張旭東，董占地，王志國(guó)

(1.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

我國(guó)河流泥沙多、水利樞紐多,許多河流的含沙量之高、輸沙量之大均居世界各主要河流的前列[1］。河流發(fā)生水流運(yùn)動(dòng)的同時(shí)常伴有泥沙輸移[2］,河流所攜帶的泥沙進(jìn)入水庫(kù)時(shí),由于水位抬高,過(guò)水?dāng)嗝鏀U(kuò)大,流速減慢,因此造成水庫(kù)淤積[3］。壩前泥沙淤積可能導(dǎo)致泄水建筑物進(jìn)口淤堵、閘門(mén)啟閉困難、無(wú)法使發(fā)電引水口門(mén)前清等,從而影響工程效益發(fā)揮甚至影響樞紐工程安全運(yùn)行,所以我國(guó)對(duì)水庫(kù)泥沙研究頗為重視。至今,國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)原型觀測(cè)、模型試驗(yàn)、理論分析與數(shù)值模擬等4種方法進(jìn)行研究[4］,其中在多泥沙河流壩前水庫(kù)漏斗研究方面較多[5-10］,并在壩前漏斗形態(tài)、縱橫向坡比及影響因素等方面取得大量成果。如涂啟華等[11］指出壩區(qū)漏斗域?yàn)樗饔蓭?kù)區(qū)明渠流過(guò)渡到有壓底孔泄流的水流流動(dòng)區(qū)域；董年虎[12］認(rèn)為漏斗坡比的影響因素有孔前水深、小漏斗上游側(cè)淤積厚度、孔口進(jìn)口處流速和開(kāi)啟度,并指出邊界條件也是一個(gè)重要的影響因素,排沙漏斗的形態(tài)還取決于壩前水位、流量、主流與排沙孔的相對(duì)位置等因素[13］；王廣月[14］指出沖刷漏斗的成因是泄水孔口附近流線急劇收縮,在此大量泥沙起動(dòng),并隨著到孔口距離的增大,這種作用變?nèi)?當(dāng)上游來(lái)水來(lái)沙與此段河床相適應(yīng)而處于相對(duì)平衡狀態(tài)時(shí),就會(huì)在樞紐前形成穩(wěn)定的沖刷漏斗；崔承章等[15］通過(guò)開(kāi)展小浪底壩區(qū)漏斗形態(tài)概化模型試驗(yàn),認(rèn)為漏斗的橫坡比基本接近模型沙的水下休止角,而縱坡比與泄流量成反比、與壩前水位成正比；胡德超等[16］利用三維數(shù)值模擬的方法研究了水庫(kù)壩區(qū)沖刷漏斗的形成機(jī)理。筆者通過(guò)開(kāi)展黃河某水庫(kù)壩前漏斗形態(tài)模型試驗(yàn)研究,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比相同流量、相同水位和不同運(yùn)用方式條件下,同一位置孔口前形成的漏斗形態(tài)及縱橫坡比特點(diǎn),進(jìn)而提出相對(duì)合理的排沙底孔運(yùn)用方式。

1 樞紐概況

該水利樞紐位于黃河中游,庫(kù)區(qū)兩岸支流眾多,其中流域面積大于1000 km2的入黃支流有6條,支流典型特點(diǎn)為溝深坡陡、河道比降在4%左右,橫斷面窄深,含沙量大,泥沙顆粒較粗,是黃河粗泥沙的主要來(lái)源區(qū),造成黃河嚴(yán)重的泥沙淤積。因此,該水利樞紐工程開(kāi)發(fā)任務(wù)為“以防洪減淤為主,兼顧供水灌溉和發(fā)電等綜合利用”。該水庫(kù)死水位588 m,汛限水位617 m,總庫(kù)容129.42億m3,電站裝機(jī)規(guī)模2100 MW,多年平均來(lái)沙量7.73億t。

