某工程渠首增設排沙閘后水沙演變特征分析

趙文竹

(山東省調水工程運行維護中心，山東 濟南 250100)

泥沙淤積沉降對水工結構的安全運營帶來較大挑戰，如何有效規避泥沙淤積沉降影響乃是水利工程設計中重要考量因素[1- 3]。為此，探討水工建筑的泥沙沉降以及水沙演變特征對推動設計優化具有重要意義。范海東[4]、史舒婧等[5]、呂科等[6]利用Fluent流場仿真平臺建立水工結構的滲流場計算模型，由流場特征參數反映水沙特征，特別是分析流場中動水壓強、流速等參數，為工程設計提供指導依據。當然，也有一些工程師利用細觀監測手段，分析了已建工程的水沙細觀特征[7- 8]，及時預判工程失穩前兆，為工程建設提供重要參考。由于流場仿真計算有時與工程實際偏差較大，而細觀監測耗時周期較長，不利于工程設計的進度控制，因而王偉[9]、呂會嬌等[10]、王世杰等[11]引入物理模型試驗理論，設計水工模型的等比例尺復制試驗，開展相應的河道沖淤、潰壩及多工況的模擬試驗，進而獲得相應的工程試驗數據，基于模型試驗數據，探討工程的有效安全運營。本文根據膠東調水樞紐工程張家寨下游引水渠首增設排沙閘問題，設計開展引水渠的泄降沖淤試驗，分析排沙閘在水沙演變中重要作用，為工程設計提供試驗依據。

1 模型試驗概況

1.1 工程背景

引黃濟青工程乃是面向青島市及沿途城市農業用水、生態補水用途的大型跨流域、遠距離調水工程。該引水工程從打漁張引黃閘取黃河水，設計運行線路全長290km，其中修建引水明渠250km，穿越36條河流。為控制水力作用，全線路修建水閘、泵站、調壓塔等各類建筑物450余座，設5級提水泵站和1級臨時提水泵站，另有大型蓄水庫和沉沙池。在引黃濟青工程線路張寨橋輸水渠點建設長度為6.08km的高低輸水渠，由于局部地段泥沙含量集中，特別是對懸浮質監測分析表明[3，12]，中值粒徑為0.01mm，泥沙淤積較嚴重，懸浮質泥沙顆粒級配曲線如圖1所示。為有效提升下游引水渠內輸水安全性，在渠首設置一攔沙閘，設計開展引水渠首閘前河道水沙模型試驗，分析閘前河道水閘水沙演變特征，為排沙閘有效設計提供依據。

圖1 泥沙顆粒級配曲線

1.2 模型試驗

為保證實驗結果可靠性，依據引水渠首現狀，設計河道上游120m與下游河道150m的物理水工模型，模擬寬度約為80m，水工模型與實際設計模型的幾何比尺為30，結合泥沙懸浮質顆粒屬性及級配狀態，以人工篩分沙(中值粒徑0.1mm)作為泥沙懸浮質模擬物，該類型懸浮質比重以及遷移動能、懸疑能基本與引水渠泥沙含量一致，容重為1200kg/m3，泥沙模擬沉速比為4.5，依照文獻[13- 14]可得到模型試驗中含沙量比尺為2。由于下游引水渠運營年限超過5a，因而設定上游河道沖淤導致的預計變形相似比為8。模型試驗還包括消力池、泄洪閘等設施，均按照實際工程中尺寸進行比例尺復制。為保障模型試驗中供水有效性，本文設定循環供水系統，并于泥沙懸浮沉降系統為一體，該模型平面圖如圖2所示，其中循環供水系統可根據實驗條件調配相應的泄流量、出、入渠流量等，而水質中安裝有加、沉沙裝置，可較好模擬泥沙懸浮遷移過程，排水設施以及模擬泄流量均按照工程實際蒸發與入渠測試量匹配設定。

圖2 模型平面圖

本模型試驗設定研究工況為張寨橋引水期運營時，增設排沙閘對渠首泥沙淤積影響，設定河道上游來水流量為35m3/s，此為引水渠正常引水流量，懸浮質的輸沙比為5%，時間比尺為10[15- 16]。試驗中渠首水閘開度為1m，水位深度為3.5m，試驗時持續降低水位，確保泥沙淤積至排沙閘懸板結構，測試相應的水沙特征參數，包括流速等。另各泥沙淤積測點設定在排沙閘頂、懸板兩側，各有5個測點，間距為0.5m，典型斷面上測點分布如圖3所示。

圖3 斷面上測點分布

2 水沙演變結果分析

2.1 流速特征

在引水期模型試驗中，分別在典型斷面T4以及排沙閘懸板等間距1m處取測點1#～4#，其中1#測點距離河床側邊30cm，其余測點以1#測點為基準劃定，最終測定各斷面上不同測點的流速變化特征。依據模型試驗結果，進而獲得典型斷面不同水深處的流速變化特征，如圖4所示。

圖4 不同水深處流速變化特征

由圖4中各斷面流速變化特征可知，測點距離河床底部愈大，則流速值愈低。特征斷面T4上1#測點在相對水深為0.5時流速為0.6m/s，而相同斷面相同水深的2#、4#測點流速較前者分別減少了21.2%、47.5%，整體來看1#測點流速與2#、3#、4#測點的流速差幅分布在6.5%～26.9%、11.3%～35%、7%～90.4%，測點間幅度差異最大值出現在相對水深0.5。分析表明，各測點間差異性最大值為河床內中部流速，此與河床底部受泥沙淤積影響，各測點間流速趨于一致性。在相對水深0.2、1.1處，各測點的流速接近一致，差異性較小，分別穩定在0.2、0.7m/s。

