎng)運(yùn)營(yíng)年限內(nèi)具有較好的排淤作用，有利于引水渠在運(yùn)營(yíng)后期避免出現(xiàn)受泥沙淤積影響而導(dǎo)致輸水效率降低的現(xiàn)象。

式中：H為淤積厚度（cm）；t指運(yùn)營(yíng)時(shí)間（d）。

2.2 閘前斷面泥沙淤積特征

各典型斷面的泥沙淤積厚度曲線如圖5 所示，在各累計(jì)運(yùn)營(yíng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)，與排沙閘距離愈遠(yuǎn)，則河床泥沙淤積厚度愈大。以累計(jì)運(yùn)營(yíng)60 d 為例，在斷面距離比0.3的T1斷面（閘前距離10 m）的泥沙淤積厚度為60.3 cm，而相同斷面距離比的T3、T4 以及導(dǎo)流口的泥沙淤積厚度較前者分別增長(zhǎng)了3.4%、8.7%、28.2%。由此可知，排沙閘前泥沙淤積主要源于河道內(nèi)泥沙懸浮沉降，排沙閘可有效分割泥沙懸浮沉降的層次性，減少閘前泥沙淤積厚度，將閘前泥沙淤積效應(yīng)“分散”至閘前100 m 乃至導(dǎo)流口區(qū)間內(nèi)，提升了閘后引水渠的輸水效率。

圖5 各典型斷面的泥沙淤積厚度曲線

從圖5 可知，相同斷面上的泥沙淤積厚度受橫斷面上的距離比參數(shù)影響較小，特別是在閘前導(dǎo)流口、T4 斷面上，基本隨橫斷面距離比參數(shù)呈平穩(wěn)變化特征，在運(yùn)營(yíng)累計(jì)40、60 d 時(shí)導(dǎo)流口斷面上淤積厚度分別穩(wěn)定在56.3、77.5 cm，運(yùn)營(yíng)累計(jì)80 d后，各斷面上的泥沙淤積厚度值隨橫斷面距離比參數(shù)有所波動(dòng)，分析認(rèn)為這是因前期泥沙淤積逐步進(jìn)入“瓶頸期”而導(dǎo)致的現(xiàn)象，導(dǎo)流口以及T3、T4 斷面在該累計(jì)時(shí)間節(jié)點(diǎn)處最大變幅分別為7.5%、6.1%、4.2%。綜合認(rèn)為，排沙閘的存在可有效穩(wěn)定并分散斷面上泥沙淤積，并使泥沙淤積在運(yùn)營(yíng)80 d左右時(shí)出現(xiàn)下降或穩(wěn)定等現(xiàn)象，枯水期排沙閘運(yùn)營(yíng)較優(yōu)。

3 閘前沖砂試驗(yàn)特征分析

為準(zhǔn)確分析引水樞紐工程排沙閘前水沙演變特征，設(shè)計(jì)開展泄流沖砂試驗(yàn)，即關(guān)閉引水渠，在排沙閘開度設(shè)置為最大的情況下，觀測(cè)閘前流量與水流中含沙量變化特征?；谀Ｐ驮囼?yàn)結(jié)果，獲得出、入渠流量與含沙量隨沖砂時(shí)間的變化特征，如圖6所示。