樞紐主要建筑物包括:排沙底孔壩段共8個(gè),分別與3個(gè)溢流表孔壩段和4個(gè)泄洪中孔壩段間隔布置,8個(gè)排沙底孔壩段長(zhǎng)度均為20 m,排沙底孔采用短壓力進(jìn)口形式,進(jìn)口高程490 m,孔口尺寸4.5 m×6.0 m。發(fā)電引水壩段位于河床右側(cè),共6個(gè)壩段,發(fā)電引水進(jìn)口高程545 m,沖沙孔布置在發(fā)電引水壩段右側(cè),進(jìn)口高程為515 m,孔身直徑4 m,左、右岸壩段布置有灌溉供水取水口。發(fā)電引水洞單孔最大過(guò)流量為286.20 m3/s,6孔過(guò)流量合計(jì)1717.20 m3/s。排沙底孔單孔泄流量為1025.75 m3/s,沖沙孔過(guò)流量為313.00 m3/s,為了方便試驗(yàn)記錄和試驗(yàn)結(jié)果處理,將該水利樞紐泄水建筑物自左至右依次編號(hào)對(duì)應(yīng)標(biāo)于上方,上游建筑物立視面如圖1所示。

圖1 上游建筑物立視面(單位:m)

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 模型比尺確定

壩區(qū)泥沙物理模型主要研究不同運(yùn)用方式下水庫(kù)泄流與排沙關(guān)系及壩前沖刷漏斗形態(tài)等。模型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮沖刷坑附近水流平軸環(huán)流和豎軸環(huán)流對(duì)沖刷坑大小及形態(tài)的影響。為正確模擬出這兩種水流結(jié)構(gòu),模型設(shè)計(jì)上宜采用正態(tài)模型,進(jìn)而避免幾何變態(tài)模型造成的建筑物扭曲,保證垂向水流流速分布相似和環(huán)流結(jié)構(gòu)相似。

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容和場(chǎng)地,確定本次模型平面比尺為:水平比尺λL＝垂直比尺λH＝100。依據(jù)動(dòng)床河工模型的相似準(zhǔn)則,確定模型試驗(yàn)其他相似比尺:流速比尺為10,懸沙粒徑比尺為2.61,含沙量比尺為2.8,流量比尺為100000。

2.2 模型沙的選擇

模型為壩區(qū)動(dòng)床模型,模型沙選配主要考慮泥沙沉降相似、泥沙起動(dòng)相似及河床變形相似,進(jìn)而確定懸沙粒徑比尺和含沙量比尺。原型水庫(kù)淤積物的干容重取1.40 t/m3,模型床沙干容重約為0.75 t/m3,模型中的懸沙粒徑小、干容重取0.70 t/m3。原型懸移質(zhì)泥沙中值粒徑為0.028 mm左右,根據(jù)懸沙粒徑比尺可得要求的模型懸沙中值粒徑約為0.011 mm,本試驗(yàn)原型水庫(kù)的入庫(kù)水流含沙量較高,屬于高含沙水流,根據(jù)多年來(lái)經(jīng)驗(yàn),高含沙模型試驗(yàn)含沙量比尺一般大于1。中國(guó)水利水電科學(xué)研究院在開(kāi)展小浪底、三門(mén)峽、渭河下游等模型試驗(yàn)時(shí)含沙量比尺均為2.8,因此本試驗(yàn)水利樞紐泥沙物理模型選用粉煤灰作為模型沙,含沙量比尺也定為2.8。

2.3 模型布置

本次模型試驗(yàn)范圍為該水利樞紐上游5 km左右,模型高度滿足試驗(yàn)最高水位即汛限水位(617 m)要求,模型高度為2.1 m。循環(huán)系統(tǒng)由模型、200 m3的地下水庫(kù)、220 m3的地表水庫(kù)及2個(gè)100 m3的渾水?dāng)嚢璩?、沉沙池及自?dòng)供水系統(tǒng)等部分構(gòu)成,模型平面布置如圖2所示。

