一种水库导流排沙新方案的模型试验研究

康 锋，申增云，陶春洁

(河南省豫北水利勘测设计院，河南 安阳 455000)

一种水库导流排沙新方案的模型试验研究

康 锋，申增云，陶春洁

(河南省豫北水利勘测设计院，河南 安阳 455000)

我国水库泥沙淤积十分严重，水利工作者在水库排沙研究方面取得了许多骄人的成绩，但在小流量排沙方面研究较少。采用水工动床模型试验,通过对不同流量导流排沙效果的分析，证明小流量采用导流排沙方案的优势，为水库发生小流量时进行排沙提供了新思路，也为水库排沙提供了新方案。通过是否设导流墙的排沙试验分析，证明导流排沙及其它流量排沙时水深对冲沙的影响，并提出最佳冲刷时水深应<1 m；同时，通过对不同排沙流量的对比，提出了当发生不同流量时采用不同的排沙手段，可以达到最优的排沙效果。该模型试验研究成果为今后水库综合运用排沙方案提供了新思路，也为类似工程的实施提供了技术参考。

水库淤积；模型试验；导流排沙；流速分布；水面线

1 研究背景

我国修建了许多大中小型水库,这些工程在防洪、发电、灌溉、供水等方面起到了重大作用。由于我国许多河流属于含沙量高、输沙量大的多泥沙河流，水库建成蓄水后，水库泥沙淤积问题异常严重[1]。水库淤积阻碍水库功能正常发挥，水库淤积量的增加还会危及工农业设施甚至枢纽本身的安全,因此人们对水库淤积问题十分重视。

由于水库运行中的工程泥沙问题，往往使已建成的水库大大缩短了其使用寿命。为了延长水库的使用寿命，使水库工程充分发挥其作用，研究者对水库不同的淤沙类型采取不同的排沙方法。对于大型水库，采取控制汛期防洪限制水位来进行排沙调度，控制水库有效库容的年损失率[2]。对于高淤积水库采取泄空冲刷，选好泄空时机，分阶段降低水位，控制出流量来控制排沙[3]。对于地形陡峭的库区，在回水末端修建的拦沙堰阻止了泥沙淤积上延，采取滞洪排沙、调水调沙运用来减少淤积[4]。对于入库高含沙量的水库采用异重流排沙，如冯家山水库取得了良好的排沙效果[5]。对于高淤积且入库含沙量大的水库，采取洪水入库壅水明流排沙，如三门峡水库雍水排沙达到黄河调水调沙调控指标要求[6]。对于水库横向淤积较高的水库，采用高渠泄水冲滩及管道拉淤水库横向冲蚀技术[7]。对于中、小型水库，有人设计和布置了自吸式管道排沙系统,该系统是利用水库水位差将库内泥沙排出库外[8]。

目前，研究河流泥沙问题的手段很多，包括野外观测、理论分析、河工模型试验以及现今广泛应用的数学模拟[9]。本文通过泥沙模型试验，提出了一种水闸前导流排沙的新型排沙方案。

2 工程概况

呼图壁河发源于天山北坡，是一条顺坡发育的多泥沙山溪性河流，多年平均径流量为2.39亿m3，输沙量为87.8万t[7]。呼图壁河青年渠首工程位于新疆呼图壁河中游出山口处，青年渠首已经年久失修，青年渠首下游段泥沙淤积比较严重，已经不能满足正常的引水、灌溉要求。为了满足该区域内引水、灌溉等要求，对青年渠首段进行改造，拆除原青年渠首，在此处修建泄洪冲沙闸，防止泥沙在库内大量淤积[10]。泄洪冲沙闸上游右岸修建溢流堰，通过溢流堰将清水引入水库中，再通过引水渠进行引水、灌溉。

泄洪冲沙闸用来拦截推移质和一部分悬移质泥沙，并将其排到下游。溢流堰用来控制少量悬移质泥沙进入库中，从而为引水发电创造有利条件。溢流堰堰顶高程778.45 m，设计堰上水头1 m、过水宽度45 m，设计流量95 m3/s。为了水库引水、发电的使用，库内正常高水位与堰顶高程齐平，库内正常高水位时库容为397万m3。泄洪冲沙闸孔口宽6 m，共6孔(从左岸向右岸编号，依次为1#，2#，3#，4#，5#，6#)。

3 模型方案及结果分析

3.1 模型试验概况

模型设计所依据的相似条件包括水流重力相似、阻力相似、挟沙相似、泥沙悬移相似、河床变形相似、泥沙起动及扬动相似[11]。如果模型和原型2个液流系统的同名物理量在所有相应点上都具有同一比例关系，则这2个流动为相似流动。保持流动相似要求模型与原型之间具有几何相似、运动相似和动力相似，模型和原型的初始条件和边界条件也应保持相似。

