吳爾槐

(江西明澤水利建設(shè)有限公司，江西 上饒 334000)

1 工程概況

信州水利樞紐工程壩址位于玉山水與豐溪河匯合口下游7.42km處，壩址控制流域面積5234km2，正常蓄水位66.0m，相應(yīng)庫容2718×104m3，最大壩高18.5m。電站裝機(jī)容量10050kW(3×3350kW)，使用GD1250a-WP-310型水輪機(jī)和SFWG-3350-40/3480型配套發(fā)電機(jī)，單機(jī)發(fā)電引用流量70.8m3/s，多年平均發(fā)電量3830×104kW·h，保證出力1.46MW。該水利樞紐屬于以城市水環(huán)境建設(shè)為主，兼具發(fā)電、旅游等功能的中型水利工程。該水利樞紐左岸設(shè)置非溢流壩段，中部設(shè)置溢流表孔，在溢流表孔左側(cè)增設(shè)排沙底孔。壩址斷面多年懸移質(zhì)輸沙量均值為221.3×104t，根據(jù)懸移質(zhì)沙量中推移質(zhì)沙量占比20%計算，則推移質(zhì)輸沙量達(dá)到44.26×104t，考慮懸移質(zhì)沙量和推移質(zhì)沙量在內(nèi)的年輸沙總量均值為265.56×104t，庫沙比2.24，樞紐所在和段糙率均值為0.034-0.044。該高水頭水利工程取水河段泥沙含量高，如果采用常規(guī)的導(dǎo)沙坎、攔沙坎、沖沙底孔等防沙措施，難以取得理想的取水防沙效果，必須對其原防沙方案進(jìn)行優(yōu)化，保證水利樞紐工程安全運(yùn)行。

2 模型設(shè)計

考慮到信州水利樞紐試驗(yàn)河段為典型的山區(qū)河道，水流表現(xiàn)出極強(qiáng)的速度和強(qiáng)度，邊界條件也極為復(fù)雜。取水防沙模型必須在滿足水流運(yùn)動基礎(chǔ)上，確保泥沙運(yùn)動過程的相似性[1]。根據(jù)《水工模型試驗(yàn)規(guī)程》(SL155-2012)及泥沙模型要求，采用幾何比尺λL=λH=50，流量比尺λQ=λL5/2=17545，流速比尺λv=λL1/2=7.03，時間比尺λt=λL1/2=7.03，糙率比尺λn=λL1/6=1.94的正態(tài)、動床水工泥沙模型，流速比尺和糙率比尺分別根據(jù)慣性力重力比相似和阻力重力比相似得出；由于水利樞紐所在河段主要表現(xiàn)為推移質(zhì)泥沙淤積，故取水防沙試驗(yàn)以推移質(zhì)泥沙運(yùn)動過程模擬為主，同時滿足泥沙啟動相似和河床變形相似條件。

結(jié)合相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，為增強(qiáng)模型泥沙運(yùn)動過程與實(shí)際工程的相似性，應(yīng)以白礬石粉沙為該水利樞紐所在河段推移質(zhì)泥沙試驗(yàn)的模型沙，模型沙粒徑根據(jù)河道泥沙起動流速公式換算，粒徑和起動流速具體見表1。沙樣級配必須和河床測量原型沙級配相似，其中粒徑>0.025mm的粗沙選用白礬石，細(xì)沙則選用滑石粉，以確保模型沙樣滿足與原型沙樣相似性要求。結(jié)合水利樞紐工程河道泥沙淤積特征，取水防沙試驗(yàn)?zāi)M主要解決推移質(zhì)泥沙淤積問題。

表1 模型沙粒徑及起動流速

按照模型設(shè)計要求制作該水利樞紐水工、泥沙整體模型，模型范圍起點(diǎn)為樞紐大壩上游2500m處，終點(diǎn)為樞紐大壩下游1500m處，所模擬河段長度為4000m，結(jié)合上下游校核水位，上下游高程分別為1000m和965m。為便于模擬水利樞紐不同運(yùn)行工況，模型還設(shè)置有獨(dú)立的流量控制設(shè)備和動力設(shè)備。溢流壩、導(dǎo)流洞等水工結(jié)構(gòu)模型制作均采用有機(jī)玻璃材料。

