何佩詩，涂志俊

(1.湖北志宏水利水電設(shè)計有限公司，湖北 武漢 430070；2.湖北路達勝工程技術(shù)咨詢有限公司，湖北 武漢 430015)

0 引言

引水渠道是河道常見的分汊形式，當河道水流路徑發(fā)生改變時，會攜帶大量的泥沙進入渠道，導(dǎo)致泥沙在渠道口門處產(chǎn)生不同程度的淤積，造成渠道堵塞，如何防止渠道淤積，學(xué)者們進行了多方面研究。辛虹等[1]對鄭州引黃灌區(qū)渠道淤積的措施進行了研究，結(jié)果表明：采取科學(xué)的渠道清淤措施，能有效的防止渠道淤積；陳海鋒[2]對昌馬渠首口門泥沙淤積計算方法及防治措施進行了分析，結(jié)果表明：通過對引水渠道口門淤泥量進行計算與分析，得出計算結(jié)果與實際情況一致；武金明等[3]對蘭州雁灘南河道引水防淤方案進行了研究，結(jié)果表明：采用水力排沙為主，機械清淤為輔的清淤方式，可有效的清除河道淤積；林子谷[4]對河床淤積問題現(xiàn)狀及治理措施進行了研究，結(jié)果表明：治理后的淤泥淤積厚度均比治理前的淤積厚度小；霍玉國等[5]對不同年份水沙系列下水庫泥沙淤積變化進行了分析，結(jié)果表明：泥沙淤積發(fā)展速度較快的時段主要是第1年，此后水庫泥沙淤積速度逐漸變慢；田鵬偉等[6]對外洪含沙量對干渠泥沙淤積影響進行了研究，結(jié)果表明：外洪含沙量越大，泥沙淤積厚度越大，泥沙淤積起始位置和最大泥沙淤積厚度出現(xiàn)位置越靠近干渠上游。

以上學(xué)者研究了河道的防淤措施，分析了含沙量對渠道泥沙淤積的影響，本文參考以上學(xué)者的研究結(jié)論，通過對引水渠道泥沙淤積進行數(shù)學(xué)模型計算，在不同糙率和水沙強度條件下，對引水渠道口泥沙淤積的規(guī)律進行進行分析。

1 研究區(qū)概況

主流河道分汊而形成的引水渠道，在河道主流進入引水渠道時，在水體主流作用下，水流在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生彎曲產(chǎn)生環(huán)流，水流帶動水體中大量泥沙進行運動。泥沙運動過程中，上部泥沙含量較少，泥沙粒徑較小的水體，在水流作用下，進入引水渠道流至下游出口；而下部泥沙含量較大，且泥沙粒徑較大的水體運動較慢，在水流挾沙能力較小清況下，泥沙逐漸沉入渠道底部，并且在渠道口附近越積越多，從而導(dǎo)致渠道口附近產(chǎn)生嚴重的淤積現(xiàn)象。對此，本文對引水渠道口附近的淤積變化進行了數(shù)學(xué)模型計算，在不同糙率和水沙強度條件下，對引水渠道門泥沙淤積的影響進行了研究。

2 數(shù)學(xué)模型建立

2.1 基本方程

本次數(shù)學(xué)模型計算采用一維非恒定水沙數(shù)學(xué)模型方程進行計算，方程中包括水流連續(xù)方程、水流運動方程、泥沙連續(xù)性微分方程、懸移質(zhì)河床變形方程以及水流挾沙力方程。

(1)水連續(xù)方程：

(1)

(2)水流動運輸方程：

(2)

(3)泥沙連續(xù)性微分方程：

(3)

(4)懸移質(zhì)河床變形方程：

(4)

(5)水流挾沙公式：

(5)

式中，Q—水流流量，m3/s；x—流程，m；B—河寬，m；Z—水位，m；t—時間，s；R—水力半徑，m；A—過水斷面面積，m2；g—重力加速度；n—糙率系數(shù)；α—懸移質(zhì)泥沙恢復(fù)飽合系數(shù)；ω—泥沙的沉速，m/s；S—斷面平均含沙量，kg’/m3；S*—水流挾沙力，N；′—泥沙的干密度，kg/m3；Zb—河床底部高程，m；k—挾沙力系數(shù)；m—挾沙力指數(shù)。

糙率系數(shù)是綜合反映河床和河道兩岸邊界粗糙情況對水流阻力影響的系數(shù)，邊界表面越粗糙，糙率越大，邊界表面越光滑，則糙率越小。糙率系數(shù)的取值可直接影響水力計算的精度，由于引水渠道兩岸邊界是由漿砌條石和混凝土防滲襯砌，本次模擬試驗選取3種糙率系數(shù)進行計算分析，分別為0.018、0.020、0.024。

