小浪底水利枢纽防泥沙淤堵试验研究

王二平, 张欣， 孙东坡， 郭选英

(华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450045)



小浪底水利枢纽防泥沙淤堵试验研究

王二平, 张欣， 孙东坡， 郭选英

(华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450045)

摘要：小浪底水利枢纽泥沙的防治关系到工程的安全运行.在枢纽后期运用过程中,确定进水塔前允许淤沙高程值，并制定防止塔前泥沙淤堵的泄流排沙方案是非常紧迫的事情.利用正态浑水动床模型试验对允许淤沙高程187 m进行复核.在此试验成果的基础上,将典型年洪水过程概化为5种工况进行泄流孔洞运行调度方案试验,发现各孔洞排沙效率与孔洞组合运用方式、闸门开启时间、孔洞附近地形、泄流量大小等诸多因素相关联.提出了泄流孔洞运行调度推荐方案:当出库流量小于发电洞泄量时,优先启用发电洞泄流;当出库流量超过发电洞泄量时,超出部分按照通过排沙洞、明流洞、孔板洞的顺序泄流,同时排沙洞以3号、2号、1号的开启顺序拉沙效果为佳.

关键词：小浪底;泥沙淤堵;模型试验;排沙效率；泄流；排沙

小浪底水利枢纽是黄河干流上的大型综合性水利工程,也是治理黄河的关键控制性骨干工程,控制流域面积69.4万km2,占黄河流域面积的92.3%[1],在黄河综合治理开发中具有重要的战略地位.为了满足泄洪、发电、排沙、排漂等任务的需要,小浪底水利枢纽共设置了3条孔板消能泄洪洞、3条排沙洞、6条发电洞、3条明流洞及1条灌溉洞.其中孔板洞与排沙洞进口底高程皆为175 m;发电引水口底高程为190 m(5号、6号发电洞)与195 m(1—4号发电洞)；3条明流洞进口底高程分别为195、209、225 m.3条排沙洞共18个进水口,分别位于6条发电洞进水口的下方,其他泄流洞在平面上呈相间布置,从而形成底部泄洪排沙、中间引水发电和上部泄洪排漂的格局[2].

黄河来水含沙量高、来沙量大.自1999年小浪底水利枢纽投入运用至2013年10月,库区共淤积泥沙30.41亿m3,三角洲顶点高程达215.09 m,距坝里程11.4 km,坝前淤沙高程由132.0 m抬高至184.6 m,淤积抬升了52.6 m,已经高于最低进水口底板高程9.6 m.由于泥沙淤积影响,有可能导致枢纽进水口淤堵、闸门启闭困难.当进水塔群泄水孔洞前泥沙淤积高程超过允许淤沙高程时,打开泄水孔洞,孔洞会出现不出流或短时间不出流现象.因此,开展小浪底水利枢纽进水塔群前允许淤沙高程与防淤堵试验研究不仅非常必要,而且非常紧迫.

笔者通过建立小浪底水库坝区实体模型,开展底孔前允许淤沙高程浑水动床模型试验,确定允许淤沙高程.然后，在允许淤沙高程试验结论的基础上开展底孔防淤堵试验.通过防淤堵试验对进水塔群前水流结构、含沙量分布以及各泄水孔洞分流、分沙情况进行研究,提出进水塔群前防淤堵泄流方案，并验证其合理性.

1模型概况

本试验研究河段在坝区4 km范围内,上起大峪河口,下至小浪底大坝.根据试验要求及场地条件选定模型水平比尺λL和垂直比尺λH均为100.模型设计遵循水流重力相似[3]、阻力相似、泥沙悬移相似、河床变形相似[4]、泥沙起动相似等相似率.经验证,试验确定的含沙量比尺λS和河床变形时间比尺λtz分别为2.0和13.7.依据黄河水利科学研究院、南京水利科学研究院[5]和中国水利水电科学研究院[6]关于小浪底动床模型试验的经验,选取树脂离子颗粒作为模型沙.模型布置及典型实测大断面如图1所示.

图1　 模型平面布置与典型实测大断面的关系

2浑水动床模型试验

试验开始后约5~6 d,底孔前淤积面淤升至187 m.静置7 d后,开展允许淤沙高程187 m短历时拉沙试验和持续拉沙试验,并将2种拉沙方案试验后的河道纵剖面地形与初始地形进行比较.

2.1　试验控制条件

为了使泄水孔洞前淤积面尽快抬升,流量选择满足6台机组满发的流量1 800 m3/s,而相应的含沙量控制条件则根据1987年以来入库实测汛期7—9月1 500~2 000 m3/s的平均含沙量选取,为75 kg/m3.坝前水位选取210 m,河床地形采用2014年汛前地形.

泄水孔洞调度方案为:关闭泄水孔洞,按水沙控制条件施放一定时间,当底孔前淤积面淤升至187 m时,开启排沙洞,检查底孔是否淤堵和通水的情况.

2.2　试验前、后地形对比与分析

为了分析各个排沙洞泄流拉沙后进水塔前河床变形的分布特征,将2种拉沙试验方案的实测地形数据套绘成如图2所示的河床纵剖面高程变化图.

