昌马渠首口门泥沙淤积计算方法及防治措施分析

陈海锋

（甘肃省疏勒河流域水资源局，甘肃 酒泉 735211）

环流易影响上部水体（具有含沙量小、级配较细特征）流动状态，不利于其高效进入引水渠；同时，具有含沙量大、级配较粗的下部水体会大批量汇聚至引水渠内，随着时间延长，在渠道口门出现淤积，严重时甚至导致渠道无法正常引水。因此，泥沙淤积的防控工作必须要落实到位。

1 工程概况

在昌马总干渠渠首枢纽工程中，渠首以上至昌马水库坝址处为昌马峡与渠首上游段。昌马峡为典型的“U”形河谷，河床底宽160～240 m，平均坡降8.9‰，受地形影响，水流流速较大，具有较显著的挟沙能力。根据昌马堡水文站数据，水流含沙量约3.66 kg/m3，易发生泥沙堆集现象。

昌马水库距总干渠渠首枢纽约14 km，河床质为冲洪积沙卵砾石。水流到达渠首枢纽后，经过拦河大坝拦截，会表现出流速变缓和水深显著增加趋势，造成泥沙因无法获得强有力的水流冲击作用而发生沉积，并持续聚集在渠首枢纽处，导致该区域的泥沙沉积量日益增多。

2 排沙现状概述

该地区每年6月下旬开始进入汛期。受降水量增加影响，水库下泄量会明显增多，在洪水大规模流动下，其携带泥沙量更丰富，大量堆积至渠首进水闸前。进水闸下侧修筑有高度为2.0 m的拦沙坎，会在沙石堆积量超过最大拦截高度时，让沙石涌入渠道内。

在日常运营中，相关部门要定期排沙，以达到减少沙石入渠量的效果。在排沙作业期间，水闸需维持在停水状态，否则与之相关联的设施无法正常运行，进而造成较大的经济损失，如下游电站发电进程受阻、灌溉引水工程暂停等。

导向拦沙坎具有拦截沙石的作用，可将其拦截在冲沙闸和泄洪闸2类装置的中间区域。最大拦截高度设定为3.0 m，正常引水水位为4.7 m，可有效降低进水闸引水流速，让大颗粒的沙石在水流的带动作用下到达拦沙坎，且不再继续向前移动，通过开启泄洪闸的方式将其排至下游河床。这样仅有部分细小泥沙会引入进水闸，有效地避免了沙石汇集至渠首进水闸前。为做好上述工作，需围绕引水渠道口门泥沙的淤积情况展开分析。

3 计算模型

引入一维非恒定流水沙数学模型，其所涵盖方程类型及公式为水流连续方程、水流运动方程、水流挟沙力公式：

式中：x为流程（m）；Q为流量（m3/s）；R为水力半径（m）；Z为水位（m）；B为河宽（m）；S为断面平均含沙量（kg/m3）；S*为水流挟沙力（kg/m3）；A为过水断面面积（m2）；t为时间（s）；n为糙率系数；g为重力加速度（m/s2）；k，m为挟沙力系数和指数；u3为泥沙压力（kN）。

4 关键参数的选择

4.1 糙率系数

糙率系数是一项综合参数，其表征的是河道边界粗糙程度、含沙量等。其取值大小会直接对水力计算结果的可靠性产生显著影响，且进一步影响到含沙量的计算结果。若取值不当，则会对后续的计算与分析带来错误的引导。由于渠道以混凝土为施工材料制作成型，可重点考虑混凝土的糙率特性，具体取值有0.016、0.019、0.023，分别根据各系数取值展开计算。

4.2 非均匀沙水流挟沙力系数

综合采用物理试验与数值计算方法，取玻璃水槽试验装置展开试验。经测定与分析后确定挟沙力系数，根据泥沙粒径比尺要求配制，得到模型用沙。经过一系列试验后，可确定具体取值，即挟沙力系数k取0.10、指数m取0.92。

4.3 泥沙恢复饱和系数

在悬移质不平衡输沙条件下，可以利用恢复饱和系数反映含沙量向水流挟沙力靠近过程中所具有的恢复速度。该值取决于来水来沙条件、河床边界等，具有复杂性。本次分析考虑2种条件，暂定淤积时α为0.25、冲刷时为1.0。

4.4 分沙模式

秦文凯等人对既有分沙模式作出改进并兼顾引水体等专业知识，提出分沙比计算公式：

式中：η为分流比；A0是与相对引水深有关的函数；C1为谢才系数；H为主河道水深（m）；b0为有效引水宽度（m）；θ为分流角（0）；E0=（E1+E2）/A0，E1、E2为相对水深（m）。

