王青賢，朱浩天，陶文杰

(1.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000;2.天津大學 建筑工程學院，天津 300350)

水利工程通常建設在山川河流之上，可為人類社會帶來灌溉、發(fā)電、防洪等直接或間接的效益。然而，大壩、水庫通常建設在河流之上，會不同程度地加深河流水深，并抬高水位，進而導致河流水流流速和水面比降沿河道方向逐漸減小，水流挾沙運動的能力也因此減弱，最終，泥沙更易堆積在河道內，而不是被水流帶走。

在攔河壩前水庫區(qū)域，通常更易發(fā)生泥沙淤積，堆積的泥沙將會危害水利樞紐的正常運行，其危害亦體現(xiàn)在很多方面。其中最直接危害是減少水庫的庫容量，堆積在水庫底部的泥沙，占用了相當一部分的水庫庫容，進而影響水庫的發(fā)電、灌溉、防洪和蓄洪的效益，縮短水庫的運行壽命；此外，若過量粗粒泥沙經(jīng)進水口通過水電站的水輪機，會造成水輪機相應部件的損壞和侵蝕，帶來安全隱患。因此，布置合理高效的防沙排沙設施顯得格外必要。

河道會在攔河大壩的修建后發(fā)生一系列的變化，使得泥沙更易淤積，淤積的泥沙為水庫的正常運行帶來較大的安全隱患。因此，對壩前泥沙運動展開研究，并依據(jù)研究成果提出可行、高效的排沙減淤措施具有一定的必要性。

目前為止，處理水庫壩前淤泥的措施，主要在于降低水位甚至放空水庫后再進行清淤操作等。這些措施往往需要在特定的條件下進行，并且需要充分考慮與上下游水庫的聯(lián)動關系。在工程設計上，為在保持一定的水庫庫容的同時，保證水電站引水含沙量和沙礫的粒徑滿足要求，常排沙底孔于壩底，通過該壩底排沙孔排沙。在水庫運行過程中，發(fā)電站引水發(fā)電時，淤積的泥沙通過該排沙孔穿越過壩體而不進入發(fā)電洞，該過程結束后，部分淤泥被排沙孔吸入，而剩余的淤泥將會以漏斗狀堆積在排沙孔前方，因此，研究該漏斗的尺寸大小和形狀特征是利用其提高排沙效率的關鍵。

目前水力學的研究手段主要有：基礎理論分析、對原型進行觀測記錄、建立模型進行試驗、以及利用計算機技術進行數(shù)值計算以模擬實際情況等。因為沖刷漏斗的形成受諸多因素影響，且其形態(tài)也多種多樣，若使用數(shù)值模擬和原型觀測的手段來研究，得出的結果在一定程度上不能直觀、準確地指導工程建設。同時，目前國內已有的沖刷漏斗研究亦主要以物理模型試驗的方式進行，得到的結果更貼近實際情況，為實際工程提供了重要依據(jù)，如三峽[1]和小浪底[2]。因此利用模型試驗的方式，研究水庫排沙孔前沖刷漏斗的形成和形態(tài)是目前最為可行的一種方式。

1 研究背景

阿爾塔什水利樞紐平面布置如圖1所示，其工程等別為為大(1)型Ⅰ等，位于新疆葉爾羌河上游。本文為研究沖刷漏斗主要關注其發(fā)電洞和排沙孔的布置。樞紐設置1#、2#兩個發(fā)電洞，均布置于水庫的右岸，其主要作用是為水電站發(fā)電機組引入相應流量下的水流[3]，進口處的底板高程為1750m。樞紐設置1#深孔排沙洞，位于1#、2#發(fā)電洞之間，其主要作用是排出淤積的泥沙，以緩解泥沙進入到發(fā)電洞的情況，其進口處的底板高程較發(fā)電洞的低，為1715m。

