臨汾濱河生態區閘壩蓄水工程樞紐布置河工模型試驗研究

邸國平

1 概況

汾河為黃河的一級支流，是山西省境內第一條大河。流經臨汾市境內的汾河下游，境內汾河長173.5km，流域面積10286km2，約為臨汾市總面積的50%。濱河生態區建設工程是臨汾市城建十大工程之一。而汾河閘壩蓄水工程是濱河生態區建設的重要組成部分，位于臨汾市城區西側的汾河干流上，北起馬務橋，南至平陽橋，全長約5km，兩岸無支流匯入，河道縱坡0.556‰，河床寬約400～500m。洪水汛期集中在6—9月，平時水量很少。

據石灘水文站統計，多年平均實測徑流量為7.23億m3，多年平均輸沙量2115萬t，實測洪水中最大洪峰流量2800m3/s。懸移質平均中值粒徑0.025～0.047mm，河床質中值粒徑0.27～0.33mm。

2 工程樞紐設計

濱河生態區閘壩蓄水工程為Ⅴ等工程，主要建筑物按4級設計，工程區地震烈度為8度，建筑物設防烈度按8度考慮。主要樞紐建筑物包括修建人工復式河槽、排污暗涵、中隔墻、橡膠壩及附屬建筑物。

全河道過水能力按原標準50年一遇洪水標準設計，洪水流量2690m3/s。主河槽按10年一遇洪水標準設計，洪水流量1500m3/s，兩側各布置一條排污暗涵，長度均為5000m。

分槽方案將主河槽分成兩部分：一部分為泄洪槽，可過300m3/s以下的小洪水；一部分為蓄水區，以供觀賞。當來流量超過泄洪槽的過流能力，發生洪水翻壩運行或塌壩過洪時，可在槽與區之間設中隔墻。

3 試驗目的及內容

3.1 試驗目的

根據初選分槽治理方案的綜合治理段規劃布置及各主要建筑物的布置形式，通過模型試驗驗證其合理性，確保工程治理段在各級洪水條件下各部位水流有良好流態，了解該河段沖淤變化，為改進設計方案提供依據。

3.2 試驗內容

試驗內容包括：驗證泄流能力；進行沖刷試驗；根據模型試驗結果，提出對上游進口段、過橋墩段、彎道段、下游出口段等部位的優化設計方案或建議。

4 模型規劃設計

根據試驗目的及任務，初步考慮分析定床清水試驗和動床渾水試驗階段。

定床清水試驗階段主要觀測工程各部位水流流態、流速分布、水面線等。為研究各級流量下各部位水面高程及沖淤可能性，對各建筑物（尤其是進、出口）的布置形式、尺寸進行評價，提出對上游進口段、過橋墩段、彎道下游出口段等部位的優化設計方案或建議，同時為解決渾水試驗階段的工程水力學問題提供科學依據。

動床渾水試驗階段主要測定工程各部位的沖淤變化、水面線。該階段是在清水試驗的基礎上將工程治理段河床用模型沙鋪填，并在來水中按要求加入泥沙進行試驗，為工程防沖措施提供依據。

4.1 模型比尺選擇

根據試驗要求，綜合考慮水流及泥沙相似條件、試驗場地及模型最小水深的限制等因素，確定模型幾何比尺為：水平比尺λl=180，垂直比尺λh=60。

4.1.1 重力相似

4.1.2 阻力相似

根據最小水深hm>2.0cm，得出糙率比尺λn=λh2/3/λl1/2=602/3/1801/2=1.1423，水面比降比尺 λJ=λh/λl=60/180=0.3。

4.1.3 泥沙運動相似

動床模型試驗主要保證河床沖淤變形相似，要求滿足床沙的起動相似條件和單寬輸沙率相似條件，要滿足起動相似條件，首先需考慮模型沙的選擇。

通過對電木粉、精煤、粉煤灰、塑料沙進行比選，這些模型沙均可做模沙，但塑料沙、電木粉等不僅價格高，且加工不方便，不易達到粒配要求，故選用起動流速小、級配廣的清徐焦化廠的精煤做模型沙，精煤具有比重較小、較穩定；起動流速小，有利于起動相似；粒徑范圍經過水選，可以分選出級配合適的模型沙等優點。