3 取水防沙方案

3.1 原方案

原取水防沙方案主要為低導(dǎo)沙坎布置，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，隨著大量泥沙進(jìn)入，導(dǎo)沙坎完全被水利樞紐引水口前泥沙淹沒，導(dǎo)流泄洪排沙洞前漏斗直徑僅為淤積河寬的1/3。根據(jù)工程運(yùn)行3a左右的庫區(qū)泥沙淤積形態(tài)，導(dǎo)沙坎完全被泥沙覆蓋，并且隨著運(yùn)行時間的延長，淤積將不斷加劇，排沙洞前泥沙淤高程度還會遞增，最終會與積水段上游河床高程齊平。

考慮到排沙洞和樞紐取水口距離遠(yuǎn)，導(dǎo)沙坎高度低，即使在排沙洞前形成較大尺寸的漏斗，也無法取得較好的防沙排沙效果，故原方案不可用，必須結(jié)合樞紐河段泥沙實(shí)際，選用其余防沙措施。

3.2 加高加長導(dǎo)沙坎方案

結(jié)合以上對原設(shè)計方案的分析，將導(dǎo)沙坎高度增大至1012m，長度延長至排沙洞前。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，取水口上游高程最大達(dá)1007.32m，下游河床淤積高程最低為986.74m，均低于導(dǎo)沙坎高程。從表面來看，將導(dǎo)沙坎高程加高后的確能將河床泥沙順利輸送至排沙洞口，但因排沙洞尺寸較小，洞前沖刷漏斗尺寸也不大，使排沙洞過流量無法及時排出可動泥沙，致使河床質(zhì)泥沙大量涌入引水渠。

3.3 導(dǎo)流洞明渠加蓋

該水利樞紐工程導(dǎo)流泄洪排沙洞地形和排沙洞運(yùn)行過程形成一個天然的旋流漏斗結(jié)構(gòu)，有利于水沙分離。具體而言，只需在原設(shè)計方案中的導(dǎo)流洞明渠段增設(shè)蓋板，在導(dǎo)流泄洪洞運(yùn)行過程中便會產(chǎn)生橫跨河段的旋流漏斗，發(fā)揮出漏斗式水沙分離器的作用。

就作用原理來看，呈曲線運(yùn)動的水流在離心力的作用下持續(xù)流向漏斗壁，越靠近漏斗壁的水面越高，而距離漏斗中心的水面最低；靠近漏斗壁的水流在下潛作用下沿漏斗底部向漏斗中心流動，進(jìn)而形成順時針環(huán)流，也就是螺旋泄水環(huán)流[2]。這種泄水環(huán)流流速上部斜向漏斗壁，下部斜向漏斗中心，流速及流向均無規(guī)律可言。具體見圖1。

圖1 水沙分離系統(tǒng)內(nèi)螺旋泄水環(huán)流情況

在這種水流運(yùn)動形式下，沿垂線分布的含沙量上稀下濃，粒徑上細(xì)下粗，下部濃粗沙粒會持續(xù)流向漏斗中心，這一過程中漏斗中心上升的水流和邊壁下潛水流流速均較小。流速相對較大的水流攜沙能力大，挾帶泥沙會集中運(yùn)移至漏斗中心排放。該方案實(shí)施后，壩下泥沙淤積愈加明顯，所形成的導(dǎo)流泄洪排沙洞前漏斗直徑約82m，并明顯將河床淤積區(qū)劃分成上下游部分，僅不足10%的河床質(zhì)泥沙從右岸持續(xù)向壩前推進(jìn)。這種推移質(zhì)泥沙運(yùn)移量級明顯<上述兩個方案，泥沙運(yùn)移歷時也比上述兩個方案長，只要保證導(dǎo)流泄洪排沙洞洞口貼近河段中心，則右岸推移質(zhì)運(yùn)動的輸移河寬會非常小。為此，借助導(dǎo)流泄洪排沙洞排沙，并事先將推移質(zhì)泥沙向壩前的運(yùn)動過程阻斷，能有效解決該水利樞紐工程河段取水防沙問題[3]。

4 調(diào)整方案試驗(yàn)