为了试验冲沙闸冲沙效果，对规划中的水库系统进行了动床模型试验，采用正态模型。因本试验液流的主要作用力是重力，因此根据重力相似准则导出各比例尺关系如下：λQ=λL2.5,λv=λL0.5,λt=λL0.5。其中λL为长度比尺，λQ为流量比尺，λv为流速比尺，λt为时间比尺[12]。因为本试验为动床泥沙模型试验，因而还应满足阻力、挟沙、泥沙悬移、泥沙起动及扬动相似，这要求我们在选择模型沙时应做选沙试验。通过试验比较，模型沙选配3种材料：较小悬移质泥沙采用粒径较小的粉土，较大粒径的悬移质泥沙采用沙漠沙，推移质泥沙采用市场上购买的一般粗沙。根据泥沙运动理论，以及运行多年后泥沙淤积情况分析，悬移质泥沙一般淤积在冲沙闸进口段，推移质一般淤积在河道上游段。我们对冲沙闸上游分为2段根据现状地形铺沙，铺沙高程774 m，离冲沙闸较近段按照悬移质与推移质1∶3进行配比铺沙，离冲沙闸较远段按照悬移质与推移质1∶7进行配比铺沙。排沙导流墙采用钢板插入河底进行模拟。

本次模型试验采用长度比尺为85，则流量比尺为66 611，流速比尺为9.22，时间比尺为9.22。流量的测量采用三角形量水堰，流速测量采用LGY-Ⅲ型智能流速仪，水位的测量采用水准仪和钢板尺。模型试验过程按照《河工模型试验规程》[12]进行，对冲沙闸通过不同流量及不同方案时的冲沙情况进行整理和分析，同时观测各典型流量下的水面线和流速分布。

3.2 冲沙试验比较分析

3.2.1 流速分布

影响水流流态的因素很多，如流速、水位、几何边界条件等诸多因素[13]。本次冲沙试验采用2种冲沙方案：一种是在5#，6#闸门中间建一道导流墙，仅开启6#闸门进行导流排沙；另一种是不设置导墙且开启4#，5#，6#闸门进行排沙。模型试验制作的模型边界条件变动很小，为了研究方便，我们将影响冲沙起关键作用的流速及水面线沿程变化作为主要的研究对象。开启6#闸门利用导流墙冲刷时的流速分布如图1所示。其中D0为泄洪冲沙闸入口测段编号，上游模型除特征测段编号D1外，其余测段编号D2—D7均为每隔1 m设置一个，D-1为冲沙闸出口处测段编号。

注：自下往上分别为坝墙处、离坝墙1 m处、较远处的流速，下同。

图1(a)为日均流量为30 m3/s时，仅开启6#闸门进行导流排沙试验的流速分布。流量为30 m3/s时，当6#闸门开启后，水流顺着导流墙进入6#闸门，从图1(a)可以看出水流流速从远处到导流墙前近似为矩形分布，流速变化不大。

图1(a)中，水流进入导流墙后束窄成更小的矩形断面，由于导墙的束窄作用，水流流速陡然增大，水流中间流速达到2.5 m/s，水流两侧流速达到2.0 m/s。由于流速增大及局部形成紊流漩涡的影响，水流对导墙段河底泥沙产生强烈的冲刷。此时水流流速已经达到了闸前沉积泥沙的启动流速，使得导流墙内的河底沉积泥沙大块剥离，随水流从6#闸门排出。由于6#闸门后测得流速达到4 m/s以上，因而泥沙随着高速水流将泥沙输送到远离闸的下游，避免了冲刷闸下游的淤积。随着6#闸前沉积泥沙的大片剥离，给闸前的溯源冲刷创造了条件，溯源冲刷从6#闸门前开始，沿着导流墙不断向上产生冲刷，最后溯源冲刷上延至导流墙入口，而且继续向上游呈扩散形发展，冲刷量不断增加，在6#闸前形成一个冲刷漏斗。

图1(b)为1 a一遇流量80 m3/s时，仅开启6#闸门进行导流排沙试验的流速分布。当6#闸门开启后，水流顺着导流墙进入6#闸门，从图1(b)中可以看出水流流速从远处到导流墙前近似为倒梯形分布，流速变化不大，左侧水流流速有减缓的趋势。发生上述现象是由于单孔过流相对较大，水流进入导流墙后束窄成更小的矩形断面。虽然流速增大，但束窄处产生雍水，水位相对较高，因而对导墙段河底泥沙没能产生强烈的冲刷。但由于流速已经达到了泥沙启动流速，部分河底泥沙被带出水库，但是不能在河底产生向上游的溯源冲刷，所以排沙量较小，没能使堰前泥沙得到彻底的降低。当流量为80 m3/s时，如果仍采用单孔导流排沙的方法进行堰前清淤排沙，收效甚微，而且水量损失较大。当然，采取这个流量进行单孔排沙时，由于6#闸门后测得流速达到4.5 m/s以上，因而泥沙随着高速水流被输送到远离闸的下游，也不会形成冲刷闸下游的淤积。

