临汾滨河生态区闸坝蓄水工程枢纽布置河工模型试验研究

邸国平

1 概况

汾河为黄河的一级支流，是山西省境内第一条大河。流经临汾市境内的汾河下游，境内汾河长173.5km，流域面积10286km2，约为临汾市总面积的50%。滨河生态区建设工程是临汾市城建十大工程之一。而汾河闸坝蓄水工程是滨河生态区建设的重要组成部分，位于临汾市城区西侧的汾河干流上，北起马务桥，南至平阳桥，全长约5km，两岸无支流汇入，河道纵坡0.556‰，河床宽约400～500m。洪水汛期集中在6—9月，平时水量很少。

据石滩水文站统计，多年平均实测径流量为7.23亿m3，多年平均输沙量2115万t，实测洪水中最大洪峰流量2800m3/s。悬移质平均中值粒径0.025～0.047mm，河床质中值粒径0.27～0.33mm。

2 工程枢纽设计

滨河生态区闸坝蓄水工程为Ⅴ等工程，主要建筑物按4级设计，工程区地震烈度为8度，建筑物设防烈度按8度考虑。主要枢纽建筑物包括修建人工复式河槽、排污暗涵、中隔墙、橡胶坝及附属建筑物。

全河道过水能力按原标准50年一遇洪水标准设计，洪水流量2690m3/s。主河槽按10年一遇洪水标准设计，洪水流量1500m3/s，两侧各布置一条排污暗涵，长度均为5000m。

分槽方案将主河槽分成两部分：一部分为泄洪槽，可过300m3/s以下的小洪水；一部分为蓄水区，以供观赏。当来流量超过泄洪槽的过流能力，发生洪水翻坝运行或塌坝过洪时，可在槽与区之间设中隔墙。

3 试验目的及内容

3.1 试验目的

根据初选分槽治理方案的综合治理段规划布置及各主要建筑物的布置形式，通过模型试验验证其合理性，确保工程治理段在各级洪水条件下各部位水流有良好流态，了解该河段冲淤变化，为改进设计方案提供依据。

3.2 试验内容

试验内容包括：验证泄流能力；进行冲刷试验；根据模型试验结果，提出对上游进口段、过桥墩段、弯道段、下游出口段等部位的优化设计方案或建议。

4 模型规划设计

根据试验目的及任务，初步考虑分析定床清水试验和动床浑水试验阶段。

定床清水试验阶段主要观测工程各部位水流流态、流速分布、水面线等。为研究各级流量下各部位水面高程及冲淤可能性，对各建筑物（尤其是进、出口）的布置形式、尺寸进行评价，提出对上游进口段、过桥墩段、弯道下游出口段等部位的优化设计方案或建议，同时为解决浑水试验阶段的工程水力学问题提供科学依据。

动床浑水试验阶段主要测定工程各部位的冲淤变化、水面线。该阶段是在清水试验的基础上将工程治理段河床用模型沙铺填，并在来水中按要求加入泥沙进行试验，为工程防冲措施提供依据。

4.1 模型比尺选择

根据试验要求，综合考虑水流及泥沙相似条件、试验场地及模型最小水深的限制等因素，确定模型几何比尺为：水平比尺λl=180，垂直比尺λh=60。

4.1.1 重力相似

4.1.2 阻力相似

根据最小水深hm>2.0cm，得出糙率比尺λn=λh2/3/λl1/2=602/3/1801/2=1.1423，水面比降比尺 λJ=λh/λl=60/180=0.3。

4.1.3 泥沙运动相似

动床模型试验主要保证河床冲淤变形相似，要求满足床沙的起动相似条件和单宽输沙率相似条件，要满足起动相似条件，首先需考虑模型沙的选择。

通过对电木粉、精煤、粉煤灰、塑料沙进行比选，这些模型沙均可做模沙，但塑料沙、电木粉等不仅价格高，且加工不方便，不易达到粒配要求，故选用起动流速小、级配广的清徐焦化厂的精煤做模型沙，精煤具有比重较小、较稳定；起动流速小，有利于起动相似；粒径范围经过水选，可以分选出级配合适的模型沙等优点。

