小浪底枢纽进水塔前允许淤沙高程值研究

张 欣，王二平，卢坤铭

(华北水利水电大学水利学院,河南 郑州 450011)

小浪底枢纽进水塔前允许淤沙高程值研究

张 欣，王二平，卢坤铭

(华北水利水电大学水利学院,河南 郑州 450011)

小浪底枢纽进水塔前泥沙淤堵会影响工程效益发挥,甚至影响枢纽安全运行，当塔前淤沙高程超过允许淤沙高程值时，打开泄水孔洞，会出现孔洞不出流或短时间不出流的现象。采用正态动床模型试验，通过对不同淤沙高程值方案进行研究，分析不同方案达到淤积高程的时间，达到淤积高程开启底孔后出流情况、淤堵时间，得出小浪底水利枢纽运用后期，泄水建筑物底孔前允许淤沙高程值仍可采用187.0 m的结论。

小浪底;泥沙淤堵;泄水孔洞;允许淤沙高程;正态模型

小浪底水利枢纽地处黄河中游最后一个峡谷段的出口，控制流域面积69.4万km2，占黄河流域总面积的92.3%，控制了约90%的黄河径流和几乎全部的泥沙，在黄河综合治理开发中具有十分重要的战略地位。为满足工程开发任务需要，枢纽共设置了16条输水孔洞，安排了47个不同高程的进水口控制进水。16条泄水孔洞的进口大致分为3层，下层为进水口底坎高程最低的3条孔板洞和3条排沙洞共24个进水口，底坎高程均为175.0 m；上层为3条明流泄洪洞和1条引水灌溉洞共5个进水口，明流洞进口高程分别为195.0 m、209.0 m、225.0 m，灌溉洞进水口高程为223.0 m；中层为6条发电引水洞共18个进水口，高程分别为190.0 m(5#、6#)和195.0 m(1#～4#)。即底层有排沙排污口，上层有排漂口，中层有取水发电引水口，各个进水口相互保护，为发电引水口防沙防污创造了较好的条件。

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2014年4月，库区共淤积泥沙30.15亿m3，三角洲顶点高程达214.62 m，距坝里程11.42 km，坝前1.32 km处淤沙高程由137.50 m抬高至185.12 m，淤积抬升了47.62 m，高于最低进水口底板高程10.12 m[1]。小浪底枢纽泥沙淤堵如此严重，当塔前淤沙高程超过允许淤沙高程值时，打开泄水孔洞，会出现孔洞不出流或短时间不出流的现象。因此，确定泄水孔洞前允许淤沙高程值至关重要。

1 试验任务

建立小浪底水库坝区实体模型，开展底孔前不同淤沙高程值的浑水动床模型试验，通过对不同方案试验结果的分析，研究不同方案达到淤积高程的时间，达到淤积高程开启底孔后出流情况、淤堵时间，复核并确定进水塔泄水孔洞前允许淤沙高程值。

2 模型概况

本试验研究河段为坝区4.5 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和垂直比尺均为100。模型设计遵循水流重力相似[2]、阻力相似、泥沙悬移相似、河床变形相似等相似率，经过验证试验[3]确定的含沙量比尺和河床变形时间比尺分别为2.0和13.7。依据黄河水利科学研究院[4]、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经验，选取容重为1300 kg/m3的树脂离子颗粒作为模型沙。模型平面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

3 试验方案

根据《小浪底水利枢纽拦沙后期(第一阶段)运用调度规程》[7]，当实测塔前泥沙淤积面高程达到183.5 m时，应小开度短历时开启排沙洞工作闸门，检查其进口流道是否畅通，以后可按0.5 m一级逐步抬高塔前允许淤积面高程，最终许可值不得大于187.0 m；当塔前淤积面高于187.0 m时，将影响闸门启闭。

因此，试验设计方案为：以底孔前允许淤沙高程值187.0 m为上限进行试验，选择183.5 m、187.0 m进行比较。

3.1 设计水沙条件

为了使泄水孔洞前淤积面尽快淤积抬升，将上游来流的流量设计为满足6台机组满发的流量1800 m3/s(单个发电洞引水流量300 m3/s)，而相应的含沙量条件根据1987年以来入库实测汛期7—9月流量为1500～2000 m3/s时的平均含沙量选取，为75 kg/m3。

3.2 坝前水位与河床边界条件

坝前水位较低时，水深较小，泥沙更容易运行到坝前，坝前泥沙淤积相对较快，坝区沿程泥沙淤积更趋均匀，同一位置断面流速较大，因此，坝前水位选取210.0 m。

河床地形采用2014年汛前地形。

3.3 孔洞运用方案

泄水孔洞运用方案为：关闭泄水排沙孔洞，按设计的水沙条件施放一定时间，当底孔前淤积面分别淤升至183.5 m或187.0 m高程时，开启排沙洞，检查底孔是否淤堵、观测孔洞通水情况。