圖1 樞紐布置圖

阿爾塔什水庫作為一個泥沙問題較為突出的水庫，在建成后易于發(fā)生水庫淤積，進而對水庫的正常運行造成危害。阿爾塔什水庫的兩個發(fā)電洞進口中間布置1#深孔排沙洞的目的就是通過合理有效運行該排沙洞實現(xiàn)發(fā)電洞進口“門前清”。為了保證發(fā)電洞門前為泥沙含量較少的凈水，可利用布置在水電站進水口旁的特定排沙設施進行防水拉沙，排沙孔附近的局部區(qū)域流速增大，進而在進水口前方形成一個沖刷漏斗，使淤積的泥沙在漏斗作用下發(fā)生滑塌，最終發(fā)電洞進口前的泥沙淤積高度不斷降低，泥沙便不會進入到發(fā)電洞中，實現(xiàn)“門前清”。

本文以阿爾塔什水庫壩前泥沙模型試驗的研究成果為基礎，對該水庫在排沙水位和正常蓄水位下不同運行方式下形成的壩前沖刷漏斗展開研究，分析其形態(tài)以及其在縱、橫方向上的變化規(guī)律，提出排沙洞的合理運行方式，以保證“門前清”的實現(xiàn)。

2 壩前泥沙模型試驗

本試驗中，為研究壩前沖刷漏斗，物理模型中水流運動遵循重力相似和阻力相似準則。而對于泥沙而言，需要考慮不同時期內泥沙的具體運動情況，在泥沙運動主要表現(xiàn)為沉積的汛期，符合沉降相似準則；而在汛期，堆積的泥沙主要處于被沖刷的狀態(tài)，此時符合起動相似準則。

本文物理模型試驗中，的試驗采用模型幾何縮尺為150的正態(tài)模型模擬水庫壩前的泥沙運動，并且以電木粉作為模型沙使用。物理模型試驗的區(qū)域(布置如圖2所示)應盡可能大，以保證試驗結果的準確度，因此本文物理模型試驗區(qū)域主要為水庫壩前區(qū)域，模擬阿爾塔什水庫從壩前到壩上游，包含了水庫的庫區(qū)、壩體等主要建筑物，以及本文重點關注的1#、2#發(fā)電洞和1#排沙洞。在本試驗過程當中，須先聚積以木電粉為材料的模型沙，并聚積到壩前淤積高程，再開展后續(xù)的拉沙試驗。

圖2 模型布置圖

模型試驗中，水庫采用與原型水庫相同的調度運行方式，具體為：從第1年的4月起，水庫水位由正常蓄水位(1820m)開始下降，以用于灌溉、發(fā)電等其他用途；直到6、7月份，進入汛期，水庫水位保持在排沙水位(1770m)下運行，以調節(jié)洪水和維持樞紐的正常運轉；8月份汛期結束，河川天然流量減少，水庫開始蓄水，庫區(qū)水位上升，最終上升至并保持在正常蓄水位，并在該水位下運行直到次年3月，自此水庫完成一個年度的調度運行。同時，由規(guī)范規(guī)定，該類型水庫的設計基準期為100年，故本試驗中，水庫運行年限為100年。

在上述運行方式下，模型試驗結果表明，在水庫運行的100年中，前50年的淤泥三角洲均未逼近壩前；在后50年，泥沙在壩前發(fā)生淤積，且達到一定的高程，這將會對水庫的正常運行造成較大的威脅。因此，需要研究不同時期不同運行方式對沖刷漏斗的形成和形態(tài)帶來的影響，即要分別考慮到汛期時的排沙水位和非汛期時的正常蓄水位。

3 試驗結果及分析

3.1 沖沙歷時

在本試驗中，為了更好研究不同水位、不同運行方式情況下泥沙的運動和淤積情況，需監(jiān)測1#深孔排沙洞出流含沙量，并將水流含沙量降低為較低的穩(wěn)定值時所需要經(jīng)歷的時間定義沖沙歷時。