圖2 模型平面布置示意

3 試驗(yàn)過(guò)程

模型試驗(yàn)?zāi)M沖刷漏斗有兩種方法:一種是按挾沙水流相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型,讓泥沙自然沉積在壩前,然后進(jìn)行沖刷漏斗形態(tài)試驗(yàn)；另一種是在模型上按壩前設(shè)計(jì)淤積高程,人工鋪設(shè)模型沙,再進(jìn)行沖刷試驗(yàn)[17］。本試驗(yàn)采用第一種方法開(kāi)展2種工況的模型試驗(yàn)。2種工況試驗(yàn)的地形邊界條件和水沙邊界條件完全相同,均保持壩前水位為588 m,上游來(lái)水流量為1000 m3/s,含沙量為20 kg/m3,即為了方便試驗(yàn)結(jié)果的比較,每種工況試驗(yàn)前先將壩前5 m(模型距離)范圍內(nèi)的地形高程清理至排沙底孔底板高程490 m,工況一運(yùn)用方式為沖刷、工況二運(yùn)用方式為淤積。2種工況試驗(yàn)時(shí),模型進(jìn)口施放流量為1000 m3/s、含沙量為20 kg/m3的含沙水流,并將壩前水位控制在死水位588 m,同時(shí)開(kāi)啟8＃排沙底孔進(jìn)行泄流。不同之處在于,工況一在試驗(yàn)前需預(yù)放一定的含沙水流,并適當(dāng)開(kāi)啟不同位置閘門(mén)進(jìn)行泄水,使各泄水建筑物孔洞前淤沙高程基本一致,通過(guò)觀測(cè)實(shí)時(shí)地形,確保壩前地形穩(wěn)定后的淤積面高程達(dá)到545 m(考慮試驗(yàn)結(jié)束后,泥沙在重力作用和水壓力作用下會(huì)發(fā)生沉降,故試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)的地形高程要偏高一些)以上時(shí),關(guān)閉進(jìn)出水口并自然靜止12 h以上,使得孔洞前淤積面高程基本穩(wěn)定,在此基礎(chǔ)上再開(kāi)展工況二的試驗(yàn)。

2種工況的試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)壩前地形沖淤變化及形成漏斗的形態(tài),并觀察發(fā)電洞口門(mén)前清情況。同時(shí),根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的地形數(shù)據(jù)(工況二試驗(yàn),壩前漏斗肩部淤積高程超過(guò)發(fā)電洞進(jìn)口高程545 m并穩(wěn)定后)及時(shí)對(duì)比進(jìn)出口含沙量,判斷是否達(dá)到?jīng)_淤平衡,待沖淤平衡后,關(guān)閉進(jìn)出口,并對(duì)試驗(yàn)后的壩前地形和漏斗進(jìn)行測(cè)量。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 工況一試驗(yàn)結(jié)果分析

工況一試驗(yàn)結(jié)束后,壩前漏斗實(shí)況見(jiàn)圖3(圖中箭頭表示水流方向),壩前沖淤地形示意見(jiàn)圖4,壩前5 cm(模型)處漏斗橫斷面見(jiàn)圖5。

圖3 壩前沖刷漏斗實(shí)況

圖4 壩前沖刷漏斗示意

圖5 壩前5 cm（模型）處漏斗橫斷面

從圖3和圖4可以看出,試驗(yàn)結(jié)束后壩前沖刷漏斗呈半圓形,通過(guò)測(cè)量可知,漏斗橫向?qū)挾确秶鸀?7～70 m,漏斗縱向?qū)挾燃s為50 m,可以使1＃發(fā)電洞門(mén)前清。