4.1.4 床沙比尺

研究河床沖淤變化的動床模型試驗，必須考慮底沙運動條件相似及滿足起動流速相似。床沙粒徑比尺λD=4.848依據床沙粒徑比尺和原型床沙級配（原型床沙d50=0.31～0.33mm），得出模型床沙（設計床沙）級配。該試驗采用模型床沙d50=0.068mm左右。根據模型沙在水槽中起動試驗的結果可知，當水深3cm時，其起動流速為7～8cm/s，滿足要求。

4.1.5 泥沙懸移相似

根據斯托克公式懸移質泥沙沉降相似關系：

式中：λd——懸沙粒徑比尺；

λv——流速比尺；

λw——沉速比尺；

λ(γs-γ)——泥沙比尺。

取 λv=1，則

4.1.6 關于挾沙能力比尺

一般洪水含沙量隨流量大小而變化，含沙量增大，沖刷能力就會減小。對于研究河床沖淤及建筑物周圍沖刷情況的模型，由于沖瀉質泥沙（d<0.01mm部分）不參與造床運動，因此，渾水試驗中，只保證渾水中所加泥沙與床沙粒徑接近部分按比例加入，而不多考慮沖瀉質部分。

挾沙能力比尺λs隨模型沙比重、特性及含沙量的大小而不同，一般應通過室內試驗來標定。該試驗結合水槽試驗的一些資料取λs=2。

4.1.7 沖淤時間比尺的確定

沖淤時間比尺直接影響模型中放水時間的長短，進而影響沖淤深度；而沖淤時間比尺又直接與沉積物容重、挾沙力比尺等有關。按照沖淤平衡方程推得其時間比尺λt2≈23.24。

4.2 關于洪水過程的概化處理

根據任務要求，試驗采用的洪水過程線是石灘水文站1988年6月實測典型年洪水過程線，Q10%=1500m3/s是將該洪水過程線按流量大小劃分成階梯，盡量保證在某一時段內其平均流量值接近于該時段洪水流量的平均值；Q2%=2690m3/s洪水過程線是將1997年8月5日的Q5%=2020m3/s洪水過程線按“以峰控制”同一倍比放大而得的，按流量大小的洪量基本相等劃分成階梯；Q=300m3/s是按《臨汾濱河路生態區閘壩蓄水工程樞紐布置方案比較比選階段設計報告》中的洪峰流量200～500m3/s歷時2～3d，洪峰流量200～400m3/s歷時1～2d而得。試驗時取Q=300m3/s歷時2d左右，模型中歷時約1h。

5 模型制作安裝

模型制作安裝的精度是試驗成果好壞的關鍵。除要求模型能正確滿足幾何相似外，還必須滿足各部位糙率相似，同時使用的儀器設備也應滿足必要精度。

定床模型試驗中，除1～3號橡膠壩采用塑料板，橋墩井柱用鋼筋外，其余定床部分均采用水泥砂漿抹面而成。中隔墻采用預制水泥砂漿砌成，因水泥面糙率n=0.008～0.011，比要求值0.020小很多，故采用撒石子加糙來提高模型糙率。根據有關糙率的試驗成果，取石子粒徑0.3～0.5cm，用環氧樹脂把石子固定在水泥床面上。

動床模型試驗中，模型試驗段用模型沙按照相應床面高程鋪墊，模型中床面糙率根據模型沙水槽試驗及參考經驗公式計算得出，初始運行模型床面糙率n≈0.011，小于要求值0.020。分析以往的動床模型試驗資料發現，當模型河底產生沙浪后，其糙率比一般公式計算的糙率大，而有的糙率則比定床模型粘小石子或插竹竿后的糙率還大，說明在動床模型試驗中，只要動床上產生沙浪，不必加糙就可獲得較大的糙率。因此，在模型動床試驗中，可利用沙浪阻力來滿足動床模型的阻力相似。

6 結語

第一，通過動床和定床試驗可知，整治后的河道能滿足泄流能力，且整治后的河道進出口體型、泄洪時水流均比較平順，沒有出現回流和折沖現象，也無嚴重的水流集中和波動現象。

第二，從河道沖淤地形來看，在橡膠壩、堤后和彎道凸岸及中隔墻兩側都有一定沖刷，應采取相應厚度的鉛絲籠加以防沖，特別是中隔墻上、下游的頭部沖刷比較嚴重，應采取必要的防護措施。

第三，橋墩井柱周圍也有一定沖刷，但因井柱分散，故沖刷不大，可暫不予以防沖處理。