引水樞紐工程閘前水沙演變模型試驗研究

白 云

（聊城市河道工程管理服務中心，山東 聊城 252000）

水利樞紐工程中不可避免會遇到泥沙淤積帶來的滲流影響，而且與工程的蓄水位、輸水流量等具有重要關聯性，探討水利工程中水沙演變與降淤關系具有重要意義。針對水利工程中泥沙淤積與水沙演變特征，范海東、史舒婧等、呂科等利用Fluent 等滲流場仿真計算平臺研究了不同工況下或不同設計方案的滲流場特征，或探討了泥沙淤積演變過程，為工程設計運營等提供了重要參考。一些工程師利用專用細觀監測設備，如李倩等、曹貫中等、曾劍在工程現場布設多個傳感器，研究工程運營過程中滲流場以及泥沙懸浮的細觀變化特征，預判水工結構受水沙破壞影響的前兆。雖滲流場以及水沙演變的仿真計算較為高效，但試驗結果有時與實際差異較大，細觀監測要求周期較長。王偉、儲維刃等、段淇元等根據物理模型理論按照比例在室內復制水工結構，開展相應的水工模型試驗，基于試驗結果探討水工設施的水沙演變、滲流場變化以及靜、動力結構安全性，為工程的設計優化、安全設計評判等提供佐證。依據魯東北引水樞紐工程的水沙演變問題，設計引水渠泥沙淤積與沖砂模型試驗，探討設置排沙閘對于引水渠輸水安全高效運營的作用，為工程建設加固提供重要依據。

1 模型試驗概況

1.1 工程背景

魯東北引水樞紐工程是地區內重要水利工程，承擔著地區引水、水資源調度等重要功能，最大集水面積超過7 000 km2，可灌溉農田340 km2。工程包括引水渠、攔污柵及泄洪閘等設施。引水渠底采用雙層防滲加固措施，厚度40 mm，最大沉降變形不超過6 mm，兩側設置有擋土邊墻，箱涵最大承受土壓力超過5 MPa，涵厚度36 mm，拼裝式擋土墻抗拉應力2.5 MPa，邊坡監測表明無顯著滑移面，最大滲透坡降不超過0.26，局部鋪設暗渠，保護引水渠輸水安全性。攔污柵位于引水河道入水口，結構體系配置有主、次錨索，最大張拉荷載分別達1 650、1 350 kN，錨索按照間隔120 mm分層布置，初步仿真計算表明攔污柵及其支撐墩結構變形較小，沉降變形與順水流方向變形最大分別為6.5、8.4 mm，柵墩厚度80 mm，可承受最大拉應力2.2 MPa。泄洪閘設計泄流100 m3/s，閘頂高程252.6 m，閘室底板厚度0.6 m，為多孔式閘門設計形態，單孔尺寸1.2 m。由于河道內泥沙懸浮較多，泄洪閘設置有攔沙網，可有效限制下游河流內泥沙懸浮質，取樣測試表明河道內含沙量為0.8～5.5 kg/m3，泥沙主要來源于上游水力沖刷與沖蝕。水文監測表明，該河道內泥沙含量在3—9 月為最高，峰值為6.5 kg/m3，年輸沙量超過800萬t，而6—9月平均輸沙量可達110 萬t，月均輸沙量與年降雨量分布較契合，泥沙遷移受雨水地表徑流影響，加劇了河道泥沙懸浮質遷移。根據引水渠上游河道內泥沙懸浮質篩分得知，泥沙中值粒徑0.01 mm，以粒徑0.1 mm 以內為主，顆粒級配曲線如圖1 所示。為研究該引水樞紐工程水沙演變特征，特增設一排沙水閘，并研究上游河道枯水期與引水運營期內閘前河道泥沙淤積特征，為排沙閘有效設置提供參考。

圖1 泥沙顆粒級配曲線

1.2 模型試驗

為保證試驗結果可靠性，按照引水渠首現狀，設計河道上游120 m 與下游河道150 m 的物理水工模型，模擬寬度約80 m，結合泥沙懸浮質顆粒屬性及級配狀態，以人工改進水脂粉作為泥沙懸浮質模擬物。該類型懸浮質比重以及遷移動能、懸移能基本與魯東北引水渠泥沙含量一致，容重為1 300 kg/m3，泥沙模擬沉速比為5.3。參考模型試驗中含沙量比尺控制，最終確定模型水質中含沙量比尺為2，結合目前河道沖淤狀態，設定淤積變形相似比例為10。按照預定模型試驗目標，設計有供水系統、泥沙懸浮系統完成試驗匹配性，模型平面如圖2 所示。該模型采用循環供水系統和加沙、沉沙裝置，供水流量以及排水設施均與工程現場實際泄流量、蒸發量相匹配。