图2　试验前、后河床纵剖面高程变化

从图2中可以看出,2种方案下进水塔上游都有冲刷漏斗,淤积面高程一般都在177.0~178.5 m.区别之处在于:短历时拉沙试验后,进水塔群前210 m范围内为冲刷状态,局部冲刷可达10 m;持续拉沙试验后,塔群前250 m的范围内为冲刷状态,局部冲刷可达10 m.从图2中还可以看出,与短历时拉沙试验相比,持续拉沙试验冲刷范围增大很多,进水塔群前淤积的泥沙基本被冲刷干净.

此外,试验表明:3号排沙洞受附近地形回流淤积影响,排沙洞前淤积相对比较严重;当打开排沙洞排沙时,应先从3号排沙洞开始排沙,然后依次是2号和1号排沙洞,这样的开启顺序对塔群前冲刷漏斗的形成较为有利.

由试验结果可知,允许淤沙高程为187 m的短历时拉沙试验与持续拉沙试验过程中,进水塔前淤沙高程达到187 m后开启排沙洞集中泄流拉沙是起作用的,排沙洞没有淤堵.根据金属结构设备安全运行条件,当泄水孔洞前淤沙高程超过187 m时闸门启闭将受影响.因此,小浪底水利枢纽泄水建筑物底孔前允许淤沙高程采用187 m.

3塔群前防淤堵试验

3.1　试验控制条件

由允许淤沙高程试验结论可知:当塔前淤积面高于187 m时,虽不会淤堵泄水孔洞,但会影响闸门启闭.因此,该试验以高程为187 m的淤积面作为初始地形.

从偏于进水塔群前防淤堵不利的角度考虑,实体模型试验选取平水偏丰沙的2003年7—9月的实测入库水沙过程作为入库典型水沙条件.为了便于分析试验成果,将试验过程中设计的孔洞运用情况分为5种具有不同特点的工况,见表1.

表1　底孔防淤堵试验的5种工况

3.2　试验成果

由于工况4与工况5属于典型设计工况，在此仅以其为例进行成果分析.

3.2.1坝区河道流态

试验过程中,运用VDMS表面流场实时测量系统对整个试验段进行表面流速测量,在工况5的情况下,测得坝区流场流态如图3所示.

图3　 工况5 坝区河道流态

由图3可以看出:在工况5试验条件下，库区最大流速为1.634~1.960 m/s,模型进口主流区流速为1.307~1.634 m/s,行进至坝前时流速最小,一般为0.001~0.328 m/s.初始进库水流靠河道右岸行进,由于右侧山体的顶托作用,水流逐渐被挑向左岸,在16断面处主流完全偏左,后又逐渐向河道中部趋近坝前,整个模型区主流呈 “S”型弯曲行进.由于大坝和进水塔的阻挡作用,在塔前左、右两侧形成了2个逆时针向的回流区,进水塔南侧附近相对北侧回流区范围要大,回流区的流速范围为0.001~0.328 m/s.

利用ADV多普勒流速仪测得工况4下排沙洞前水流纵向流速,结果如图4所示.

图4　 工况4 排沙洞前纵向流速分布(塔前20 m断面)

由图4可知:2号排沙洞前水流流速偏小,其原因为,塔群前两侧的逆时针回流区反方向挤压出洞水流,使流向进水塔中部的水流能量部分削减;由于塔前右侧1号排沙洞附近回流区范围大,相对3号排沙洞而言,1号排沙洞进口流速较大.

3.2.2进水塔群前含沙量分布

试验过程中3个排沙洞进口含沙量随时间的变化情况如图5所示.试验过程中不同时间段排沙洞孔口前含沙量随来流的变化呈现出上下起伏的波动,说明塔前含沙量的分布与上游来流的大小有关.

由图5可知,由于整个试验过程中坝前主流稳定在河道中部行进,加之塔前两侧存在回流区,上游携带下来的泥沙受回流挤压影响,集中分布在进水塔中部.因此,试验过程中通过2号排沙洞的水流含沙量最大.同时,由水下摄像系统监测结果可知：在1号与3号排沙洞附近存在小范围的漩涡,改变了孔口附近局部的水流流态,使床面遭遇小幅度扰动,带起了部分粒径较小的泥沙通过开启的排沙洞下泄；在3号排沙洞附近还出现了小幅度的边滩滑动现象,加大了3号排沙洞的出口含沙量.

图5　排沙洞含沙量随时间的变化过程

3.2.3坝区冲淤分布

对比试验前的淤积地形,试验后模拟区总淤积量为1 214万m3,约0.13亿t.试验前淤积地形纵坡与试验后的情况对比如图6所示,整个试验段沿程呈现出不均匀的淤积状态,其平均淤积厚度约2.92 m.通过测量试验前、后塔前地形,将塔群前6 m处横断面地形高程数据套绘在同一张图上,如图7所示.