通过该模式所得结果可以较为精准地呈现出不同水沙特性下所产生的分沙比结果。

5 计算结果分析

渠道断面呈梯形，进口渠底高程100 m，出口渠底高程95.85 m，渠道长980 m，底宽8 m，内坡1∶1.5，渠底纵比降1/230。考虑到存在输水渗漏损失问题，为了最大限度降低损失量，全断面衬砌混凝土，厚度为0.1 m。引水渠取水口口门的剖面结构，如图1所示。

图1 引水渠取水口口门剖面

考虑第5年、第10年、第15年及第20年4项条件，计算引水渠的泥沙淤积量，分别确定淤积沿程分布的具体情况，如图2—3所示。

图2 计算渠道的淤积沿程分布

图3 计算渠道进水口处的淤积沿程分布

由图2—3可知，在当前计算水沙条件下，随着时间延长，渠道最大淤积厚度逐步增加，分别为第5年0.75 m、第10年1.19 m、第15年1.56 m、第20年1.74 m。从淤积发展速度来看，随时间延长而逐步放缓。但相较于历史阶段而言淤积量依然增加，所产生的淤积体具有向下游推进趋势，该结果与水沙运动规律具有高度的一致性。

此外，渠道淤积最厚的部分并非发生于口门最前端，而是与之具有特定距离。这表明淤积的发展并非仅停留在单向层面，而是具有复杂的冲淤相互交替特性。究其原因，这是来水条件中的大水年起到了主导作用。渠道在前期形成淤积体后，遇大水年时出现明显冲刷。据此，要解决引水渠泥沙淤积问题，突破口在于创造合适的冲刷时机，并以合理的方式最大限度缩短淤积时段。

采取上述糙率系数取值，分别展开计算，通过对比分析后发现：在糙率系数增加的条件下，渠道口门的淤积厚度呈现增加趋势。至第20年时，糙率为0.016、0.019和0.023时，所对应的最大淤积厚度分别为1.74、1.90和2.06 m。出现此现象原因在于糙率有所增加，其阻水作用愈发显著，水深加大，流速降低，水流挟沙力削弱，从而出现大范围的淤积。

6 引水渠道口门泥沙淤积的解决措施

七八月份洪水比较大，可采取水力清淤排沙方式，关闭进水闸，昌马水库下泄流量达到400 m3/s时进行排沙，闸前沙石可清理90%以上。

6.1 具体步骤

采取“听、看、查”减少了泥沙入渠，保证了灌区的正常灌溉。

（1）利用8、20时，每天2次组织对进水闸前后的沙石进行测量登记。

（2）利用耳听、眼看，通过进水闸拦污栅沙石入渠的碰撞声音判断进沙石多少。

（3）进水闸前沙石若高过拦沙坎20 cm后，及时上报信息，确定是否排沙。

（4）若水库下泄量在150 m3/s以内，则沙石很少进入进水闸。

（5）水库下泄量200～300 m3/s时，若持续时间长，则河道沙石推移质速度加快，以1～3 m/d速度推移到进水闸前。若不安排排沙，冲沙闸第2、3孔闸门不启闸，只启动第1孔闸门，启闸20、25 cm来调控闸前水位，多余流量从第7孔泄洪闸排出。

（6）6、7、8月是灌区引水灌溉高峰期，进水闸引水55～65 m3/s，若要排沙会影响灌区农作物灌溉及各级电站发电。若沙石进入进水闸，总干渠桩号0+100处有二次排沙闸排出一部分，还可从桩号0+980处的第一排沙道排出沙石，不会发生沙石进入渠道情况。

6.2 具体措施

（1）通过壅高水位缓流引水，让沙石沉淀在距昌马渠首进水闸较远位置，以此减少闸前沙石堆积量。

（2）正面排沙和侧向引水相结合，由于泄洪闸距进水闸较远，开启泄洪闸可以让部分沙石沉淀在距进水闸较远的地方。

（3）定期停水排沙，但会对经济效益有影响。

（4）一旦少量沙石进入，可以通过二次排沙闸拦截排出或第一排沙道排出。

7 结语

引入一维非恒定流水沙数学模型，对引水渠道口门泥沙淤泥量进行计算与分析。结果表明，该模型结果与实际情况具有高度的一致性，所提措施可用于渠道口门引水防沙设计，同时可以为类似工程提供借鉴。