圖2 模型平面

模型試驗主要研究枯水期工況下排沙閘前泥沙淤積對河床影響，在枯水期設定河道上游來水流量為25.5 m3/s，此為地區枯水季平均流量，泥沙含量設定為1.335 kg/m3，按照河道輸沙比5%計算泥沙遷移，時間比尺為10。泥沙淤積測點設定在排沙閘頂懸板兩側，各5 個，閘前河道斷面上共有20 個測點，斷面間距控制為1.5 m，典型斷面上測點分布如圖3 所示。

圖3 斷面上測點分布

2 河床水沙演變特征

2.1 河床泥沙淤積特征

根據枯水期工況模型試驗結果，獲得排沙閘前河床泥沙淤積厚度與累計運營時間關系，如圖4所示。

圖4 泥沙淤積厚度與累計運營時間關系

從圖4 可看出，泥沙淤積厚度與累計運營時間具有三階函數關系，兩者具有正相關，具體函數關系詳見式（1）。運營累計80 d后，泥沙淤積厚度曲線有所放平，無較快增長潛力。從泥沙淤積厚度具體量值變化來看，河床初始泥沙淤積厚度達11.76 cm，而隨著引水渠運營時間累積，泥沙淤積厚度顯著增大，運營累計20 、40 d 的泥沙淤積厚度相比初始時分別增長了1.37、3.1 倍。引水渠運營累計0～50 d，平均運營時間每增長10 d，河床泥沙淤積厚度增長36.9%。當運營時間增長至60 d 以后，泥沙淤積厚度的增幅有所放緩；運營累計第70、80 d 時，泥沙淤積厚度相比累計50 d 時分別增長了14.2%、15.4%。在運營第50 d 后區間內，泥沙淤積厚度隨運營累計10 d 增長4.9%，即泥沙淤積厚度在運營年限內的增長先快后慢，基本在運營累計50～60 d 時增幅逐漸放緩，表明排沙閘在較長運營年限內具有較好的排淤作用，有利于引水渠在運營后期避免出現受泥沙淤積影響而導致輸水效率降低的現象。

式中：H為淤積厚度（cm）；t指運營時間（d）。

2.2 閘前斷面泥沙淤積特征

各典型斷面的泥沙淤積厚度曲線如圖5 所示，在各累計運營時間節點內，與排沙閘距離愈遠，則河床泥沙淤積厚度愈大。以累計運營60 d 為例，在斷面距離比0.3的T1斷面（閘前距離10 m）的泥沙淤積厚度為60.3 cm，而相同斷面距離比的T3、T4 以及導流口的泥沙淤積厚度較前者分別增長了3.4%、8.7%、28.2%。由此可知，排沙閘前泥沙淤積主要源于河道內泥沙懸浮沉降，排沙閘可有效分割泥沙懸浮沉降的層次性，減少閘前泥沙淤積厚度，將閘前泥沙淤積效應“分散”至閘前100 m 乃至導流口區間內，提升了閘后引水渠的輸水效率。

圖5 各典型斷面的泥沙淤積厚度曲線

從圖5 可知，相同斷面上的泥沙淤積厚度受橫斷面上的距離比參數影響較小，特別是在閘前導流口、T4 斷面上，基本隨橫斷面距離比參數呈平穩變化特征，在運營累計40、60 d 時導流口斷面上淤積厚度分別穩定在56.3、77.5 cm，運營累計80 d后，各斷面上的泥沙淤積厚度值隨橫斷面距離比參數有所波動，分析認為這是因前期泥沙淤積逐步進入“瓶頸期”而導致的現象，導流口以及T3、T4 斷面在該累計時間節點處最大變幅分別為7.5%、6.1%、4.2%。綜合認為，排沙閘的存在可有效穩定并分散斷面上泥沙淤積，并使泥沙淤積在運營80 d左右時出現下降或穩定等現象，枯水期排沙閘運營較優。

