无坝引水枢纽工程闸前泥沙淤积特性实验研究

国志鹏

（抚顺市江河流域管理局，辽宁抚顺113006）

无坝引水枢纽工程闸前泥沙淤积特性实验研究

国志鹏

（抚顺市江河流域管理局，辽宁抚顺113006）

渠首工程设计不合理会导致进水闸前出现泥沙淤积现象，严重影响水利工程的安全性和经济性。为了提出合理的改造方案，文章设计了河工物理模型试验。以无坝引水枢纽为研究对象，研究了河道水流水力特性及泥沙淤积。研究表明：水流输沙率与流速成正比，当流速增加时，输沙率也随之增加，输沙能力增强；山区型河道泥沙较多，应特别注意防止闸前泥沙淤积。

水利工程；发电站；无坝引水枢纽工程；泥沙淤积

无坝引水枢纽工程是渠首引水枢纽工程的一种，它无需借助坝体来提升河流枯水期水位［1］。可见，这种水利枢纽对河流流量本身充足性有较高要求。因此，这种在水力发电、水利灌溉工程中的运用范围较窄［2］。然而，其设计、建设和运行过程中，能够有效降低引水比，以保持河道畅通。在工程预算低且工程服务区域较小的引水枢纽工程中，无坝引水枢纽工程也有较为显著的适用性［3］。

在无坝引水枢纽工程运行过程中，会面临闸前泥沙淤积问题，如果不能进行有效监测和控制，可能会影响引水工程作用的顺利发挥。杨纪伟［1］通过水工模型试验对闸前泥沙淤积的变化趋势进行正态模拟，并对其不同位置、不同时间、不同水流特性情况下的高程进行动态分析［1］。李晓庆［4］通过水工物理模型对河水流量、流速和水面线等对泥沙淤积特征的影响进行分析，并运用Surfer软件进行仿真模拟［4］。其他学者在对也对无坝引水枢纽工程的闸前泥沙淤积进行丰富的定量研究，对该类工程的设计、建设和运行方案提出诸多改良方案［5-7］。

山区型河道在中国十分常见，且极易携带大量泥沙。因而在规划、设计无坝引水枢纽工程时，需要对备选场地泥沙特性进行研究，从而提升设计方案的科学性［8］。本研究将以浑南区蓄水防洪工程为对象，通过构建河工模型对其闸前泥沙淤积特性进行测量和仿真模拟。

1 工程水文泥沙情况

本研究选取浑南区蓄水防洪工程为研究对象。经过综合考虑，在规划时决定采用无坝引水枢纽工程对河水进行小范围调配。在设计过程中，首先需要对该工程所在河流的水文概况、泥沙概况进行分析。

1.1 流域水文概况

工程所在地处于温带季风气候，夏秋多雨，冬春少雨，流量季节变化显著。该河流径流主要集中于6～9月，超过全年流量的70%，见表1。在进行工程设计时，需要对不同设计频率下的月径流量进行分配。从表1可知，在各个设计频率下，8月份的径流水平最高。

表1 防洪工程选址径流年内分配表单位：m3/s

1.2 流域泥沙概况

工程引水量与流量直接相关，而后者会受到河流泥沙量影响。因此，需要对该水电站所处河流的泥沙概况进行分析。根据距水电站最近水文站的监测，河流含沙量年均水平为0.058kg/m3，其它水沙配比数据见表2。结合表1、表2可知，输沙率、泥沙密度、沙量的月分布规律一致，且最大沙量月份为7月，与该河流径流月份分配一致。

表2 该水文站全年水沙配比表

2 河工模型设计

2.1 模型试验原理

在进行模型试验时，需要依据相似原理做好惯性重力、阻力重力、输沙平衡指数等指标的计算。惯性重力是客观存在的，在部分情况下可能对模型精度造成较大干扰。在计算该指标时，须满足如下相似条件：

阻力影响作用不可忽视，它可能影响模型偏离程度。在计算该指标时，须满足如下相似条件：

在充分考虑推移质泥沙形态、河道紊流情况时，泥沙运动须满足如下流态相似条件：

在不同泥沙形态下，河流形状对输沙运动有着重

要决定作用。因此，输沙平衡须满足如下相似条件：当泥沙为悬移质形态时：

当泥沙为推移质形态时：

河道径流须满足如下连续条件：

本研究中，水电站所在河道为典型山区河流，在计算其泥沙起动流速时，可按如下公式进行：

式中，uc表示起动流速，m/s；η表示无量纲系数；M为调整指数；ρ表示水的密度，kg/m；ρs表示沉积物的密度，kg/m；d表示沙粒径，mm；H表示水深，m。

水电站所在河道泥沙含量平衡方程式为：

由式（8）可推导出河型变化时间比尺，其表达式如下：

2.2 模型设计数据

在图纸设计时，按照与工程实体1∶2000的比例设计制作。在制作河工试验模型时，按照1∶30的比尺进行长度控制。同时，将流速比尺、流量比尺和糙率比尺分别设计为1∶5.48、1∶4930以及1∶1.76。另外，根据含沙量分别确定河工模型中沙粒径级配，对应关系见表3。