本試驗研究了各流量、各排沙洞與二發(fā)電洞的組合運行方式下的排沙所經(jīng)歷的時間，即排沙歷時。首先，汛期，排沙水位，采取的排沙洞與二發(fā)電洞組合方式如下：①三洞均啟用，即同時開啟1#深孔排沙洞和1#、2#發(fā)電洞，此時既發(fā)電又排沙。流量方面，排沙洞選用分別為324.3、503.7、695.8m3/s的3組流量，而發(fā)電洞的為222.4m3/s。經(jīng)試驗測定，3組不同的排沙孔流量下，沖沙歷時分別為20、19、16h(物理模型沖沙歷時分別為19、18、15min)；②啟用1#排沙洞和一個發(fā)電洞，其流量分別為695.8m3/s和222.4m3/s，經(jīng)試驗測定，其沖沙歷時為16h(物理模型的為15min)；③僅啟用1#排沙洞，流量為695.8m3/s，僅排沙不發(fā)電，經(jīng)試驗測定，其沖沙歷時為16h(物理模型的為15min)。其次，非汛期，正常蓄水位下，采取的組合方式為：啟用1#排沙洞和兩個發(fā)電洞，既排沙又發(fā)電。流量方面，排沙洞選用分別為309.5、619.1、928.6m3/s的3組流量，發(fā)電洞的取222.4m3/s，經(jīng)試驗測定，其沖沙歷時分別為19、16、14h(物理模型沖沙歷時分別為18、15、13min)。

綜合上述沖刷歷時試驗結果，并結合下述的2種水位的沖刷漏斗試驗成果，確定排沙水位1770m沖沙歷時為16h，正常蓄水位1820m沖沙歷時為14h。

類比同類情況，例如黃河黃豐水電站的一種調度運行方式中[4]，其單個排沙洞流量770m3/s，壩前淤積的泥沙在正常發(fā)電工況下，預沉在排沙洞口前，之后進行泄空沖沙試驗，沖沙歷時在1d左右。

3.2 排沙水位1770m沖刷漏斗

本試驗研究了不同的1#深孔排沙洞與1#、2#發(fā)電洞開啟方式，及其流量下的泥沙沖刷漏斗的形態(tài)、大小和范圍，并分析了沖刷漏斗對水庫的影響以及實現(xiàn)“門前清”的可行性。水庫6、7月份，即汛期在排沙水位(1770m)下運行，在此期間運用1#深孔排沙洞和1#、2#兩個發(fā)電洞在一定條件下相組合的運行方式，即可僅開啟排沙孔，亦可開啟排沙孔的同時開啟發(fā)電洞并確定一定的分流比，由此研究不同運行方式對泥沙沖刷漏斗的形成帶來的影響。本試驗在排沙水位下選定的不同分流比，即發(fā)電洞深孔和排沙洞的流量分配比，被分為1∶0.73、1∶1.13、1∶1.56、1∶3.13和0∶695.8共5個組次，見表1。試驗結果表明，該5個組次中僅有第5組滿足“門前清”，故此處為體現(xiàn)代表性，以第2組和第5組的發(fā)電排沙分流比(1∶1.13和0∶695.8)下的試驗結果予以說明，并對排沙水位下的試驗成果進行分析總結，以提出合理建議。

表1 排沙水位實驗組次

3.2.1發(fā)電排沙分流比1∶1.13

排沙水位，同時啟用1#、2#發(fā)電洞以及1#深孔排沙洞，既滿足排沙又滿足發(fā)電，且發(fā)電排沙分流比為1∶1.13的情況下，試驗結果表明沖沙歷時為19h。

上述運行方式下，形成的沖刷漏斗形態(tài)圖(縱剖面、橫剖面和漏斗等高程線，下同)分別如圖3—5所示。根據(jù)試驗結果，淤泥運動在壩前形成沖刷漏斗，形狀較為規(guī)則，在縱向上：長約57m，坡度1∶1.63；橫向上：寬約99m，左岸坡度1∶1.49，右岸坡度1∶1.34。

圖3 沖刷漏斗縱剖面圖

圖4 沖刷漏斗橫剖面圖

圖5 沖刷漏斗等高程線圖

由上述試驗成果可知，排沙水位，同時開啟3洞運行，最終形成的沖刷漏斗橫向長度大于73m(發(fā)電洞進口橫向長度，下同)，但發(fā)電洞進口并未處于漏斗中，不能“門前清”。