3 閘前沖砂試驗特征分析

為準確分析引水樞紐工程排沙閘前水沙演變特征，設計開展泄流沖砂試驗，即關閉引水渠，在排沙閘開度設置為最大的情況下，觀測閘前流量與水流中含沙量變化特征。基于模型試驗結果，獲得出、入渠流量與含沙量隨沖砂時間的變化特征，如圖6所示。

從圖6 可知，在關閉引水渠后，入渠流量較為穩定，全程流量值均為26.68 m3/s，即引水渠口水閘控制流量精準度較高，限制非引水耗損率較強。出渠流量在沖砂前100 min內為上升態勢，運營第50 min時較沖砂試驗初始時增長了41.1%，在沖砂100～150 min 處于較穩定狀態，長期維持在28.8 m3/s 左右；當沖砂試驗超過150 min后，出渠流量持續下降，并逐步下降至與入渠流量一致。分析表明，出渠流量在沖砂試驗狀態下，僅影響沖砂試驗前100 min，對引水渠內流量影響較小，說明枯水期內該工程并不需要過早地沖砂降淤；僅在沖砂第50 min 左右時水渠水位值出現上升，后續沖砂過程均為下降態勢，其中沖砂第50 min時水位為1 962.2 m，較初始水位增長0.3 m。筆者認為該節點水位上升由沖砂試驗初始時上游流量泄降引起，在短時間內導致水渠內水位上升，而在沖砂泄降趨于穩定后水位隨沖砂試驗進程逐步降低，在出、入渠流量一致的節點處水渠水位達1 960.2 m，后續水位下降幅度有所放緩，沖砂第300 min 時水位較第200 min 時僅下降了0.093 m，平均每100 min內水位下降0.046 m，而在泄降沖砂初始至200 min 時水位平均下降幅度0.5 m。由此可知，泄降沖砂過程對枯水期泥沙淤積影響較小，水渠內水位整體均為下降，特別在出、入渠流量一致情況下，渠內水位受沖砂影響更為減弱。

圖6 出、入渠流量與含沙量隨沖砂時間變化特征

比較出、入渠含沙量變化特征可知，出渠水質含沙量一直高于入渠含沙量，表明河道內泥沙懸浮質主要由河床沖淤導致。在入渠含沙量穩定在1.5 kg/m3時，出渠含沙量最大幅度位于沖砂試驗初始時，兩者差幅達2.7 倍，而隨沖砂進程延長，出、入渠含沙量差幅逐漸減小，特別是在出、入渠流量一致性的時間節點時出、入渠含沙量間幅度差異亦達到穩定狀態，為6.8%，其中出渠含沙量在沖砂試驗后期穩定在1.6 kg/m3。綜合討論認為，在枯水期該引水樞紐工程不需要沖砂降淤，過早的沖砂泄降反而會導致引水渠內水位持續下降，且對河床產生沖刷，增大渠內泥沙懸浮質含量。由此表明，排沙閘的存在可削弱引水渠內泄降沖淤作用，節省引水成本，只需借助汛期河道泄流即可達到人工泄降沖淤的目的。

4 結論

（1）泥沙淤積厚度與累計運營時間具有三階函數關系，兩者正相關，但在運營累計80 d后泥沙淤積厚度放緩；運營累計0～50 、50 d 后的2 個區間內，運營每增長10 d，淤積厚度分別平均增長36.9%、4.9%，淤積速率先快后慢，排沙閘起有效降淤作用。

（2）斷面與排沙閘距離愈遠，則泥沙淤積厚度愈大，排沙閘可有效分割泥沙懸浮沉降的層次性，減少閘前泥沙淤積；相同斷面上的泥沙淤積受橫斷面距離比參數影響較小，排沙閘可有效降低斷面上泥沙淤積影響，累計40、60 d時導流口斷面上淤積厚度分別穩定在56.3、77.5 cm。

（3）閘前沖砂試驗表明沖砂試驗前100 min僅出渠流量受影響，沖砂試驗第200 min 時出、入渠流量達一致性，為26.68 m3/s，此時水位降幅亦減小；出渠含沙量高于入渠含沙量，但幅度差異隨沖砂進程減小，最終兩者含沙量差幅穩定在6.8%。

（4）綜合認為，該引水樞紐工程中排沙閘的存在可削弱人工泄降沖淤作用，節省輸水成本，渠內降淤可借助汛期河道泄流完成。