從單個測點流速變化來看，測點流速與水深兩者具有正相關關系，在河道斷面T4上的2#測點相對水深0.2處流速為0.21m/s，而在相對水深0.5、1.1處流速較前者分別增大了1.24、2.3倍，該測點下隨相對水深增大0.3，流速平均增幅為56.6%，而在1#、4#測點上流速增幅平均為64.7%、51.9%，受橫斷面上測點影響，流速隨相對水深變化最大為1#測點，即以斷面上兩側的測點流速增幅更顯著。

由圖4(b)可知，排沙閘懸板各測點上流速隨相對水深變化具有一致性，表明愈靠近排沙閘，則泥沙淤積對流速影響愈弱，流速參數值受泥沙懸浮沉降影響愈小，各測點的流速呈一致性態勢。在懸板1#測點上相對水深參數1.1較參數0.2、0.8分別具有5.4倍、24.9%增幅，而總體隨相對水深增大0.3，流速值增長1.23倍，而在2#、4#測點增幅分別為1.7、3.3倍。而相同水深處的不同測點間流速差幅隨相對水深增大而減小，在相對水深0.2處1#與3#、4#測點流速差幅為1.28、3.7倍，而相對水深0.8處流速差幅又分別為28.6%、79.8%，表明閘前懸板斷面上流速變化走向不受泥沙淤積影響[17]，而不同測點間流速主要受水深影響，泥沙淤積影響較弱。

2.2 含沙量特征

模型試驗同時可獲得各測點不同水深處含沙量變化特征，如圖5所示。

圖5 不同水深處含沙量變化特征

由圖5可知，T4斷面含沙量變化差異性顯著低于閘前懸板斷面，T4斷面4個測點中含沙量變化幅度最大為4#測點，達7.9%，而在閘前懸板斷面1#～4#4個測點的最大變幅分別為76.4%、98.8%、109.7%、122.7%，表明閘前懸板泥沙沉降受限較大，是排沙閘作用的重要體現。T4斷面1#、2#、4#測點含沙量平均值分別在1.17、1.13、1.1kg/m3左右，隨相對水深增大，整體具有減小趨勢，但降幅較小。閘前懸板斷面各測點含沙量隨相對水深變化均遞減，3#測點的水深0.1處含沙量為1.03kg/m3，而在另一水深0.4、0.8處含沙量較前者分別減少26.8%、52.3%，2#測點在相對水深0.8與0.1間流速亦具有差幅50%。綜合認為，閘前懸板有助于降淤，含沙量在斷面上隨相對水深呈減小，而距離排沙閘較遠的T4斷面水流含沙量受排沙閘影響較小，無法顯著抑制含沙量。

3 運營過程中閘前泥沙淤積演化特征

根據模型試驗中閘前泥沙監測，獲得各累計運營時間下閘前河床軸線上含沙量變化特征，如圖6所示。

圖6 閘前河床軸線上含沙量變化特征

由圖6可知，與閘前距離愈遠，河床含沙量愈大，累計運營20～70d時均如此；在累計運營40d時閘前位置的含沙量為1.01kg/m3，閘前距離增大至30、100m時的含沙量較前者分別增大了6.6%、81%。從整體增幅來看，在閘前0～50m區間內，累計運營20d平均閘前距離增大10m，水質中含沙量增長2.2%，而閘前距離增大至50～100m區間后，其含沙量隨閘前距離的平均增幅為11.2%，表明含沙量隨閘前距離增長為先慢后快。比較不同累計運營時間的增幅可知，累計運營70d，其含沙量增長亦是以閘前50m為節點，在該節點前、后區間內平均增幅分別為3.9%、11.3%，與累計運營20d接近一致。相同閘前距離累計運營時間愈長含沙量愈大，在閘前30m處初始含沙量為0.83kg/m3，而累計運營40、70d時含沙量相比前者增長了29.2%、57.5%，在閘前各距離點內累計運營40、70d與初始含沙量間幅度分布為20.1%～42.7%、52.1%～62.7%。筆者認為，閘前水流含沙量在各累計運營期內具有一致性，累計運營時間對泥沙淤積影響僅存在時間效應，而閘前距離參數對泥沙淤積影響更具有“長遠”效應[18]，此亦印證了前文分析排沙閘在引水渠首的重要降淤作用。

圖6(b)為排沙閘單孔與多孔式工作時的含沙量變化特征。依據圖中含沙量變化可知，單孔與多孔式排沙閘的工作運營模式含沙量與累計運營時間均為正相關關系，累計運營每增長10d，2種排沙模式含沙量分別平均增長9.5%、7.4%，且單孔與多孔式排沙2種模式間含沙量差幅分布為11.7%～20.6%，表明多孔式排沙閘工作效率高于單孔。

4 結論

(1)河床中部流速為各測點間差異性最大；距離河床底部愈大，則流速愈低；隨水深增大，流速增大，2#測點相對水深增大0.3，流速平均增長56.6%；愈靠近排沙閘，則泥沙淤積對流速影響愈弱。

(2)閘前懸板泥沙沉降受限較大，且各測點含沙量隨相對水深變化均為遞減，T4斷面距離排沙閘較遠，無法顯著抑制含沙量。

(3)與閘前距離愈遠，含沙量愈大，但隨閘前距離含沙量增長為先慢后快；多孔式排沙閘工作效率高于單孔，2種模式間含沙量差幅分布為11.7%～20.6%。

(4)綜合認為排沙閘有助于降淤，特別是在閘前50m內，而采用多孔式排沙更利于沖淤。