外洪含沙量對干渠泥沙淤積影響研究

田鵬偉，張思佳，王志國，3，楊會朋，陳力暉，李 燊

（1.河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056038； 2.中國水利水電科學研究院北京中水科海利工程技術有限公司，北京 100038； 3.河北工程大學 河北省智慧水利重點實驗室，河北 邯鄲 056038； 4.南水北調中線干線工程建設管理局 河北分局邯鄲管理處，河北 邯鄲 056006）

干支流交匯區水沙運動過程主要受入匯角、匯流比、水流自身物理特性等因素的影響［1-2］，當挾帶大量泥沙的水流通過交匯區時流速變小、挾沙能力降低，使大量泥沙淤積，主河道水位抬高，增加了洪水漫堤的可能性，因此研究泥沙淤積規律對渠道過流能力及安全運行具有重要意義［3］。 目前相關學者已對支流入匯區域的泥沙淤積進行了大量研究，如：彭萬兵等［4］通過運用現場觀測與物理水槽模型試驗相結合的方法對重慶市主城區嘉陵江入匯長江河段的泥沙淤積進行分析，得出停滯區與支流入匯側的分離區是易產生泥沙淤積區域的結論；敖汝莊等［5］通過水槽試驗研究泥石流入匯主河時交匯區的泥沙淤積情況，發現入匯角分別為30°、60°、90°時，交匯區的泥沙淤積率隨支流流量及匯流比的增大而增大；詹磊［6］在研究渠道泥沙淤積規律時得出干支流頂托作用增強時交匯口上游河道內泥沙沿程落淤的結論。 雖然外洪入渠形式上屬于支流入匯范疇，對其進行研究時可以借鑒很多干支流交匯的研究成果，但外洪通過翻越渠頂與干渠交匯，與傳統干支流交匯在空間上有本質的不同，且上述研究大多考慮支流流量對主流泥沙淤積的影響，未探究支流含沙量這一因子的影響，因此本文通過水槽模型試驗分析外洪含沙量對干渠流速分布以及泥沙淤積形態的影響，進一步總結外洪入渠的泥沙淤積規律。

1 試驗模型布置

試驗模型由干渠和外洪導水槽組成。 干渠長4.00 m，外洪導水槽（試驗段）長2.00 m，干渠表面糙率為0.014，干渠橫斷面為梯形斷面，渠底寬0.35 m、渠頂寬0.75 m、渠深0.16 m，邊坡系數為1.25。 外洪導水槽由有機玻璃板制作而成，外洪導水槽與干渠入匯角為60°。 在試驗段布置11 個測量斷面（編號為cs7 ～cs17），各斷面間隔為20.00 cm，外洪入渠進口段位于cs9—cs13 斷面之間，試驗模型布置見圖1。

每個斷面設置5 條測驗垂線，從左岸到右岸依次為垂線1～垂線5，各垂線間隔為12.50 cm，干渠橫斷面垂線布置見圖2。

圖2 干渠橫斷面垂線布置

為排除干渠流量及水位等因素的干擾，試驗中干渠流量控制為7 L／s，試驗段入匯口下游水深控制為9.33 cm，選取3種外洪流量，分別為1、2、3 L／s，每種外洪流量分別對應3種含沙量30、40、50 kg／m3，共設置9種試驗工況。 采用三維電磁流速儀測量流速，采用水準儀和鋼尺測量泥沙淤積厚度，干渠兩側平行設置同高程木軌，水位測針固定于水平木板上，通過滑動在木軌之上的水平木板進行水位測量。

2 試驗結果及分析

2.1 外洪含沙量對洪口上游流速分布的影響

對洪口上游cs8 斷面的流速橫向分布進行觀測，流速觀測點距水面5.00 cm，3種外洪流量下cs8 斷面的流速橫向分布相似，因此將外洪流量為1 L／s 時cs8斷面的流速橫向分布作為典型，見圖3。可以看出，垂線5 流速最小，原因是外洪匯入干渠導致干渠出現水流紊動現象，垂線5 離洪口最近，受干擾最大；除垂線5 外，垂線1 流速也相對較小，原因是渠道邊壁的摩擦阻力較大；相較而言，垂線3 流速較大，原因是垂線3位于干渠中間區域，受渠道邊壁阻力及外洪的影響較小。

