某水库排沙孔调度对坝前冲刷漏斗影响的试验研究

2021-06-08张文全

水利科技与经济 2021年5期

张文全

(聊城市河道工程管理处，山东聊城 252000)

1 研究背景

某水库是一座以灌溉为主，兼具发电和防洪功能的综合性水利枢纽工程。水库由主坝、副坝、溢洪道以及发电洞组成。水库大坝为混凝土重力坝设计，坝顶高程795 m，坝轴线长510 m，正常蓄水位为786.5 m，总库容为6.07×108m3，兴利库容为4.77×108m3。按照工程设计，水库的最大引水流量为125.4 m3/s，灌溉面积为20.666 7×104hm2，防洪保护面积为8.666 7×104hm2，发电装机容量为2.6×104kW。该水库位于我国西北水土流失较为严重的地区，夏季洪水时段河流的含沙量较高，因此给水库带来比较严重的淤积问题，并对水库的正常运行和效益发挥造成显著的不利影响。

水库坝前冲刷漏斗的形成和发展过程与泄洪排沙孔前的水沙运动特征之间具有十分密切的关系，其形态和规模不仅可以反映排沙效果，同时对大坝坝前的水沙分布也存在重要的反作用[1]。对水库坝前冲刷漏斗的研究始于上世纪中期的苏联，此后印度、伊朗等诸多国家对其结构优化进行了研究[2]。在国内，新疆的迪那河总干渠首次利用其进行库区排沙，并取得显著的工程效果[3]。在坝前冲刷漏斗的研究方面，进行数值模拟研究需要其他手段的有效辅助和印证，而原型观测不仅受到多种因素的影响，同时还会耗费大量的观测时间和资金。因此，模型试验仍然是坝前冲刷漏斗研究的有益方式[4]。基于此，本文以该水库为例，利用模型试验的方式，展开排沙孔调度对坝前冲刷漏斗影响的相关研究，为工程调度运行提供必要的参考。

2 试验设计

2.1 模型设计

本次试验的水工模型按照重力相似性准则进行设计，根据试验目的和工程实际情况，模型的几何比尺选定为1∶100、流量比尺为1∶100 000、流速比尺为1∶10、时间比尺为1∶10、糙率比尺为1∶1.85。结合该水库上下游的河势情况确定模型的模拟范围，其中上游至坝轴线以上1 450 m，库区的地形为定床设计，地形的高程模拟至730 m。模型的下游模拟至坝轴线下300 m，地形高程模拟至710 m。

2.2 模型的制作

在模型制作过程中，主要以断面板法进行，同时以等高线法予以配合[5]。在模型的底部进行块石和河沙混合料的填筑，表层利用水泥砂浆抹面硬化，模型中的大坝、4个排沙泄洪深孔、2个非常排沙孔、电站的引水进口以及发电引水洞等主要建筑物利用聚乙烯板制作。为了更好模拟坝前冲刷情况，坝前及下游河道铺设模型沙，其厚度为0.2～0.3 m，对应实际深度约20～30 m。在模型的制作过程中，严格控制精度，确保模型的制作误差小于0.5 cm，高程误差小于1 mm，以保证模型的几何相似性要求[6]。模型制作完毕后，利用2015年5月的流速实测资料进行模型验证。结果显示，模型的实测流速和原型值之间的误差在10%以内，说明制作的模型和水库原型基本相似，可以用于后续研究。

为了保证试验的顺利进行，为模型试验配备比较先进的自动控制和测量系统[7]。其中，试验的物理模型主要由水循环系统、地下水库、地表水库、库区和建筑物模型、加沙搅拌系统、沉沙池以及自动供水系统构成。测量系统主要包括远程地形自动测量系统、泥沙测量系统以及远程自动水位和流速测量系统[8]。所有测量获取的数据均实时存入中控电脑，以便通过科学的对比分析，获得研究结论。

2.3 试验工况

为了研究不同排沙孔洞调度情况对水库大坝坝前冲刷情况的影响，研究中选取库区典型年月均径流量和含沙量数据，作为试验的水沙条件。经过比尺换算，确定6和3 L/s两种不同的入库流量以及96 kg/m3的入库含沙量，结合不同的调度方式，设计出的试验方案[9-11]见表1。