泥沙恢復(fù)飽和系數(shù)是反映懸移質(zhì)不平衡輸沙時，含沙量向飽和含沙量即挾沙能力靠近的恢復(fù)速度，其取值的合理性直接影響河道淤積預(yù)測精度。本次模型計算選取懸移質(zhì)泥沙恢復(fù)飽合系數(shù)在河道淤積時為0.24，在河道水流沖刷時為0.9，挾沙力系數(shù)為0.12，挾沙力指數(shù)為0.95。

2.2 模型設(shè)計

根據(jù)對引水渠道尺寸實際測量，渠道斷面為梯形斷面(如圖1所示)，在引水渠道進水口處，其高程為32.84m，在渠道出水口處，其高程為26.64m，渠道底部寬度為106.45m，渠內(nèi)坡比為1∶2.4。為了防止渠道內(nèi)的輸水在兩岸土壤滲透作用下流失，引水渠道的兩岸邊界采用0.12m厚的混凝土作為防滲襯砌，防水水流沖刷。

圖1 引水渠道斷面示意圖

本次模型計算以引水渠道2010—2020年實測水文數(shù)據(jù)為計算依據(jù)，根據(jù)測量數(shù)據(jù)推算引水渠道的引水過程，并對渠道來沙情況進行了研究。通過來沙情況，對水渠內(nèi)的分沙引沙過程進行了分析，并對引水渠道內(nèi)泥沙淤積情況進行了計算。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 糙率對渠道淤積變化

根據(jù)引水渠道內(nèi)泥沙淤積計算結(jié)果，引水渠道距進水口100km內(nèi)沿程淤積變化如圖2所示。

圖2 引水渠道沿程淤積變化

由圖2可知，隨著離進水口距離越遠，引水渠道淤積厚度先快速減小，然后隨著淤積速度的緩慢，渠道內(nèi)淤積厚度也隨之緩慢增加，當達到一定距離后，淤積厚度趨于平穩(wěn)。隨著時間的增加，引水渠道淤積厚度逐漸增大，在第18年，引水渠道淤積厚度最大。

根據(jù)引水渠道內(nèi)泥沙淤積計算結(jié)果，在不同糙率系數(shù)條件下，引水渠道局部沿程淤積變化如圖3所示。

圖3 不同糙率條件下引水渠道局部沿程淤積變化

如圖3(a)所示，當引水渠道糙率系數(shù)為0.018時，隨著距離進水口距離的增大，渠道內(nèi)淤積厚度均先增大再減小。在第4年和第8年，泥沙在距離進水口0.125km位置淤積厚度最大，最大值分別為0.78、1.26m；在第12年和第18年，泥沙在距離進水口0.375km位置淤積厚度最大，最大值分別為1.63、1.82m。當引水渠道淤積達到最大厚度后，在渠道水流作用下，淤積厚度隨著離進水口的增大逐漸減小，當在距離進水口5km位置，淤積厚度均有趨于平穩(wěn)跡象。在距進水口相同距離條件下，時間越長，渠道淤積的厚度越大。

如圖3(b)所示，當引水渠道糙率系數(shù)為0.020時，隨著距離進水口距離的增大，渠道內(nèi)淤積厚度均先增大再減小。在第4年和第8年，泥沙在距離進水口0.125km位置淤積厚度最大，最大值分別為0.86、1.38m；在第12年和第18年，泥沙在距離進水口0.375km位置淤積厚度最大，最大值分別為1.75、1.99m。隨著離進水口距離越遠，渠道內(nèi)淤積的厚度越小，當距進水口相同距離條件下，時間越長，渠道淤積的厚度越大。

如圖3(c)所示，當引水渠道糙率系數(shù)為0.024時，隨著距離進水口距離的增大，在第4年，渠道內(nèi)淤積厚度逐漸減??；在第8年、第12年和第18年，渠道內(nèi)淤積厚度均先增大再減小。在第4年，泥沙在進水口位置淤積厚度最大，最大值為0.85m；在第8年，泥沙在距離進水口0.125km位置淤積厚度最大，最大值為1.37m；在第12年和第18年，泥沙在距離進水口0.25km位置淤積厚度最大，最大值分別為1.84、2.15m。隨著離進水口距離越遠，渠道內(nèi)淤積的厚度越小，當距進水口相同距離條件下，時間越長，渠道淤積的厚度越高。