3号排沙洞附近受风雨沟回流淤积影响，排沙洞前落淤比较严重；当打开排沙洞排沙时，应先打开3号排沙洞开始排沙，然后依次打开2号排沙洞和1号排沙洞进行排沙。

4 不同方案试验

由于3号排沙洞附近淤堵比较严重，试验过程中重点对其过流和拉沙情况进行测量。

4.1 淤沙高程183.5 m方案

4.1.1 试验过程

试验开始时来水全部通过发电引水洞，关闭其它泄水孔洞。当底孔前淤积面淤升至183.5 m时，按小开度(e=1.68 m，相对开度e/h= 0.27)短历时开启3号排沙洞工作闸门，观测底孔通水、排沙情况。

当3号排沙洞出流流量及含沙量基本稳定后，关闭3号排沙洞；然后在接下来的试验中按次序先后小开度开启和关闭2号排沙洞(e=0.26 m，相对开度e/h=0.04)、1号排沙洞(e=1.51 m，相对开度e/h=0.24)，观察拉沙过程，情形与3号排沙洞类似。

4.1.2 试验成果

试验过程中摄录采集了3号排沙洞泄流拉沙的出口流量过程和含沙量过程，结果如图2、图3所示。

由图2和图3可知，在工作闸门开启后，滞后较短时间后很快就有泄流，初始流量、含沙量均不高，但很快就出现控泄流量最大值332.8 m3/s，接着便出现高含沙泥流、含沙量最大值387.1 kg/m3；在控制排沙洞泄流量的条件下，经过一段时间，含沙量逐渐降低，趋于稳定。

图2 3号排沙洞流量过程线

图3 3号排沙洞含沙量过程线

根据放水后的地形测量，得到进水塔前在淤沙高程达到183.5 m后，试验前后进水塔前纵剖面的变化，如图4所示。从图4中可以看出，进水塔上游有大范围冲刷漏斗，进水塔前高程一般在177.5～178.5 m；上游500 m范围内高程一般在181.0～183.0 m。

试验前后进水塔前6 m(断面1)的地形的前后变化对比如图5所示。从图5也可以看出，各排沙洞前均有冲刷，冲刷后的床面高程一般在177.0～180.0 m之间。

综上，允许淤沙高程值183.5 m试验结果表明，进水塔前淤积面高程达183.5 m时，排沙洞集中泄流拉沙是起作用的。进水塔前的淤积高程达到183.5 m，且静止7 d后,当排沙洞开启闸门泄流拉沙时，淤沙没有淤堵闸门，仍能泄流拉沙。

图4 进水塔前试验前后纵坡变化

图5 进水塔前6 m(断面1)试验前后地形对比

4.2 淤沙高程187.0 m短历时拉沙方案

4.2.1 试验过程

淤沙高程183.5 m方案试验结束后，按设计水沙条件施放水流约5～6 d，底孔前淤积面淤升至187.0 m。静置7 d后，开展短历时拉沙试验。

试验开始，来水全部通过发电引水洞，关闭其它泄水孔洞。当底孔前淤积面淤升至187.0 m时，首先开启3号排沙洞，观测底孔淤堵或通水泄流、排沙情况；当排沙洞出流稳定后，关闭3号排沙洞。然后依次对2号、1号排沙洞进行上述试验。

4.2.2 试验成果

试验过程中，由于3号排沙洞附近受风雨沟回流影响淤堵比较严重，重点对3号排沙洞的出流过程与含沙量过程进行了观测，其过程线如图6、图7所示。3号排沙洞开启后，经短暂滞流，浑水从排沙洞排出，且迅速达到最大含沙量860 kg/m3，约80 min后孔口前基本形成冲刷漏斗，泄流含沙量稳定在10 kg/m3左右。

为了分析各个排沙洞的泄流拉沙后进水塔前河床变形的分布特征，将试验过程中实测地形数据与初始河床地形套绘成如图8和图9所示的河床纵剖面与横剖面变化图。从图8中可以看出，进水塔上游有冲刷漏斗，淤积面高程一般都在178.0～180.0 m。从进水塔前6 m(断面1)试验前后的地形也可以看出，各个排沙洞前均有冲刷，冲刷后的河床淤积面高程一般在178.0～180.0 m之间。由试验前后进水塔群前的河床纵剖面变化可以看出，试验后进水塔前210.0 m范围内冲刷，局部冲刷可达10.0 m。

综上，允许淤沙高程值187.0 m短历时拉沙试验，进水塔前淤沙高程达到187.0 m后开启排沙洞集中泄流拉沙是起作用的。进水塔前淤沙高程达到187.0 m，并静置7 d后，开启排沙洞闸门泄流拉沙，排沙洞没有淤堵。