从图1可以看出流量80 m3/s时闸前进入导墙后的流速还没有流量30 m3/s时流速大，进口前缘2个流速一样。虽然过了堰流堰段后，流量80 m3/s的流速已经增加上来而且超过了流量30 m3/s的流速，但实际上并没有流量30 m3/s时的冲沙效果好。

图2为1 a一遇流量80 m3/s时，不设置导墙且开启4#，5#，6#孔闸门进行排沙试验时流速分布。

图2 流量80 m3/s未加导墙时流速分布Fig.2 Velocity profile in the absence of guide wall at flow rate of 80 m3/s

从图2中可以看出水流流速从远处到D3处流速变化不大，流速从D2到闸前陡然增大，为闸前溯源冲刷创造了条件。当采用流量80 m3/s进行冲沙时，开启3孔可以取得很好的冲沙效果。

通过导流排沙方案的比较分析，可以看出当来流量较小时，也可以通过工程措施来排出溢流堰前沉积的泥沙。当有较大流量(1 a一遇流量)发生时，可以采取开启多孔来控制冲沙效果。对不同流量采取不同的冲沙方案，可以有效地控制堰前泥沙的淤积。溢流堰前由于经常引水，所以经常会沉积大量的悬移质泥沙，由于泥沙的不断沉积，使得堰前地面高程抬高，导致大部分悬移质泥沙随水流一同进入库内，给水库今后的淤积造成隐患，同时也对水库引水发电产生不利影响，因此通过适时小流量排沙来降低堰前泥沙高程十分必要。同时小流量排沙形成的排沙漏斗，也为大水排出上游更多推移质泥沙创造了条件。试验排沙量成果见表1。

表1 各工况下的排沙量Table 1 Amounts of sand discharge under various conditions

从表1中可以看出，流量30 m3/s时设置排沙导墙的排沙量已经接近流量80 m3/s不设置排沙导墙的排沙量。但是当采用1 a一遇流量排沙时，采用单孔导墙排沙，排沙量却很少，还小于流量30 m3/s加导墙的排沙量。说明小流量冲沙时导流墙的排沙作用非常明显。

3.2.2 水面线

为了更清晰地了解新型的冲沙方案与传统的冲沙方案的差别，我们将各方案的河底泥沙淤积线及水面线情况绘制出图形进行比较，如图3所示。

由图3(a)和图3(b)水面线可以看出，流量为30 m3/s时，左岸水面线有明显的跌落，说明此时冲刷强度比较大，也说明冲刷是从闸前50 m左右开始，才能形成有效的冲刷，也是所谓的形成冲刷漏斗。从图 3(a)中可以看出，水面线在过了D1后急剧下降，水面线深度在闸前50 m左右已经开始低于1 m，且越接近闸前水深越浅。低水位水流对固结在河底的泥沙产生强烈的冲刷，大量泥沙启动并排出库外。而从图3(b)中可以看出，水面线在接近闸孔处依然较平缓，且水面线深度均>1 m。高水位水流对闸前固结泥沙没能产生剥离作用，排沙效果甚微。虽然流量为80 m3/s时，在临近冲沙闸出口流速增大，冲刷能力增强，但是带走的泥沙也只是部分悬移质泥沙，对推移质泥沙甚至固结在河底的泥沙没能产生足够的冲蚀能力。闸孔中间加导墙时，在小流量下，可以开启单孔进行推移质拉沙，这样拉沙量较大。

当发生1 a一遇流量80 m3/s时，不设置排沙导墙，采取开启4#，5#，6#3孔闸门排沙，水面线如图3(c)所示。可以看出，此时的排沙效果也比较明显。水面线在过了D3后急剧下降，水面线深度在闸前50 m左右已经开始低于1 m，且越接近闸前水深越浅。低水位水流对固结在闸前的泥沙产生强烈的冲刷，泥沙大量启动。流量为80 m3/s时在闸前产生了溯源冲刷，形成了大的冲沙漏斗，使得堰前泥沙得到了有效降低。

