淺談壩前沖刷漏斗在緬甸某電站工程上的應用

秦根泉 董成焱

（江西省水利規劃設計院 南昌 330029）

1 研究背景

水庫泥沙淤積問題是水庫建設及運行的難題。由于壩上游庫區的泥沙淤積，不僅會減小興利庫容，還會加大電站引水的含沙量，造成水輪機和過流建筑物的磨損，影響機組壽命。解決泥沙淤積的措施分為工程措施和運行管理措施。目前，工程措施主要采用孔口排沙的型式解決泥沙淤積問題，如三峽、小浪底等工程[5][6]。

孔口排沙的泥沙運動規律可以從泥沙力學特性和運動規律的微觀角度進行分析：當水電站排沙孔開啟后，孔底以上鄰近孔口處的泥沙首先被沖走，產生孔高方向的水流通道，此時淤積泥沙的坡度遠大于其水下休止角，于是泥沙發生滑塌，漏斗在平面上迅速展開；同時，水流的作用力使鄰近孔口處發生向孔底以下的淘刷，開始時滑塌速度比淘刷速度大很多，隨著漏斗坡度的迅速變緩，滑塌與淘刷均降低，最終趨于穩定，即我們通常說的沖刷漏斗[4]。

孔口排沙常采用泄洪底孔兼作排沙洞的形式，底孔可以控制住泥沙的主流，排走大量泥沙，并可結合水庫泄洪進行排沙，充分利用棄水，節省興利庫容。但如果它的沖刷漏斗半徑延伸不到機組進水口段，就不能解決進口淤堵和門前清的問題。所以壩前沖刷漏斗形態,是多沙河流上水庫設計的主要參數之一，準確地模擬和預測不同運行方案下壩前漏斗的形態特征,對經濟合理地布設底孔高程、孔口尺寸及布設方式等具有重要的指導意義,對水庫的調水調沙具有重要的應用價值。

現有沖刷漏斗的研究包括原型觀測、模型試驗、理論分析和數值模擬四個方面。而影響沖刷漏斗橫縱坡度的因素很多，包括孔口規模、孔口前水深、孔口泄流能力，淤積物力學特性，水庫的運行方式，流量大小等。其中影響最大的兩個因素是壩前水深和孔口的相對高度。關于沖刷漏斗的研究，雖然研究角度多種多樣，但對于水庫沖刷漏斗形態的預測以及排沙孔布置方案的優選，主要還是以模型試驗為主。

緬甸某水電站項目[1]位于緬甸東北克欽邦（Kachin）境內緊鄰中緬邊境的太平（Dapein）江上，是中國與緬甸電力合作開發的一水電站工程。水電站由大壩、電站進水口、引水發電系統等部分組成。庫區長約2.1km，庫容很小，為單一發電工程，電站總裝機容量24萬kW，采用混凝土閘壩，壩軸線長204m，最大壩高45.50m[2]。

工程河段河道束窄，水流湍急，落差集中，水力資源豐富。流域河道漂浮物較多。該電站壩址多年平均懸移質輸沙量為361萬t，泥沙主要集中于汛期的6～10月，占年輸沙量的90.01%。庫區河段平均糙率n＝0.05。

設計采用泄洪底孔和導流隧洞[3]兼作排沙通道進行排沙，以期達到電站進口門前清的要求。沖沙底孔孔底高程225.00m，電站進水口在泄洪沖沙底孔的右岸上游約50m處，底板高程232.00m，沖沙導流洞進口位于大壩左岸上游約70m處，孔底高程225.00m，工程布置詳見圖1。

2 模型試驗

該工程的模型試驗河段屬于山區河道，邊界條件極為復雜，水流受邊界條件影響較大，水流三度性極強。因此模型需滿足水流運動、幾何相似和泥沙運動相似三方面的要求。

圖1 工程布置圖

2.1 模型設計相似比尺計算

a.幾何相似。水工泥沙模型采用的是正態、動床模型，幾何比尺取λ1=60。

b.水流運動相似：

按原型糙率0.05計，要求模型糙率約為0.025。通過加糙及精化模型地形可以基本保證原型與模型的阻力是相似的。對于水工結構模型按原型糙率0.016計，要求模型糙率約為0.008，采用全有機玻璃制作，其糙率略大。試驗結果是偏于安全的。