3.2.2發(fā)電排沙分流比0∶695.8

排沙水位，僅啟用1#深孔排沙洞，滿足水庫排沙，在發(fā)電排沙分流比取0∶695.8的情況下，試驗結果表明沖沙歷時為16h。

上述運行方式下，形成的沖刷漏斗形態(tài)如圖6—8所示。通過物理模型的試驗結果，排沙洞旁形成了一個形狀較大且規(guī)則的漏斗，其縱向上：長約77m，坡度1∶2.21；橫向上：寬約144m，左岸坡度1∶2.09，右岸坡度1∶2.03。

圖6 沖刷漏斗縱剖面圖

圖7 沖刷漏斗橫剖面圖

圖8 沖刷漏斗等高程線圖

3.2.3排沙水位1770m試驗成果分析

由上述試驗結果可知，排沙水位下，可采取僅開啟排沙洞而不開啟發(fā)電洞的運行方式，經(jīng)此形成的沖刷漏斗的橫向長度144m大于73m。但區(qū)別于發(fā)電排沙分流比為1∶1.13的情況，此時發(fā)電洞進口在漏斗保護范圍中，因此泥沙不會在進水口處發(fā)生過多淤積，不會過多危害水庫的運行，故能夠做到“門前清”。

本試驗中，水庫于汛期(6、7月份)保持在排沙水位下運行，所能采用的各種不同的運行方式，其區(qū)別在于3洞的組合開啟情況的差異以及發(fā)電排沙分流比的差異。本試驗中，該水位下共設有5組(見表2)不同的發(fā)電排沙分流比，以研究不同情況下的形成漏斗的形態(tài)，如漏斗縱向和橫向上的的長度、坡度。

由表2可知，排沙水位下，只打開排沙洞并采用其最大流量695.8m3/s，以及發(fā)電洞排沙洞均打開并采用1∶1.56、1∶3.13和0∶695.8等發(fā)電排沙分流比的情況下，關于沖刷漏斗的形態(tài)，總結出各向坡度的范圍：縱向坡度1∶2.0～1∶2.21，橫向坡度1.74～2.09。

表2 排沙水位試驗結果

根據(jù)黃河沙坡頭電站排沙孔試驗有關排沙孔坡比的研究成果，其在正常庫水位時[5]，縱坡為1∶2.1～1∶3.0，橫坡為1∶1.8～1∶2.5；沖沙水位時，縱坡為1∶2.5～1∶3.5，橫坡為1∶2.1～1∶3.7。與本文試驗成果大體一致。

對于排沙水位下，若采取1∶1.13或1∶0.73的發(fā)電排沙分流比，則導致1#深孔排沙洞中水流流量較小，進而拉沙能力不足，因此在此情況下不易保證“門前清”。而對于分流比0∶695.8、1∶1.56和1∶3.13，若要做到發(fā)電洞“門前清”，須僅啟用1#深孔排沙洞，不考慮發(fā)電。

綜上，排沙水位下，水庫僅啟用1#深孔排沙洞并保持最大流量，最終得到的試驗結果為沖沙歷時16h，發(fā)電洞進口受到所形成的漏斗保護，因此滿足排沙要求，可以做到“門前清”。

3.3 正常蓄水位1820m沖刷漏斗

正常蓄水位下，水庫采用參考特定的發(fā)電排沙分流比的情況下聯(lián)合開啟1#、2#發(fā)電洞以及1#深孔排沙洞的運行方式。可僅開啟排沙孔，亦可開啟排沙孔的同時開啟發(fā)電洞并確定一定的分流比，由此研究不同運行方式對泥沙沖刷漏斗的形成帶來的影響。表3為正常蓄水位下選定的各組發(fā)電排沙分流比組合，如1∶0.70、1∶1.39和1∶2.09。試驗結果表明僅第3組次能夠滿足“門前清”，故此處以發(fā)電排沙分流比1∶2.09的試驗結果予以說明，并對正常蓄水位下的試驗成果進行總結。

