無壩引水明渠的泥沙淤積成因及對策分析

田 原

(遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

受上游來水攜帶泥沙影響，無壩引水明渠淤積問題往往十分棘手，因此在引水明渠設計前，需要對其淤積成因進行多要素分析，從而減輕無壩引水明渠的淤積量，提高明渠的使用效率及壽命。當前，物理模型試驗是分析無壩引水明渠淤積成因最為有效的方式[1-6]，關于淤積成因的成果也有一些，但是這些成果大都只是針對明渠的形態進行了分析[7-10]，而針對取水口形態和斷面流速的研究還較少。為此本文結合遼寧某引水明渠為研究實例，結合物理模型試驗方式，探討取水口形態和斷面流速對無壩引水明渠的影響。研究成果對于已經或即將建設的引水明渠解決泥沙淤積問題具有重要的參考價值。

1 物理模型設計

對遼寧中部平原區某無壩引水明渠進行物理模型試驗方式，該引水明渠主要采用從河道內抽排引水的方式，引水明渠的進水口主要設置在彎側區域，擴大引水的范圍和面積。物理模型試驗按照1∶50的比例進行設置，物理模型設置的主要參數比例尺見表1。引水明渠的概況如圖1所示。

表1 物理模型比例設置

圖1 引水明渠物理模型概況

2 試驗結果討論

2.1 試驗過程

對于整個明渠進行重現期分別為20年一遇及50年一遇的放水試驗過程，放水流量及投沙量見表2。

在進行每一個流量次序的放水時，都會進行相應的泥沙投放量的補給，以保證引水明渠中懸移質泥沙的試驗準確性。為和天然補給情況保持一致性，采取疊加非間斷的補水放水進行試驗，在每次流量放水試驗中會進行2～3次的流速測定及泥沙淤積量測定試驗。在每一個放水試驗結束后，迅速對放水閘門進行關閉。并結合地形觀測儀器對明渠的地形進行現場試驗測定。

2.2 斷面流速分析

結合不同的放水試驗，對取水口不同放水時間的流量及流速之間的相關關系進行測定和分析，分析結果見表3，如圖2—3所示。

從表3中可看出，隨著放水流量的不斷增加，取水口斷面的流速逐步趨于穩定。這表明經過一段時間的放水試驗后，無壩引水明渠在進水口處的沖淤基本可以達到平衡的狀態，從圖2中可以看到，20年一遇洪水下放水流量在40～60m3/s、50年一遇洪水下放水流量在20～30m3/s時，其沖淤基本達到穩定的狀態。而從圖3中可看出，20年一遇洪水下放水流量在40～60m3/s時，其流速散點逐步集中穩定；而50年一遇洪水下放水流量在20～30m3/s時，其流速變化出現較為平穩的現象。對比其原型設置比例，即為在原型試驗下，20年一遇無壩引水明渠流量達到200～300m3/s，可基本保持明渠沖淤平衡，流速達到穩態；而在50年一遇下明渠引水流量達到100～150m3/s，可使得明渠不會出現集中淤積的狀態，流速平穩。

表2 放水試驗過程

表3 各階段斷面流速分析成果

圖2 取水口放水流量相關性分析

圖3 取水口流速及流量相關分析

2.3 淤積形態分析

結合地形觀測儀，對各階段不同放水過程的無壩引水明渠的淤積情況進行分析，分析結果如圖4所示。

圖4 各階段不同放水期明渠地形觀測結果

從圖4的試驗結果可看出，進水口的淤積已經較為嚴重，隨著放水流量的不斷增加，其中段彎道的淤積量不斷增加，在最后一個階段的放水流量影響下，無壩引水明渠的淤積量達到最大，基本上已經淤積了明渠的1/3，極大程度影響明渠引水量的正常運行。在最后一個階段放水流量下，其淤積過程處于較為穩定的狀態。表明在較高水量下，明渠受來水攜帶的泥沙淤積程度較大，在洪水高峰期，試驗明渠各引水段出現的淤積現象并不十分明顯。在引水明渠淤積量達到一定的程度后，明渠淤積過程出現緩和狀態，處于平穩變化的過程，這也充分表明明渠淤積達到平衡狀態。在試驗過程中也可看出，渠道的坡度也對明渠淤積產生一定程度的影響，放水峰值結束后，明渠水坡度達到最小，放水流量達到最大值時，大量的泥沙從取水口進入明渠，從試驗結果看出，當河底坡度小于1.0%時，明渠淤積現象較為嚴重，排沙能力逐步減弱。

3 對策分析

(1)取水口在彎道處無壩明渠淤積較為嚴重的問題，主要采取的對策為對取水口進行順直護坡處理，并將取水口的高程降低0.5～0.8m，這種方式可有效減少取水口的泥沙沉降量，從而減少隨引水水流進入明渠的泥沙量。

(2)流速變化引起明渠泥沙淤積的問題，可以通過增加斷面水流流速來減少明渠斷面的泥沙淤積，當流速增加到一定程度后，引水明渠的沖淤基本可以達到平衡狀態，而這種流速可以通過物理模型試驗來進行有效控制，從而有效減少留在明渠中的泥沙淤積量。

(3)坡度變化引起明渠泥沙淤積的問題，可以適當增加河底坡度，當河底坡度小于1.0%時，明渠淤積現象較為嚴重，針對這一問題，可以適當控制明渠的坡度，進行沖淤平衡，減少明渠的淤積量。

4 試驗結論

(1)對于無壩引水明渠而言，造成明渠淤積嚴重的主因包括取水口大量的泥沙、明渠坡度設置較為平緩，引水明渠一般不設置較為有效的排沙設施。由于在取水口造成的淤積排入明渠，水量較小時，難以得到沖刷，綜合造成無壩引水明渠泥沙淤積。

(2)取水口的合理確定對于明渠沖淤變化影響較大，在進行取水口的確定時，應結合取水口的地質條件，盡力將取水口設置在凹道處且設置引水角，在泥沙淤積較為嚴重的區域，應該結合明渠的實際情況，增加明渠底坡，加大其排沙能力。