試驗(yàn)結(jié)束后,壩前沖刷漏斗最低點(diǎn)在排沙洞進(jìn)口底板高程490 m附近。發(fā)電洞底板高程545 m以下橫向和縱向的變化特點(diǎn)為:①橫向坡比。8＃排沙底孔前,左右橫向坡比基本一致,并以527 m高程為界大致分為兩段,上段坡比略小于下段,具體而言,高于527 m高程的橫向坡比為1∶1左右,低于527 m高程的橫向坡比為1∶0.3左右,其平均橫向坡比約為1∶0.6。②縱向坡比?？煞譃閮啥?靠近孔洞的縱向坡比為1∶0.5左右,遠(yuǎn)離孔洞的縱向坡比為1∶0.9左右,前者大于后者,其平均坡比約為1∶0.8,分析可發(fā)現(xiàn)越遠(yuǎn)離洞口段坡度越小,當(dāng)泄水孔口前淤積的深度變淺時(shí)自然越遠(yuǎn)離洞口,即淤積深度越小坡度越小,符合壩前漏斗形態(tài)的一般規(guī)律。

4.2 工況二試驗(yàn)結(jié)果分析

工況二試驗(yàn)結(jié)束后,壩前淤積漏斗形態(tài)隨時(shí)間變化見(jiàn)圖6,壩前沖淤地形見(jiàn)圖7,壩前5 cm(模型)處地形橫斷面見(jiàn)圖8。

圖6 壩前淤積漏斗變化情況

圖7 壩前淤積漏斗示意

圖8 壩前漏斗橫斷面

從圖6和圖7可以看出,排沙底孔前漏斗為半圓狀,以排沙洞進(jìn)口底板高程490 m附近為最低點(diǎn),且隨著壩前淤積高程的提高,壩前漏斗的坡度越來(lái)越陡,發(fā)電洞底板高程545 m以下漏斗橫向最大寬度約為215 m,可以使其右側(cè)的1?！?＃發(fā)電洞達(dá)到門(mén)前清狀態(tài),漏斗縱向向上游延伸至孔洞前沿305 m左右。

壩前漏斗的左右橫向坡比基本一致,且分為兩段,545 m高程以下漏斗橫向坡比為1∶2左右,545 m高程以上漏斗橫向坡比為1∶5左右,后者明顯小于前者；壩前漏斗的縱向坡比以542 m高程為界也分為兩段,542 m高程以下漏斗縱向坡比在1∶2.5左右,與其相比,542 m高程以上漏斗縱向坡比明顯偏小,坡比約為1∶5。對(duì)比淤積漏斗縱橫平均坡比可得,橫向坡比大于縱向坡比,由于孔口前主流是由單向明渠流向深水孔口流過(guò)渡,順?biāo)鞣较騿螌捔髁看笥诖怪庇谥髁鞯膫?cè)向單寬流量,而且流量越大水深越大,因此一般漏斗的縱向坡比小于橫向坡比[18］。

通過(guò)對(duì)比兩種工況試驗(yàn)結(jié)果可知,整體形態(tài)上,淤積漏斗橫向?qū)挾群涂v向?qū)挾榷即笥跊_刷漏斗的,且淤積漏斗的橫向坡比和縱向坡比都小于沖刷漏斗相應(yīng)的坡比,即淤積漏斗影響范圍大于沖刷漏斗的。因此,建議定期或不定期開(kāi)啟排沙底孔進(jìn)行排沙,以提高排沙底孔排沙效果和發(fā)電洞發(fā)電效率。

4.3 與已有漏斗模型試驗(yàn)結(jié)果比較

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)原型觀測(cè)或模型試驗(yàn)對(duì)水利樞紐泄水建筑物進(jìn)口沖刷漏斗進(jìn)行了研究,在壩前漏斗形態(tài)方面取得了大量的成果,表1和表2分別為不完全統(tǒng)計(jì)的壩前漏斗實(shí)測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。