图3 各方案水面线Fig.3 Water surface profiles

从以上3种情况的水面线比较可以发现，当水深≤1 m时，水流才对固结在河底的泥沙产生强烈冲刷，因而通过此次试验，确定是否造成小流量泥沙大量启动的判断条件为水深H<1 m。从流速上看，要达到泥沙启动流速，启动流速要根据泥沙淤积长短及泥沙组成等多因素确定。从单宽流量上考虑，由表1可知，通过试验认为单宽流量5 m2/s左右的流量为最佳冲沙流量，单宽流量过大时的冲沙效果反而不佳。通过导墙引流冲刷这种新型冲沙方案可以形成小流量的溯源冲刷，形成冲刷漏斗。其实在发生1 a一遇流量时，采用导墙式向内库引水比较好，因为水流在导墙段发生雍水，流速减缓，悬移质泥沙进入库内几率变小。因此，认为采用流量80 m3/s时冲沙效果不明显，但排沙引流效果很好。而采用流量30 m3/s时，冲沙效果是比较明显的，所以发生日均流量时可以通过导流排沙方案进行排沙。

4 结 语

本文通过导流墙排沙试验证明了采用小流量加导流冲刷措施后，同样可以达到大流量的冲刷效果。为水库排沙提供了新思路，同时也为类似工程的设计提供了技术参考。在今后的水库及水闸排沙过程中，应注意排沙流量及水位的变化，根据排沙和引水的需要，对不同流量情况下采取不同的排沙手段。一方面当发生1 a一遇流量时，可采取开启不同闸孔数来控制单宽流量，从而获得较强的排沙效果；另一方面当发生日均小流量时，为了引水需要，也应配合工程措施(如导流排沙)进行排沙。总之，只有通过不断的实践和试验才能发现更多的排沙方法和途径。

[1] 韩其为，杨小庆.我国水库泥沙淤积研究综述[J].中国水利水电科学研究院学报，2003，1(3)： 169-178.

[2] 潘庆燊.关于三峡水库排沙调度的建议[J].长江科学院院报，2015，32(12)：1-7.

[3] 康 锋，孔繁新，许杰庭，等.头屯河水库泄空冲刷研究[J].人民黄河，2009，31(12)：36-37.

[4] 焦恩泽，张 清，刘 燕.闹德海水库运用与防淤[J].人民黄河，2012，34(9)：26-29.

[5] 杨晓红.冯家山水库淤积及异重流排沙技术[J].大坝与安全，2014，(3)：12-14.

[6] 张翠萍，蔡蓉蓉，张 超，等.三门峡水库壅水明流排沙特性分析[J].人民黄河，2013，35(12)：19-20，23.

[7]康 锋，侍克斌，陶春洁.水库横向冲蚀的初步研究[J].长江科学院院报，2010，27(5)：1-3.

[8] 陈成林.管道水力输送在大库盘水库排沙清淤中的应用研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2012.

[9] 白玉川，顾元棪，邢焕政.水流泥沙水质数学模型理论及应用[M].天津：天津大学出版社，2005.

[10]赵经华，侍克斌，顾嘉俊.呼图壁河青年渠首工程整体水工模型试验研究[J].人民长江，2009，13(7)：43-44，68.

[11]张红武，江恩惠，白咏梅，等.黄河高含沙洪水模型的相似律[M].郑州：河南科学技术出版社，1994.

[12]SL 99—95，河工模型试验规程[S].北京：中国水利水电出版社，1995.

[13]陶春洁，赵海波，康 锋.水库排沙影响因素的初步研究[J].中国农村水利水电，2010，(12)：63-65.

(编辑：罗 娟)

Model Test on a Novel Scheme of Reservoir Desilting with Guide Wall

KANG Feng，SHEN Zeng-yun，TAO Chun-jie

(Water Conservancy Survey and Design Institute of North Henan, Anyang 455000, China)

As reservoir sedimentation is very serious in China, remarkable achievements have been made in the study of reservoir desilting, but few are about the desilting under small flow. In this article, hydraulic model test with movable bed was carried out and a scheme of desilting in the presence of guide wall was proposed. Guide wall is proved advantageous in desilting under small flow rate through analyzing the desilting effect in the presence of guide wall under different flow rates. Moreover, desilting tests in the presence and in the absence of guide wall under different flow rates suggest that water depth is influential in the scour effect, and the water depth should be less than 1m to achieve the optimal result. Under large flow rate, guide wall is not as effective as that in small flow rate; hence different measures should be taken in different conditions. This research provides a new idea for reservoir desilting both under small flow and comprehensive conditions.

reservoir sedimentation; model test; desilting with guide wall; velocity distribution; water surface profiles

2016-01-25；

2016-03-12

新疆维吾尔自治区水利水电工程重点学科资助项目(XJZDXK-2002-10-05)

康 锋(1982-)，男，河南安阳人，工程师，硕士，主要从事水利水电工程设计、施工理论及方案优选研究，(电话)15294706216(电子信箱)kangfeng2128@163.com。

10.11988/ckyyb.20160081

2017,34(4):1-4,14

TV145

A

1001-5485(2017)04-0001-04