表3 沙粒径级配表

3 结果及分析

3.1 50年一遇洪水

当洪水等级设定为50年一遇时，放水试验分别选取了以下7个洪峰时段的流量水平：52.943L/s、72.886L/s、91.784L/s、114.539L/s、81.395L/s、59.294L/s、42.507L/s。试验结果为：防水试验结束后，闸前有大量泥沙淤积，在阻碍水流的同时也影响引水作业顺利进行。

通过Surfer软件，对进水闸前泥沙淤积厚度进行仿真，结果如图1所示。从图1可知，闸口前淤积厚度超过2.8cm，严重阻碍明渠引水功能发挥。

图1 50年一遇设定下进水口处淤积厚度图（cm）

为对渠道引水变化进行分析，对不同工况下的总流量、各个分水明渠进水流量进行测量，结果见表5。可见，在洪峰快消退时，工况1、工况2下分水明渠进水流量都变得十分小，不能够支持引水工程正常运行。

表5 50年一遇下分水渠进水情况

3.2 100年一遇洪水

当洪水等级设定为100年一遇时，放水试验分别选取了以下7个洪峰时段的流量水平：58.943L/s、81.886L/s、113.784L/s、139.539L/s、97.395L/s、65.294L/s、46.507L/s。试验结果为：防水试验结束后，进水口均有大量泥沙淤积，在阻碍水流的同时也影响引水作业顺利进行。通过Surfer软件，对进水闸前泥沙淤积厚度进行仿真，结果如图2所示。从图2可知，进水口多数区域淤积厚度超过2.8cm，其它部分也在2.4cm以上；在严重阻碍明渠引水功能发挥的同时，导致引水功能暂停。

图2 100年一遇进水口处淤积厚度图（cm）

如表6所示，此时渠道引水能力发生显著变化。在最后1个洪峰流量时，工况1、工况2下分水明渠均已堵塞，致使发电工作完全瘫痪。

表6 100年一遇来水流量下分水渠进水情况表

3.3 200年一遇洪水

当洪水等级设定为200年一遇时，放水试验分别选取了以下7个洪峰时段的流量水平：61.943L/s、85.886L/s、126.784L/s、154.539L/s、106.395L/s、69.294L/s、49.507L/s。试验结果为：防水试验结束后，进水口均有大量泥沙淤积，呈梭形分布；在阻碍水流的同时也影响引水作业的顺利进行。通过Surfer软件，对进水闸前泥沙淤积厚度进行仿真，结果如图3所示。从图3可知，进水口右侧多数区域淤积厚度超过3.6cm，左侧多数区域超过2.6cm；两大淤积体之间出现了新的引水通道。洪峰结束后，出现比100年一遇更大淤积厚度，更严重地阻碍明渠引水功能发挥。如表7所示，渠道引水变化十分显著。在最后1个洪峰流量时，工况1、工况2下的分水明渠均已堵塞，致使引水工作完全瘫痪。

图3 200年一遇进水口处淤积厚度分布图（cm）

表7 200年一遇来水流量下分水渠进水情况表

4 结语

在构建无坝引水枢纽河工模型后，分别对50年一遇、100年一遇和200年一遇洪水下的闸前泥沙淤积特性进行仿真和测量，得出以下几个基本结论：

（1）50年一遇洪水时，防水试验结束后，闸前有大量泥沙淤积，淤积厚度超过2.8cm；洪峰快消退时，工况1、工况2的分水明渠进水流量都变得十分小，不能够支持引水工程正常运行。

（2）100年一遇洪水时，防水试验结束后，进水口均有大量泥沙淤积，多数区域淤积厚度超过2.8cm，其它部分也在2.4cm以上；在最后1个洪峰流量时，工况1、工况2下的分水明渠均已堵塞，致使引水工作完全瘫痪。

（3）200年一遇洪水时，防水试验结束后，进水口均有大量泥沙淤积，呈梭形分布；右侧多数区域淤积厚度超过3.6cm，左侧多数区域超过2.6cm；两大淤积体中间出现了新的引水通道；在最后1个洪峰流量时，工况1、工况2下的分水明渠均已堵塞，致使引水工作完全瘫痪。

［1］杨纪伟，李静，王志国，等.无坝引水工程闸前泥沙淤积分析［J］.科学技术与工程，2015（02）：290-293.

［2］刘丽丽，鲁婧，张治昊.簸箕李灌区一干渠、支斗渠及田间泥沙淤积分布特征［J］.水利科技与经济，2015（07）：1-3.

［3］张剑峰.关于头屯河引水枢纽群协调运行方案探讨［J］.广东水利水电，2012（05）：21-23+26.

［4］李晓庆，唐新军.新疆引水枢纽闸后消能防冲设计理念的演变［J］.水电能源科学，2012（11）：77-80+69.

［5］丁曼，于德万.团山子水库泥沙淤积分析计算及防治措施［J］.水利规划与设计，2014（04）：34-37.

［6］刘丽丽，赵轩.闹德海水库泥沙淤积对库容的影响分析［J］.水利规划与设计，2014（07）：30-33.

［7］吕敏.水库泥沙淤积分析及库容测量［J］.水利技术监督，2016（01）：84-86.

［8］刘宝贵，刘巧元，董磊，等.黄河下游长平滩区河道冲淤变化分析［J］.水利技术监督，2013（06）：39-41.

TV673

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1008-1305（2017）01-0096-04

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.030

2016-04-28

国志鹏（1979年—），男，工程师。

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.031