表3 正常蓄水位試驗組次

3.3.1發(fā)電排沙分流比1∶2.09

正常蓄水位，同時啟用1#、2#發(fā)電洞以及1#深孔排沙洞，且發(fā)電排沙分流比取1∶2.09的情況下，沖沙歷時為14h。

在上述正運行方式下，圖9—11展示了形成的沖刷漏斗的形態(tài)圖。結果表明，沖刷漏斗的形狀接近三維形態(tài)；關于漏斗尺寸，其縱向上：長約81m，坡度1∶2.31；橫向上：寬約153m，左岸坡度為1∶2.26，右岸1∶2.11。

圖9 沖刷漏斗縱剖面圖

圖10 沖刷漏斗橫剖面圖

圖11 沖刷漏斗等高程線圖

由上述試驗成果可知，正常蓄水位下，同時開啟排沙洞和兩個發(fā)電洞的運行方式下，形成的沖刷漏斗的橫向長度153m大于73m，同時發(fā)電洞進口受到所形成漏斗的保護，泥沙不會在進水口處過多淤積，減少了隱患，滿足“門前清”。

3.3.2正常蓄水位1820m試驗成果分析

水庫保持在正常蓄水位下運行，所能采用的各種運行方式區(qū)別在于發(fā)電洞和排沙洞的開閉情況以及其分流比。本試驗中，在該水位下共設有3組不同的發(fā)電排沙分流比，以研究不同運行方式下的沖刷漏斗的呈現(xiàn)形態(tài)，如漏斗縱向的長度、坡度，以及橫向的長寬度、縱向坡度及橫向坡度。各組合試驗結果見表4。

表4 正常蓄水位試驗結果

由表4可以看出，在正常蓄水位的條件下，若發(fā)電排沙分流比采用1∶2.09，則沖刷漏斗發(fā)展較為充分，其坡度在縱向上為1∶2.31，在橫向上平均為2.19。

根據(jù)洛古電站有關壩前沖刷漏斗而開展的模型試驗中，有關其漏斗坡度的成果，知洛古電站壩前沖刷漏斗縱向坡度和橫向坡度均為1∶2.5～1∶3.0[6]，同本文試驗成果大體一致。對于分流比1∶1.39和1∶0.70，由于1#深孔排沙洞流量較小，孔前泄水流速較小，導致拉沙能力不足，排沙漏斗范圍受到排沙洞出流流量大小的影響，因此在這樣的情況下不能保證“門前清”。

綜上，正常蓄水位(1820m)下，阿爾塔什水庫在非汛期若要保證“門前清”，則須開啟發(fā)電洞和排沙孔，同時滿足排沙和發(fā)電的要求，且及發(fā)電排沙分流比取1∶2.09，其中排沙洞流量為928.6m3/s，試驗結果表明此情況下沖沙歷時為14h。

4 結語

通過物理模型試驗[7]，基于1#深孔排沙洞前沖刷漏斗的形態(tài)研究、保證發(fā)電洞流量與沖沙歷時以及合理的發(fā)電和排沙分流比，提出了阿爾塔什水利樞紐在不同時期不同水位下合理且可行的發(fā)電洞、排沙洞的聯(lián)合啟閉形式，以實現(xiàn)高效拉沙，滿足排沙或發(fā)電的要求，最終達到水庫壩前發(fā)電洞的“門前清”期望結果。具體方案如下：

(1)排沙水位1770m下，選取僅啟用1#深孔排沙洞，且流量為695.8m3/s的運行方式，沖沙歷時為16h，發(fā)電洞進水口在處于沖刷漏斗保護范圍之內，可保證發(fā)電洞在汛期的“門前清”。

(2)正常蓄水位1820m下，選取啟用1#深孔排沙洞，選取其最大流量928.6m3/s、同時開啟1#、2#發(fā)電洞，且單個發(fā)電洞流量為222.4m3/s的運行方式，既滿足排沙要求又滿足發(fā)電要求，沖沙歷時14h，發(fā)電洞進水口在處于沖刷漏斗保護范圍之內，可保證發(fā)電洞在非汛期的“門前清”。