從圖6 可知，在關(guān)閉引水渠后，入渠流量較為穩(wěn)定，全程流量值均為26.68 m3/s，即引水渠口水閘控制流量精準(zhǔn)度較高，限制非引水耗損率較強(qiáng)。出渠流量在沖砂前100 min內(nèi)為上升態(tài)勢(shì)，運(yùn)營(yíng)第50 min時(shí)較沖砂試驗(yàn)初始時(shí)增長(zhǎng)了41.1%，在沖砂100～150 min 處于較穩(wěn)定狀態(tài)，長(zhǎng)期維持在28.8 m3/s 左右；當(dāng)沖砂試驗(yàn)超過150 min后，出渠流量持續(xù)下降，并逐步下降至與入渠流量一致。分析表明，出渠流量在沖砂試驗(yàn)狀態(tài)下，僅影響沖砂試驗(yàn)前100 min，對(duì)引水渠內(nèi)流量影響較小，說明枯水期內(nèi)該工程并不需要過早地沖砂降淤；僅在沖砂第50 min 左右時(shí)水渠水位值出現(xiàn)上升，后續(xù)沖砂過程均為下降態(tài)勢(shì)，其中沖砂第50 min時(shí)水位為1 962.2 m，較初始水位增長(zhǎng)0.3 m。筆者認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)水位上升由沖砂試驗(yàn)初始時(shí)上游流量泄降引起，在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致水渠內(nèi)水位上升，而在沖砂泄降趨于穩(wěn)定后水位隨沖砂試驗(yàn)進(jìn)程逐步降低，在出、入渠流量一致的節(jié)點(diǎn)處水渠水位達(dá)1 960.2 m，后續(xù)水位下降幅度有所放緩，沖砂第300 min 時(shí)水位較第200 min 時(shí)僅下降了0.093 m，平均每100 min內(nèi)水位下降0.046 m，而在泄降沖砂初始至200 min 時(shí)水位平均下降幅度0.5 m。由此可知，泄降沖砂過程對(duì)枯水期泥沙淤積影響較小，水渠內(nèi)水位整體均為下降，特別在出、入渠流量一致情況下，渠內(nèi)水位受沖砂影響更為減弱。

圖6 出、入渠流量與含沙量隨沖砂時(shí)間變化特征

比較出、入渠含沙量變化特征可知，出渠水質(zhì)含沙量一直高于入渠含沙量，表明河道內(nèi)泥沙懸浮質(zhì)主要由河床沖淤導(dǎo)致。在入渠含沙量穩(wěn)定在1.5 kg/m3時(shí)，出渠含沙量最大幅度位于沖砂試驗(yàn)初始時(shí)，兩者差幅達(dá)2.7 倍，而隨沖砂進(jìn)程延長(zhǎng)，出、入渠含沙量差幅逐漸減小，特別是在出、入渠流量一致性的時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí)出、入渠含沙量間幅度差異亦達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，為6.8%，其中出渠含沙量在沖砂試驗(yàn)后期穩(wěn)定在1.6 kg/m3。綜合討論認(rèn)為，在枯水期該引水樞紐工程不需要沖砂降淤，過早的沖砂泄降反而會(huì)導(dǎo)致引水渠內(nèi)水位持續(xù)下降，且對(duì)河床產(chǎn)生沖刷，增大渠內(nèi)泥沙懸浮質(zhì)含量。由此表明，排沙閘的存在可削弱引水渠內(nèi)泄降沖淤作用，節(jié)省引水成本，只需借助汛期河道泄流即可達(dá)到人工泄降沖淤的目的。

4 結(jié)論

（1）泥沙淤積厚度與累計(jì)運(yùn)營(yíng)時(shí)間具有三階函數(shù)關(guān)系，兩者正相關(guān)，但在運(yùn)營(yíng)累計(jì)80 d后泥沙淤積厚度放緩；運(yùn)營(yíng)累計(jì)0～50 、50 d 后的2 個(gè)區(qū)間內(nèi)，運(yùn)營(yíng)每增長(zhǎng)10 d，淤積厚度分別平均增長(zhǎng)36.9%、4.9%，淤積速率先快后慢，排沙閘起有效降淤作用。

（2）斷面與排沙閘距離愈遠(yuǎn)，則泥沙淤積厚度愈大，排沙閘可有效分割泥沙懸浮沉降的層次性，減少閘前泥沙淤積；相同斷面上的泥沙淤積受橫斷面距離比參數(shù)影響較小，排沙閘可有效降低斷面上泥沙淤積影響，累計(jì)40、60 d時(shí)導(dǎo)流口斷面上淤積厚度分別穩(wěn)定在56.3、77.5 cm。

（3）閘前沖砂試驗(yàn)表明沖砂試驗(yàn)前100 min僅出渠流量受影響，沖砂試驗(yàn)第200 min 時(shí)出、入渠流量達(dá)一致性，為26.68 m3/s，此時(shí)水位降幅亦減小；出渠含沙量高于入渠含沙量，但幅度差異隨沖砂進(jìn)程減小，最終兩者含沙量差幅穩(wěn)定在6.8%。

（4）綜合認(rèn)為，該引水樞紐工程中排沙閘的存在可削弱人工泄降沖淤作用，節(jié)省輸水成本，渠內(nèi)降淤可借助汛期河道泄流完成。