由此可知：模型最大所需的流量為Qmax=0.206m3/s。

c.泥沙運動相似。按原型沙γs=2650kg/m3計，可得推移質泥沙運動相似比尺如下：

由起動相似可得到推移質粒徑比尺為λD=λl=60；

試驗調試值及模型設計比尺情況、河工模型比尺見表1。

表1 河工模型設計比尺情況

2.2 模型制作

水工、泥沙整體模型按模型設計的要求制作。模擬庫段自電站大壩上游約1300m起至大壩下游約700m止，實際模擬河段全長約2.0km。模型配有獨立運行的動力設備及流量控制設備，可較方便地模擬不同工況下沖沙孔、溢流壩、導流洞、取水口及排漂口等水工建筑物的運行過程。

試驗過程中模擬進口加沙量，以本河段曾出現的最大懸移質輸沙率（2004年7月，Gs＝1553kg/s）的10%作為推移質來沙量。試驗流量采用1500m3/s，壩前采用正常蓄水位255.00m控制。

2.3 方案比選

首先驗證原設計方案排沙效果。將施工圍堰拆除至高程232.00作為攔沙坎。攔沙坎上游泥沙通過沖沙導流洞排向大壩下游、電站進水口通過泄洪沖沙底孔拉沙。試驗過程中發現，庫區主流緊貼右岸，推移質隨主流翻過攔沙坎，先運動到電站進水口，沖沙底孔的沖刷漏斗距電站進水口較遠，電站進水口的淤沙情況非常嚴重。泥沙在庫區有明顯淤積，原來用于排沙的左岸導流洞實際沒有起到作用，主要因為導流洞口不在主流區，洞口的坡度比較大，喇叭口比較瘦窄不利于排沙。設計的排沙、攔沙工程不能達到“門前清”的目標，必須輔以其他的工程措施。模型試驗所進行的方案比較過程見表2。

表2中方案4將沖沙底孔前伸，使孔口伸至電站邊墻上游側。進水口分為兩部分：一部分正對上游主流，中間加設導流板；另一部分開在電站取水口前沖沙底孔前伸箱涵的河中一側的目的是將漏斗范圍移到電站進水口附近，并擴大沖沙范圍。該方案經模型試驗驗證排沙效果較好，而且工程投資較省。但試驗中發現電站內仍有少量粗沙，喇叭口右前角有一不穩定的淤積體，電站口門右側也有一回流淤積體。由于電站上游側沖溝邊坡對水流的阻礙作用，使得該處流速較大，并致使少部分粗沙被揚起。被揚起的部分粗沙還沒來得及落到沖沙底孔喇叭口頂緣高程以下，就被水流帶到了電站進水口前。由于電站下游側進水口底部流速較大，部分粗沙也隨著進入電站進水口。針對這些問題，排沙工程仍需要進一步的優化調整。

表2 模型試驗比較方案成果

2.4 推薦方案的優化

鑒于以上原因，對電站上游沖溝右岸邊坡削坡減弱其挑流揚沙能力，并在箱涵臨河中一側加設3m高的擋沙板。根據上游來沙量的分布情況，將沖沙涵正向進口做成左低右高的型式。箱涵結構調整后的結構如圖2所示。

圖2 沖砂涵布置

同時攔污柵底部設攔沙坎，防止揚起泥沙進入電站取水口；在進水口設一道沉沙槽，排除進入進水口后的泥沙。優化后的方案，經試驗表明，淤積體問題基本解決。因此，將該方案作為推薦方案的最優方案。

2.5 檢驗試驗提出的運行建議

針對推薦方案的最優方案，進行了不同流量工況下的檢驗試驗。并提出以下運行管理建議：

a.為了延緩電站進水口前庫區的淤積進程，要求推移質運動到壩前時盡量遠離電站進水口，因此泄洪表孔的開啟順序為從左到右。

b.在沖沙底孔長時間關閉的情況下，電站運行會導致沖沙底孔箱涵逐漸被推移質泥沙淹沒；并且隨著箱涵進水口前淤積高程的不斷增加，推移質泥沙會爬上箱涵頂部，進入電站進水口。沖沙涵進口前的泥沙也會因長時間不通水而沉積板結，使沖沙涵失效。因此，在實際運行中，應盡量避免泥沙完全淹沒箱涵進水口；為了箱涵孔口段不被淤死或淤死后淤積的泥沙能被沖走，沖沙底孔應定期開啟；尤其是汛前，必須檢查箱涵是否暢通，汛期末必須開啟，以沖走汛期淤積的泥沙（蓄清排渾）。