表1 壩前漏斗實(shí)測(cè)結(jié)果

表2 壩前漏斗試驗(yàn)結(jié)果

綜合上述漏斗實(shí)測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果可知:①無(wú)論 是實(shí)測(cè)結(jié)果還是試驗(yàn)結(jié)果,大都呈現(xiàn)出漏斗橫向坡比大于漏斗的縱向坡比；②原型觀測(cè)漏斗的坡比與入庫(kù)水流條件、入庫(kù)泥沙量及泥沙特征、庫(kù)區(qū)地形、地貌、樞紐泄流規(guī)模及布置高程和位置等相關(guān)[11］,沖刷漏斗的成因十分復(fù)雜,現(xiàn)有試驗(yàn)技術(shù)尚無(wú)法達(dá)到嚴(yán)格相似,因此原型觀測(cè)漏斗坡比與試驗(yàn)結(jié)果會(huì)存在不同程度的差異,一般而言,模型試驗(yàn)得到的漏斗邊坡坡度較原型觀測(cè)的要大、范圍要??；③泄流量增大,相應(yīng)的底孔流速增大,形成的沖刷漏斗坡度更加平緩；④泄流量一定時(shí),不同水深漏斗坡比差異很大,呈現(xiàn)坡比隨水深增大而增大的趨勢(shì)；⑤本試驗(yàn)的底孔流量、孔前水深、孔前淤積厚度都介于其他水庫(kù)的范圍中,同時(shí)本試驗(yàn)的漏斗縱、橫向坡比也介于其他水庫(kù)的坡比范圍中,因此本試驗(yàn)結(jié)果合理可靠。

5 結(jié)論

對(duì)黃河某水庫(kù)壩前沖刷漏斗形態(tài)進(jìn)行模型試驗(yàn)研究,對(duì)比分析了同一排沙底孔在壩前沖刷和淤積運(yùn)用方式下所形成漏斗的形態(tài)、縱橫向坡比及發(fā)電洞孔口門(mén)前清情況,并與已有研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,得到以下結(jié)論:

(1)壩前漏斗為半圓狀,且淤積漏斗大于沖刷漏斗的影響范圍,發(fā)電洞底板545 m高程以下,8＃排沙底孔淤積漏斗橫向和縱向最大寬度分別約為215 m和140 m,8＃排沙底孔沖刷漏斗橫向和縱向最大寬度分別約為70 m和50 m。

(2)在死水位588 m、流量1000 m3/s、含沙量20 kg/m3的水沙條件下,8＃排沙底孔前淤積漏斗可以使1?！?＃發(fā)電洞達(dá)到門(mén)前清,而8＃排沙底孔前沖刷漏斗可以使1＃發(fā)電洞達(dá)到門(mén)前清。因此,定期或不定期開(kāi)啟排沙底孔進(jìn)行排沙,可以提高排沙底孔排沙效果和發(fā)電洞發(fā)電效率。

(3)545 m高程以下,8＃排沙底孔淤積漏斗的橫向坡比和縱向坡比分別為1∶2.0和1∶2.5左右,8＃排沙底孔沖刷漏斗的橫向坡比和縱向坡比分別為1∶0.6和1∶0.5左右。

(4)對(duì)比分析兩組橫、縱向坡比,淤積漏斗的縱、橫坡比均小于沖刷漏斗的相應(yīng)坡比,即淤積漏斗的坡度小于沖刷漏斗的；同時(shí)橫向坡比一般大于縱向坡比。

(5)壩前漏斗縱向坡比、橫向坡比均大致可分為兩段,且具有遠(yuǎn)離孔洞小、近孔洞大的規(guī)律。

(6)實(shí)測(cè)漏斗形態(tài)分析結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果表明,本次試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測(cè)分析結(jié)果及其他模型試驗(yàn)結(jié)果在定性規(guī)律上基本一致。在考慮壩前達(dá)到?jīng)_淤平衡狀態(tài)、排沙洞可正常運(yùn)行情況下,模型試驗(yàn)形成的壩前沖刷漏斗形態(tài)及范圍均偏于保守,漏斗坡度大于原型觀測(cè)的結(jié)果。因此,這種試驗(yàn)結(jié)果是偏于保守的,對(duì)于工程安全是有利的。