由圖3可知，在相同糙率條件下，隨著距離進水口距離的增大，渠道內(nèi)淤積厚度均先增大再減小，渠道淤積厚度最大的位置，均不在口門前端，而是進入渠道有一定距離，時間越長，離進水口的距離相對較遠。在不同糙率條件下，糙率系數(shù)越大，渠道內(nèi)淤積的厚度越高。由于糙率的增大，渠道兩岸邊界阻水作用越大，水深也隨之增大，水流流速降低，因此水流的挾沙能力減小，泥沙運動量減小后沉入渠道，形成渠道淤積現(xiàn)象。

3.2 水沙強度渠道淤積變化的影響

根據(jù)引水渠道內(nèi)泥沙淤積計算結(jié)果，在不同強度水沙條件下，引水渠道局部沿程淤積變化如圖4所示。

圖4 不同水沙條件下引水渠道局部沿程淤積變化

如圖4(a)所示，在小水小沙條件下，隨著距離進水口距離的增大，渠道內(nèi)淤積厚度均快速減小，然后再趨于平穩(wěn)。渠道內(nèi)淤積厚度最大位置為渠道口門位置，在第4年、第8年、第12年、第18年，渠道淤積最大厚度分別為0.35、0.71、0.91、1.15m。時間越長，渠道淤積的厚度越高。當距離進水口小于1km時，渠道內(nèi)淤積厚度快速減小；當距離進水口大于1km時，渠道內(nèi)淤積厚度減小緩慢；在距離進水口大于3km時，渠道內(nèi)淤積厚度減小速度逐漸趨于平穩(wěn)。

如圖4(b)所示，在中水中沙條件下，隨著距離進水口距離的增大。在第4年和第8年，渠道內(nèi)淤積厚度均快速減小，然后再趨于平穩(wěn)；在第12年和第18年，渠道內(nèi)淤積厚度均先增大再快速減小，然后再趨于平穩(wěn)。在第4年、第8年，渠道淤積最大厚度在渠道口門位置，最大值分別為0.6、0.87m；在第12年和第18年，渠道淤積最大厚度在距離進水口0.125km位置，最大值分別為1.16、1.41m。隨著時間的增加，渠道淤積的位置逐漸偏移進入渠道內(nèi)部。

如圖4(c)所示，在大水大沙條件下，隨著距離進水口距離的增大，在第4年渠道內(nèi)淤積厚度均快速減小；在第8年、第12年和第18年，渠道內(nèi)淤積厚度均先增大再快速減小。在第4年，渠道淤積最大厚度在渠道口門位置，最大值為0.71m；在第8年、第12年和第18年，渠道淤積最大厚度在距離進水口0.125km位置，最大值分別為1.02、1.48、1.87m。當水沙強度相同時，時間越長，渠道淤積的厚度越高。

由圖4可知，隨著水沙強度的增大，渠道內(nèi)淤積的厚度也逐漸增大，在水沙強度較小時，渠道口門位置沖刷較小，泥沙在渠道口門位置開始淤積，淤積厚度最大。當水沙強度增大時，渠道口門位置沖刷產(chǎn)生較大沖刷，渠道淤積厚度最大的位置在渠道內(nèi)距進水口0.125km附近。在相同水沙強度條件下，時間越長，渠道淤積的厚度越高。

3.3 泥沙粒徑條件對渠道淤積變化的影響

根據(jù)引水渠道內(nèi)泥沙淤積計算結(jié)果，在不同泥沙粒徑條件下，引水渠道累計輸沙量如圖5所示。

圖5 不同粒徑條件下引水渠道累計輸沙量

由圖5可知，在時間為第10年時，進水口累計輸沙量最大為0.814×107t，出水口累計輸沙量最大為0.425×107t，當粒徑小于0.1mm時，泥沙在水流作用下被帶往下游出口，當粒徑大于0.1mm時，水流的挾沙能力減弱，泥沙顆?；居俜e到渠道底部。

4 結(jié)論

采用數(shù)學(xué)模型對引水渠道的泥沙淤積進行計算，分析引水渠道口泥沙淤積的規(guī)律，得到如下結(jié)論。

(1)渠道口淤積厚度分布不均，進水口0.125～0.25km范圍內(nèi)渠道淤積厚度最大。糙率系數(shù)越大，渠道內(nèi)淤積的厚度越高。水沙強度較小時，泥沙在渠道口位置開始淤積。隨著水沙強度的增大，渠道淤積厚度開始增加，時間越長，渠道淤積的厚度越高。

(2)距離進水口距離越遠，引水渠道的淤積厚度快速減小。泥沙粒徑小于0.1mm時，泥沙被帶往下游出口，泥沙粒徑大于0.1mm時，泥沙顆粒淤積到渠道底部。

(3)渠道淤積規(guī)律影響因素復(fù)雜，文章未考慮水質(zhì)變化等因素的影響，因此結(jié)論需要進一步深入研究。