3 沖沙涵的施工圖設計

通過工程模型確定的沖沙涵方案，需根據工程實際對其結構進行相應修改，才能真正運用到工程上。模型試驗推薦的方案運用于工程設計需要解決以下問題：

a.建筑物的基礎要求。

b.建筑物的材質及結構尺寸。

c.相關結構計算。

3.1 沖沙涵的基礎處理及結構分縫

沖沙涵基礎下游段落在大壩基礎開挖后的回填混凝土上，上游段落在河床的漂石及沙卵礫石層。沖沙涵箱為箱形結構，地基應力并不大，因此地基的承載力能滿足要求，只需對上游段的沙卵石層進行回填密實灌漿即可。

沖沙涵順水流方向長79.3m，垂直水流向最大寬度為26.4m。而且順水流向的基礎不同，箱涵因基礎沉降及溫度原因易產生順水流向的裂縫。在順水流方向對沖沙涵進行分縫，分縫位置根據沖沙涵的平面形狀設在轉折點處，縫寬2cm，縫間設橡膠止水一道，分段長度在12～20m之間。

3.2 沖沙涵的結構尺寸

模型采用全有機玻璃制作，實際工程所選材質需在滿足強度、耐久性及工程造價等方面要求范圍內進行選擇。最終沖沙涵選用鋼筋混凝土結構。根據沖沙涵的結構跨度及混凝土結構常規尺寸范圍，在保證過流孔口尺寸的前提下,將邊墩厚度擬定為1m，中間導流墩擬定為0.6m。

模型試驗沖沙涵導流墩在同一斷面結束，這種體型在導流墩后的頂板、底板跨度大，最大的部位超過20m，結構內力大，配筋復雜。因此，沖沙涵結構設計采用平順過渡的方法將導流墩分批延伸，以減小各斷面的頂板和底板跨度。因導流墩的引導作用，結構調整后的涵內流態會更好。調整后的箱涵結構詳見圖3。

圖3 沖沙涵結構平面圖

3.3 沖沙涵的結構配筋計算

沖沙涵在運行期整體泡在水庫中，受力是均衡的，因此不存在整體穩定問題。結構配筋計算主要為因施工期的自重荷載及運行期的內外水頭差形成的邊墩、導流墩、頂板和底板的受力計算。

根據沖沙涵流量和各斷面面積可計算出該斷面處的平均流速，根據壩前水位及孔內流速計算出各斷面的總水頭、行進流速水頭，沿程及局部水頭損失，從而得出導沙涵的內外水頭差。從表3中的沖沙泄洪底孔過流能力可知箱涵內最大流速vmax達到22m3/s，行進流速水頭αv22g=22.7m，可見內外水頭差較大[3]。

沖沙涵的平面形狀復雜，但內部只有導流墩和流道。為簡化計算，沿水流方向截取斷面，采用平面框架的方法計算結構內力。計算斷面選取斷面流速大或孔數多的部位，下游段的孔口數量少，孔內流速大；上游段的孔口數量多，孔內流速小。墻板的內力計算采用SLSD平面框架通用程序H—2，該程序為解決平面框架在給定荷載下的靜力計算問題的通用程序。該程序采用結構力學的位移法。在計算當中，計算跨度取過流通道的凈空尺寸，邊墩、導流墩寬度及頂板、底板厚度計算時作為剛性段處理。通過對各斷面跨中、跨端配筋數量的計算及抗裂驗算，可知含鋼率屬常規范圍，說明所定的結構尺寸是合理的。

表3 沖砂泄洪底孔過流能力統計情況

4 結語

該水電站進水口前泥沙淤積問題嚴重，原設計用于對電站進水口拉沙的泄洪沖沙底孔，經模型試驗發現泥沙漏斗影響范圍達不到電站進水口，達不到門前清的效果。為解決該問題，在泄洪沖沙底孔進口前接一沖沙涵，使泥沙漏斗的位置前移，將電站進水口納入到泥沙漏斗范圍，并對沖沙涵體型進行優化改進，最終方案使電站進水口前的泥沙淤積問題基本得到解決。

通過對沖沙涵的適應性及淤積試驗，較全面地對沖沙涵今后運行會遇到的問題進行了研究，對沖沙涵的運行管理提出了建議，以確保工程安全。

沖沙涵體型設計針對性強、體型復雜。通過采用平順過渡的方法對模型試驗方案進行相應的改進，成功地將模型試驗方案運用于工程設計。■

[1]緬甸DAPEIN（Ⅰ）水電站工程首部樞紐水工、泥沙及導流整體模型試驗研究報告.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室.江西省水利規劃設計院，2008.9.

[2]SL 319－2005混凝土重力壩設計規范.北京：中國水利水電出版社2005.

[3]李煒.水力計算手冊.第二版，北京：中國水利水電出版社，2006.

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