輸水渠首工程水閘泥沙淤塞試驗研究

鄒志華

摘要：在分析工程設計院提供的相關資料基礎上，本研究以某無壩引水樞紐的渠首工程為例，通過河工物理模型試驗，來對渠首位置選擇以及設計的合理性進行評估，并找到設計中河道水流水力的特性，文章最后根據試驗結果，找出已有設計在哪些方面存在不足。

關鍵詞：渠首工程 水閘 泥沙淤積 引水工程

本文利用物理模型試驗，對某水利樞紐渠首工程進行分析，找到進水閘前泥沙產生嚴重淤積的主要原因，針對原因提出合理性的建議[7-9]。

1、基本概況

項目處于我國偏遠的西部區域，取水的用途為發電。電站主要由渠首樞紐、引水體系、廠房等組成，其中渠首樞紐包括取水口、泄水渠道、泄洪閘以及引水渠道，首部樞紐運用的是無壩引水方案。

該工程所在河流屬于常年性河流，也是西部地區年平均徑流量最大的河流，根據1957-2013年的數據該河流的年平均徑流量為14.52×108m。河流水源來自于降雨和冰山融雪，因此降雨量在各個月份很不很不均勻。6月到8月是該河流的汛期，汛期的水量達到了年徑流量的將近百分之七十。

2、試驗過程

在該工程所在河段的下游一萬米有一處水文站，觀測數據表明在洪水期該河段的最大輸沙率為8898 m3/s。由于當河段在百年一遇洪水時，渠道取水口前的淤積更能夠反應問題，因此探討閘前泥沙形成淤積的原因時本實驗選取的是百年一遇試驗結果，共選取在洪峰時段56.21L/s、66.01L/s、82L/s、96.8L/s、120.15L/s、129. 75L/s六個流量來進行不同的放水試驗，結果發現發生百年一遇洪峰時，進水口位置嚴重的泥沙淤積現象出現在各個流量的洪峰過后，阻礙水的流動，干擾明渠引水的正是這些泥沙。

3、分析試驗結果

3.1 水流與河床的相互作用

水流和河床的共同作用形成了河道，在河床作用于水流運動的同時，河道里水的流動也會影響河床的邊界情況，矛盾中的二者相互作用。在河床邊界條件、來水、來沙的相互作用下，本文所研究的工程所在河道呈現彎曲形態，主要的作用力來自于水和沙，起最終決定作用的是河床邊界條件。將取水口的邊界取直后，山體凹型的河岸形態發生轉變，導致水流對于取水口上游河道對岸直接沖刷，造成凸岸灘地坍塌的后果。而且由于現狀地質屬于粗泥沙顆粒，會使河流型態轉變的速度增加，降低河道的穩定程度。此外，因為該河段上游的斷面比較窄，使得右側的凸岸受到沖刷，在河流形態逐漸穩定的趨勢下，斷面繼續變窄，左岸淤積程度加重。試驗顯示河道的右側凸岸受到沖刷，在河道左側人工取直的護坡前形成近似直線的淤積帶，這種狀態說明該河段的河型從彎曲轉變為相對穩定的順直狀態。

3.2閘前斷面加寬產生的影響

修建該工程時，與原始河道相比進水閘前的河道過流斷面寬度增加，當來水的總量穩定時，水流的挾沙能力隨著流速的減小而降低，導致泥沙落淤更容易。水閘前的河道寬度大但深度淺時，關閘時出現累計性、沉淀性淤積的可能性更大，在水壓以及重力的雙重作用下，下部淤泥的密度逐漸加大加，當淤泥穩定時被沖走的可能性更小，這也加大了沙難沖淤的難度。以進水閘前的一點為樣本測量水的流速，按照流量2年和5年一遇洪水的常放流量進行兩次試驗，相關數值如下圖：

（a）2年一遇（b）5年一遇

圖1修改閘前斷面前后典型點的水流流速變化

根據上圖1得知隨著時間的變化水流流速以及流量級呈拋物線型，與修改后相比斷面修改前水流的流速數值要大，并且二者的變化形式基本一致，當然由于人工、設備等因素也會出現誤差，出現個別的點不吻合的情況。圖中兩條直線為水流流速的均值線，線的趨勢表明當洪峰期開始時，在第一級流量下（開始時）水流的流速比較小時，與均值線的偏離程度比較大，之后隨著水流的流速增加，在第四個流量級時，與均值線的偏離程度達到最大值，和來水流量呈正相關的關系。洪峰期結束后，隨著流量的降低水流的流速也有所降低，意味著閘前斷面存在的泥沙淤積影響了水流的流速，間接降低了水流的攜沙能力，減弱了泥沙的輸沙能力，加速了泥沙的落淤，最終形成淤積循環。所以在工程設計時應當拓寬閘前斷面，增加閘前水流的流速。

4、解決措施

該河段的水流方式呈螺旋型，按照彎道環流的常理，底沙流向彎道的凸岸，清水流向彎道的凹岸，最終水沙分離。 在實際工程中取水口的對岸（左岸） 地質為便于沖刷的顆粒狀粗泥沙，如果調整山體的凹岸結構，將取水口進行取直，會損壞該河段彎道的結構。所以必須將左岸的地質材料替換成不易被沖涮的石體，此外還可以在閘前設置攔沙坎。

5、結論

流速和輸沙率呈正相關，隨著流速的降低水流的輸沙能力也會減弱，導致泥沙在閘前淤積。因此，無壩閘前取水口應該布置在河流彎道頂點稍偏的下游位置。本文認為只要破壞彎道的結構，取水口的位置不滿足上述條件時，就會導致泥沙在閘前淤積，該研究能夠對國內引水工程的實施提供科學、合理的參考依據。

參考文獻

[1] 劉榮華，魏加華，陳志祥，等.塔里木河流域水量調度優化模型研究.南水北調與科技水利，2009； 7.（ 1） ： 26～30

[2] 趙井東，王 杰，劉時銀.天山木扎爾特河流域的冰川地貌與冰期.地理學報，2009；64（ 5） ： 553～562