表1 试验方案设计表

3 试验结果与分析

3.1 出库流量影响的试验结果与分析

根据试验中获取的数据，绘制工况1和工况2条件下的大坝坝前冲刷漏斗部位的高程等值线图，结果见图1和图2。上述两工况的其余条件全部相同，仅出库流量不同。在工况1的条件下，坝前冲刷漏斗的左岸和右岸的横向坡度分别为1∶1.85和1∶2.16，纵向坡度为1∶2.20，水库电站引水口部位的淤积高程为754 cm。在工况2的条件下，坝前冲刷漏斗的左岸和右岸的横向坡度分别为1∶1.91和1∶2.23，纵向坡度为1∶2.33，水库电站引水口部位的淤积高程为744 cm。由此可见，在工况2条件下，坝前冲刷漏斗的坡度相对较缓。另一方面，由于电站引水洞进水口的高程为754，因此工况1条件下容易导致该部位的淤堵，对发电引水造成不利影响，而工况2条件下则不存在上述问题。究其原因，主要是随着水库泄流量的增大，泄流水流的流速也明显增加，使水流具有更为充足的拉沙能力，因此河槽的冲刷幅度也明显增加，因此造成工况2冲刷漏斗的纵向坡度较缓，漏斗的排沙范围明显增大，因此电站引水洞进水口前的泥沙淤积高程也明显降低。总之，在条件允许的情况下，采用较大的泄洪流量不仅有利于排沙增加兴利库容，同时也有利于电站引水洞进口的淤积安全[12]。

图1 工况1冲刷漏斗高程等值线图

图2 工况2冲刷漏斗高程等值线图

3.2 开启方式影响的试验结果与分析

根据试验中获取的数据，绘制出工况2、工况3和工况4条件下的大坝坝前冲刷漏斗部位的高程等值线图。其中，工况3和工况4 的高程等值线图见图3和图4。

图3 工况3冲刷漏斗高程等值线图

图4 工况4冲刷漏斗高程等值线图

上述3个工况的其余条件全部相同，仅排沙孔的开启方式不同。在工况2的条件下，坝前冲刷漏斗的左岸和右岸的横向坡度分别为1∶1.91和1∶2.23，纵向坡度为1∶2.33，水库电站引水口部位的淤积高程为744 cm。在工况3的条件下，坝前冲刷漏斗的左岸和右岸的横向坡度分别为1∶2.06和1∶2.39，纵向坡度为1∶2.41，水库电站引水口部位的淤积高程为749 cm。在工况4的条件下，坝前冲刷漏斗的左岸和右岸的横向坡度分别为1∶2.07和1∶2.10，纵向坡度为1∶2.40，水库电站引水口部位的淤积高程为754 cm。由此可见，在工况2条件下，电站引水洞进水口部位不会发生淤堵，而其余两种工况均会发生淤堵。究其原因，主要是工况2条件下的坝前冲刷漏斗比较靠近左岸，其保护范围可以涵盖进水口，而其余两个工况的冲刷漏斗比较靠近右岸，保护范围难以覆盖到该部位。同时，鉴于工况3和工况4的冲刷漏斗坡度较缓以及水库上游来水的携沙量较大，因此开启两个排沙孔可以取得更好的排沙效果，对增加兴利库容比较有利[13-14]。

3.3 运行水位影响的试验结果与分析

根据试验中获取的数据，绘制出工况2和工况5条件下的大坝坝前冲刷漏斗部位的高程等值线图。其中，工况5的高程等值线图见图5。

图5 工况5冲刷漏斗高程等值线图

上述两个工况的其余条件全部相同，仅水库的运行不同。在工况2的条件下，坝前冲刷漏斗的左岸和右岸的横向坡度分别为1∶1.91和1∶2.23，纵向坡度为1∶2.33，水库电站引水口部位的淤积高程为744 cm。在工况5的条件下，坝前冲刷漏斗的左岸和右岸的横向坡度分别为1∶1.91和1∶1.99，纵向坡度为1∶2.20，水库电站引水口部位的淤积高程为749 cm。由此可见，工况5条件下的坝前冲刷漏斗坡度较工况2陡，电站引水洞进水口也存在淤堵问题。究其原因，主要是运行水位较高时，坝前水流的先扩散后收缩程度较小，因此上游的冲刷距离也会缩短。由此可见，在条件允许的情况下，降低运行水位排沙可以获得更好的排沙效果[15]。