4.1.4 床沙比尺

研究河床冲淤变化的动床模型试验，必须考虑底沙运动条件相似及满足起动流速相似。床沙粒径比尺λD=4.848依据床沙粒径比尺和原型床沙级配（原型床沙d50=0.31～0.33mm），得出模型床沙（设计床沙）级配。该试验采用模型床沙d50=0.068mm左右。根据模型沙在水槽中起动试验的结果可知，当水深3cm时，其起动流速为7～8cm/s，满足要求。

4.1.5 泥沙悬移相似

根据斯托克公式悬移质泥沙沉降相似关系：

式中：λd——悬沙粒径比尺；

λv——流速比尺；

λw——沉速比尺；

λ(γs-γ)——泥沙比尺。

取 λv=1，则

4.1.6 关于挟沙能力比尺

一般洪水含沙量随流量大小而变化，含沙量增大，冲刷能力就会减小。对于研究河床冲淤及建筑物周围冲刷情况的模型，由于冲泻质泥沙（d<0.01mm部分）不参与造床运动，因此，浑水试验中，只保证浑水中所加泥沙与床沙粒径接近部分按比例加入，而不多考虑冲泻质部分。

挟沙能力比尺λs随模型沙比重、特性及含沙量的大小而不同，一般应通过室内试验来标定。该试验结合水槽试验的一些资料取λs=2。

4.1.7 冲淤时间比尺的确定

冲淤时间比尺直接影响模型中放水时间的长短，进而影响冲淤深度；而冲淤时间比尺又直接与沉积物容重、挟沙力比尺等有关。按照冲淤平衡方程推得其时间比尺λt2≈23.24。

4.2 关于洪水过程的概化处理

根据任务要求，试验采用的洪水过程线是石滩水文站1988年6月实测典型年洪水过程线，Q10%=1500m3/s是将该洪水过程线按流量大小划分成阶梯，尽量保证在某一时段内其平均流量值接近于该时段洪水流量的平均值；Q2%=2690m3/s洪水过程线是将1997年8月5日的Q5%=2020m3/s洪水过程线按“以峰控制”同一倍比放大而得的，按流量大小的洪量基本相等划分成阶梯；Q=300m3/s是按《临汾滨河路生态区闸坝蓄水工程枢纽布置方案比较比选阶段设计报告》中的洪峰流量200～500m3/s历时2～3d，洪峰流量200～400m3/s历时1～2d而得。试验时取Q=300m3/s历时2d左右，模型中历时约1h。

5 模型制作安装

模型制作安装的精度是试验成果好坏的关键。除要求模型能正确满足几何相似外，还必须满足各部位糙率相似，同时使用的仪器设备也应满足必要精度。

定床模型试验中，除1～3号橡胶坝采用塑料板，桥墩井柱用钢筋外，其余定床部分均采用水泥砂浆抹面而成。中隔墙采用预制水泥砂浆砌成，因水泥面糙率n=0.008～0.011，比要求值0.020小很多，故采用撒石子加糙来提高模型糙率。根据有关糙率的试验成果，取石子粒径0.3～0.5cm，用环氧树脂把石子固定在水泥床面上。

动床模型试验中，模型试验段用模型沙按照相应床面高程铺垫，模型中床面糙率根据模型沙水槽试验及参考经验公式计算得出，初始运行模型床面糙率n≈0.011，小于要求值0.020。分析以往的动床模型试验资料发现，当模型河底产生沙浪后，其糙率比一般公式计算的糙率大，而有的糙率则比定床模型粘小石子或插竹竿后的糙率还大，说明在动床模型试验中，只要动床上产生沙浪，不必加糙就可获得较大的糙率。因此，在模型动床试验中，可利用沙浪阻力来满足动床模型的阻力相似。

6 结语

第一，通过动床和定床试验可知，整治后的河道能满足泄流能力，且整治后的河道进出口体型、泄洪时水流均比较平顺，没有出现回流和折冲现象，也无严重的水流集中和波动现象。

第二，从河道冲淤地形来看，在橡胶坝、堤后和弯道凸岸及中隔墙两侧都有一定冲刷，应采取相应厚度的铅丝笼加以防冲，特别是中隔墙上、下游的头部冲刷比较严重，应采取必要的防护措施。

第三，桥墩井柱周围也有一定冲刷，但因井柱分散，故冲刷不大，可暂不予以防冲处理。