圖3 外洪流量為1 L／s 時cs8 斷面的流速橫向分布

對洪口上游cs8 斷面垂線3 進行流速垂向分布觀測，同樣將外洪流量為1 L／s 時cs8 斷面垂線3 的流速垂向分布作為典型，見圖4。 分析可知，受渠道底部摩擦阻力的影響，渠底流速最小，在一定水深范圍內流速隨水深減小而增大，而距離水面越近處水面越寬，導致靠近水面時流速減小。

圖4 外洪流量為1 L／s 時cs8 斷面垂線3 的流速垂向分布

渠道邊壁阻力作用導致干渠水流流速分布不均勻，近邊壁處水流的挾沙能力很弱，使得外洪挾帶的泥沙進入干渠后先在干渠右邊壁淤積，再逐漸向左邊壁擴散，淤積到一定厚度后造成干渠過流斷面面積減小，水流流速增大，推移質輸沙率增大，泥沙淤積范圍逐漸向干渠下游擴散。

2.2 干渠泥沙淤積形態分析

對9種工況下干渠泥沙淤積形態進行測驗，可知不同外洪流量的干渠泥沙淤積情況與4種外洪含沙量之間存在一定規律性且規律性一致，因此將外洪流量為1 L／s 時干渠泥沙淤積形態作為典型，見圖5（其中cs7 斷面為起始斷面，x方向為順水流方向，y方向為渠道右邊壁至左邊壁方向）。可以看出，外洪含沙量為30 kg／m3時，在距起始斷面50 cm 處出現泥沙淤積，在距起始斷面90 cm 處泥沙淤積厚度最大為13.5 cm；外洪含沙量為40 kg／m3時，在距起始斷面48 cm 處出現泥沙淤積，在距起始斷面80 cm 處泥沙淤積厚度最大為14.7 cm；外洪含沙量為50 kg／m3時，在距起始斷面46 cm 處出現泥沙淤積，在距起始斷面70 cm 處泥沙 淤積厚度最大為15.3 cm。

圖5 外洪流量為1 L／s 時不同外洪含沙量的干渠泥沙淤積形態

進一步分析外洪流量為1 L／s 時不同外洪含沙量的各斷面泥沙淤積厚度，見圖6，可知外洪含沙量越高，泥沙淤積厚度越大，泥沙淤積起始位置和最大泥沙淤積厚度出現位置越靠近干渠上游。

圖6 各斷面泥沙淤積厚度

當外洪匯入干渠時不同流動方向的水流相互摻混，會在交匯區產生水流頂托效應，使洪口上游水位壅高形成壅水區。 試驗結果表明，外洪含沙量越高，外洪對干渠水流的頂托作用越明顯，洪口上游水位壅高現象越顯著，使得泥沙淤積范圍更趨于向上游擴散。 通過分析不同外洪含沙量對干渠泥沙淤積形態的影響，可以在洪水來臨前為避免泥沙過度淤積降低干渠輸水能力進而引發渠水漫堤做好安全措施。

3 結論

通過分析外洪對干渠內斷面的流速橫向分布和流速垂向分布，可得洪口附近和渠道邊壁處流速較小；在一定水深范圍內流速隨水深減小而增大，靠近水面時流速減小。 不同外洪含沙量對應的泥沙淤積過程具有一定的相似性，外洪入渠泥沙淤積從干渠右邊壁向左邊壁擴散，達到一定淤積厚度后逐漸向干渠下游擴散。外洪含沙量越高，泥沙淤積厚度越大，泥沙淤積起始位置和最大泥沙淤積厚度出現位置越靠近干渠上游。