图6　河床纵剖面淤积高程对比

图7　进水塔群前试验前、后地形对比

由图7可以看出,经过一段时间的放水试验后,进水塔群前形成了大小不等、形状不规则的冲刷漏斗,冲刷坑深度为5~10 m,最大冲刷深度位于1号排沙洞前,达10 m.但是2号排沙洞附近地形的冲刷效果不是很理想,分析原因为进水塔群前左、右两侧存在的逆时针向回流区挤压进洞水流,削减了一部分水流能量而导致其进口流速减小,一部分粗颗粒泥沙在自身重力作用下落淤,覆盖了排沙洞底坎附近漩涡扰动所形成的小冲刷坑.在整个试验过程中，塔前床面淤沙高程虽然没有恢复至175 m,但泥沙不会淤堵闸门,泄水建筑物能够保持泄流通畅.

在后续试验过程中，可以在保持6个发电洞均匀分流的条件下适量加大2号排沙洞的开启度,削减两侧回流区的影响,使3个排沙洞进口水流流速均衡、冲刷地形分布规则.较大的水流流速以及回流区的存在能够使更多的床沙被带动并随水流下泄,为确保进水塔群前“门前清”提供了有利的条件.

4结语

1)通过拉沙试验,对比河道不同过流断面流速分布可知：进水塔群前进口主流区处流速较大;由于大坝和进水塔的阻挡作用,在塔前左、右两侧形成了2个回流区,使落淤泥沙能够被带起,这为顺利排沙提供了有利的条件.

2)推荐采用的泄水孔洞调度方案为:出库流量小于发电洞泄量时,优先启用发电洞泄流;当出库流量超过发电洞泄量时,超出部分尽量通过排沙洞、明流洞、孔板洞的顺序泄流,减少库区淤积.

3)泄流拉沙过程中,各孔洞排沙效率与孔洞组合运用方式紧密相关,同时还与闸门开启度、闸门开启时间长短、孔洞位置、孔洞附近地形、泄流量大小有一定关系.开启不同排沙洞泄流拉沙时,拉沙效果比较好的排沙洞开启顺序是:3号排沙洞先短历时排沙,然后依次开启2号、1号排沙洞顺序排沙.

4)进水塔群前形成了大小不等、形状不规则的冲刷漏斗,冲刷坑深度为5~10 m,最大冲刷深度位于1号排沙洞前,达10 m.在进水塔前淤积面达到重要控制高程(187 m)时,本文提出的闸门调度方案能够使孔洞泄水通畅,确保塔前“门前清”,不会出现闸门启闭困难等现象.

5)在整个试验过程中,通过2号排沙洞的水流含沙量最大,拉沙效果最为显著,为充分利用这一特点,试验过程中可适量加大2号排沙洞的泄流量.

参考文献

[1]张丽,达朝媛.黄河中游水沙变化特性分析[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2014,35(4):7-12.

[2]林秀山.黄河小浪底水利枢纽文集[M].郑州:黄河水利出版社,2001:1-6.

[3]张俊华,王严平,尚爱亲,等.挟沙水流指数流速分布规律[J].泥沙研究,1998(4):73-78.

[4]钱宁,张仁,周德志.河床演变学[M].北京:科学出版社,1989.

[5]窦国仁,王国兵,王向明,等.黄河小浪底工程泥沙问题的研究[J].水利水运科学研究,1995(3):197-209.

[6]曾庆华,周文浩,陈建国,等.黄河小浪底枢纽泥沙问题的试验研究[J].水利学报,1995，26(8):53-59.

(责任编辑：乔翠平)

Experimental Research on Anti-clogging Silt in the Xiaolangdi Reservoir

WANG Erping, ZHANG Xin, SUN Dongpo, GUO Xuanying

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Abstract:The success or failure of preventing sediment siltation in the Xiaolangdi reservoir is related to the safe operation of the project. In the later process, it is quite urgent to determine the allowed silt elevation values before the intake tower and furthermore develop the sediment discharge programs to prevent the silt clogging before the tower. In this paper, through normal muddy-water mobile-bed model test, firstly the allowed silt elevation of 187 m is reviewed, and then on the basis of the experimental conclusion, the flood process of the typical year is generalized into 5 kinds of working conditions to conduct an operation dispatch scheme test of the discharge hole. Furthermore, the relationships between the sediment flushing efficiency of each hole and many factors of the hole combination use ways, the gate turn-on time, the terrain near the hole, the vent size of the flow and etc., are obtained, and then, a recommended operation dispatch scheme of the discharge hole is proposed: when the storage outflow is less than the discharge flow of power tunnel, the latter starts preferentially; otherwise, the excess part is discharged in the order of desilting tunnel, flow tunnel, orifice hole, moreover, the desilting tunnel is opened in the order of 3#, 2#and 1#. At last, the test verifies its legitimacy.

Keywords:Xiaolangdi reservoir; silt clogging; model test; sediment flushing efficiency; discharge; sediment flushing

文献标识码：A

文章编号：1002-5634(2015)06-0006-04

中图分类号：TV731

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.06.002

作者简介：王二平(1960—),男,河南郑州人,教授,主要从事水力学与河流动力学方面的研究.
张欣(1989—),男,河南郑州人,硕士研究生,主要从事水力学与河流动力学方面的研究.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51579103).

收稿日期:2015-08-28