图6 3号排沙洞流量过程线

图7 3号排沙洞含沙量过程线

图8 进水塔前试验前后河床纵剖面变化

图9 进水塔前6 m(断面1)试验前后河床地形对比

4.3 淤沙高程187.0 m持续拉沙方案

4.3.1 试验过程

持续拉沙试验过程为，3号排沙洞开闸拉沙达到稳定后，流量降低为200 m3/s后稳定泄流，持续拉沙；同时发电引水洞相应减少流量200 m3/s，维持坝区河道进出流平衡。然后下一排沙洞依次进行相同程序的试验，三个排沙洞全部开启拉沙、稳定泄流后，各泄流200 m3/s，发电洞则相应减少流量600 m3/s，稳定后又持续冲刷84 h后结束试验。

4.3.2 试验成果

试验过程中，3号排沙洞流量和含沙量过程线见图10、图11。3号排沙洞开启后，浑水从排沙洞口排出，之后达到最大含沙量630 kg/m3。

对持续拉沙试验前后进水塔前的地形进行了测量，纵剖面变化图如图12所示。由图12可以看出，试验后塔前250.0 m的范围内为冲刷状态，局部冲刷可达10.0 m。塔前10.0 m处，河底坡度最陡，塔前局部冲刷可至177.8 m。塔前10.0～110.0 m坡度稍缓。

与短历时拉沙试验相比，持续拉沙试验冲刷范围增大很多，进水塔前淤积的泥沙被基本冲刷干净，排沙洞集中泄流、持续拉沙的作用比短历时拉沙的冲刷效果好。

图10 3号排沙洞流量过程线

图11 3号排沙洞含沙量过程线

图12 小开度持续拉沙方案进水塔前试验前后纵坡变化

5 结 论

(1)根据小浪底坝区实体模型试验结果，当进水塔前淤积面高程达183.5 m或187.0 m时，开启排沙洞泄流拉沙均有效，泄水孔洞前均没有淤堵，排沙洞集中泄流拉沙是起作用的。

(2)根据实体模型试验结果，排沙洞集中泄流、持续拉沙比短历时拉沙的冲刷效果好。3号排沙洞附近受风雨沟回流淤积影响，排沙洞前淤积相对比较严重，应先从3号排沙洞开始排沙，然后依次是2号排沙洞与1号排沙洞排沙，达到的拉沙效果比较好。

(3)坝前水位210.0 m时，进水塔前淤沙高程达到183.5 m或187.0 m时，开启3号排沙洞后，经短暂滞后，泥流便可以从排沙洞口排出，且迅速达到最大含沙量，然后逐渐减小趋稳。

(4)当进水塔前淤积面高程达183.5 m或187.0 m时，开启排沙洞泄流拉沙均有效，泄水孔洞前均没有淤堵。根据金属结构设备安全运行条件，泄水孔洞前淤沙高程超过187.0 m时，闸门启闭将受影响。因此，经复核研究，小浪底水利枢纽泄水建筑物底孔前允许淤沙高程值仍可采用187.0 m。

[1] 黄河勘测规划设计有限公司.小浪底水利枢纽进水塔群前防淤堵研究报告[R].郑州：黄河勘测规划设计有限公司，2015.

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

[3] 孙东坡，郭选英，张羽，等.小浪底水利枢纽进水塔群前防淤堵动床浑水实体模型研发试验报告[R].郑州：华北水利水电大学，2015.

[4] 林秀山.黄河小浪底水利枢纽文集[M].郑州：黄河水利出版社，1997.

[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(8):53-59.

[7] 王庆明，安催花，林秀山，等.小浪底水利枢纽拦沙后期(第一阶段)运用调度规程[R].郑州：黄河勘测规划设计有限公司，2009.

Experimental research on allowable silt elevation values before intake tower in the Xiaolangdi hub

ZHANG Xin, WANG Erping,LU Kunming

(SchoolofWaterConservaney,NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450011,China)

The silt clogging before the intake tower in Xiaolangdi could affect the effectiveness and even affect the safe operation of the hub. When the silt exceeded the allowable height of the elevation values, no flow or no flow in short time could occur with the drainage hole opened. In this paper, we use the model test of normal muddy water mobile bed. Basing on the different research programs of the elevation values，we analyzed the time when the silt achieve the siltation elevation and the stream of the bottom outlet when the silt achieve the allowable height and the clogging time by each program. It could be concluded that the discharge structure's allowable elevation values of Xiaolangdi could be determined as 187m in the later stage.

Xiaolangdi；silt clogging；drainage holes；allowing silt elevation；normal model

国家自然科学基金(51579103)

张 欣(1989-)，男，硕士研究生，主要从事水力学及河流动力学方面的研究。E-mail：1397790132@qq.com

王二平(1960-)，男，教授，主要从事水力学及河流动力学教学与研究。E-mail：wangerping@ncwu.com

TV145

A

2096-0506(2015)06-0005-06