通過以上分析表明，導(dǎo)流洞明渠加蓋的方案能有效解決該水利工程所在河段取水防沙問題，但是細(xì)節(jié)問題仍有待完善。借助導(dǎo)流泄洪洞排沙主要依據(jù)的是豎軸回流原理，而結(jié)合上游圍堰運(yùn)行方案，取水排沙效果會更佳，但是需要進(jìn)一步驗(yàn)證，出于經(jīng)濟(jì)性考慮，還應(yīng)控制導(dǎo)流洞口長度，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式。

4.1 導(dǎo)流洞明渠半蓋方案

為研究導(dǎo)流洞排沙方案是否會破壞圍堰結(jié)構(gòu)及方案本身的可行性，將導(dǎo)流明渠加蓋長度控制在8.0m，以試驗(yàn)用沙作為圍堰迎流面，并在坡面設(shè)置紅磚。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，因?qū)Я鞫疵髑由w長度短，豎軸旋流范圍和洞前沖刷漏斗等均不大，圍堰坡腳處存在泥沙淤積，故圍堰不會受到導(dǎo)流洞運(yùn)行的破壞。隨著歷時的延長，河床質(zhì)泥沙逐漸超越導(dǎo)流洞口，推移至壩前，不利于樞紐取水防沙。

4.2 導(dǎo)流洞明渠全蓋方案

在導(dǎo)流明渠全蓋的情況下，河床淤積高程超出圍堰高程，圍堰完全被推移質(zhì)泥沙所覆蓋，雖然導(dǎo)流洞前漏斗尺寸大，但是仍有少量推移質(zhì)泥沙持續(xù)向壩前移動，基本上能實(shí)現(xiàn)推移質(zhì)泥沙導(dǎo)流明渠“門前清”的控制效果，且導(dǎo)流洞封蓋尺寸越長，取水防沙效果越好?？傊?，由于該水利樞紐工程水頭較高，應(yīng)用導(dǎo)流洞提前截取推移質(zhì)泥沙從而使取水口泥沙“門前清”的方案效果顯著。

表2 不同來沙強(qiáng)度取水防沙試驗(yàn)結(jié)果

這種取水防沙結(jié)構(gòu)型式主要利用有利地形，構(gòu)建起漏斗形式的水沙分離器，在這種水流結(jié)構(gòu)下將粗粒徑沙粒提前攔截在導(dǎo)流洞前沖刷漏斗中，達(dá)到攔截泥沙并將推移質(zhì)泥沙順利排至壩下游的工程目的。結(jié)合方案設(shè)計，使導(dǎo)流洞明渠延伸至河道中心并增設(shè)封蓋，同時在導(dǎo)流洞明渠下游設(shè)置丁壩，從而將水沙直接疏導(dǎo)至豎軸旋渦外切線向，河床上也隨之形成橫向切槽，河床面泥沙便會順丁壩豎軸以旋渦形式運(yùn)動。與此同時，右岸輸沙寬度內(nèi)的泥沙運(yùn)行通道被阻隔和切斷，泥沙直接導(dǎo)入沖刷坑，經(jīng)由導(dǎo)沙洞后輸移至下游。上游丁壩的作用在于將水流順利導(dǎo)向左岸，增大右岸下游丁壩挑流作用。如此設(shè)計后，上游圍堰堰前泥沙淤積測到很大程度緩解，淤積高度也得到有效抑制；出于經(jīng)濟(jì)合理性考慮，丁壩并不需要立即布設(shè)，在庫區(qū)泥沙淤積至設(shè)計高程后再行布設(shè)即可。

5 結(jié) 論

綜上所述，信州水利樞紐采用導(dǎo)流洞明渠增設(shè)封蓋與丁壩相結(jié)合的取水防沙方案，充分借助導(dǎo)流洞明渠實(shí)際地形及導(dǎo)流洞的運(yùn)行作用，使導(dǎo)流洞明渠向河道中心延伸，并增設(shè)尺寸足夠的封蓋，借助水流的運(yùn)動在導(dǎo)流洞明渠下游設(shè)置丁壩，從而形成沖沙漏斗結(jié)構(gòu)。通過漏斗將水沙分離后泥沙通過導(dǎo)流洞排移，丁壩上游泥沙淤積及下游河床沙輸移問題得到有效解決。總之，對于高水頭水利樞紐工程而言，取水防沙是困擾工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵問題之一，必須在全面分析工程河道水流泥沙運(yùn)移規(guī)律的基礎(chǔ)上，有效解決推移質(zhì)泥沙淤積問題。