引水渠道口泥沙淤積影響研究

何佩詩，涂志俊

(1.湖北志宏水利水電設計有限公司，湖北 武漢 430070；2.湖北路達勝工程技術咨詢有限公司，湖北 武漢 430015)

0 引言

引水渠道是河道常見的分汊形式，當河道水流路徑發(fā)生改變時，會攜帶大量的泥沙進入渠道，導致泥沙在渠道口門處產生不同程度的淤積，造成渠道堵塞，如何防止渠道淤積，學者們進行了多方面研究。辛虹等[1]對鄭州引黃灌區(qū)渠道淤積的措施進行了研究，結果表明：采取科學的渠道清淤措施，能有效的防止渠道淤積；陳海鋒[2]對昌馬渠首口門泥沙淤積計算方法及防治措施進行了分析，結果表明：通過對引水渠道口門淤泥量進行計算與分析，得出計算結果與實際情況一致；武金明等[3]對蘭州雁灘南河道引水防淤方案進行了研究，結果表明：采用水力排沙為主，機械清淤為輔的清淤方式，可有效的清除河道淤積；林子谷[4]對河床淤積問題現狀及治理措施進行了研究，結果表明：治理后的淤泥淤積厚度均比治理前的淤積厚度小；霍玉國等[5]對不同年份水沙系列下水庫泥沙淤積變化進行了分析，結果表明：泥沙淤積發(fā)展速度較快的時段主要是第1年，此后水庫泥沙淤積速度逐漸變慢；田鵬偉等[6]對外洪含沙量對干渠泥沙淤積影響進行了研究，結果表明：外洪含沙量越大，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。

以上學者研究了河道的防淤措施，分析了含沙量對渠道泥沙淤積的影響，本文參考以上學者的研究結論，通過對引水渠道泥沙淤積進行數學模型計算，在不同糙率和水沙強度條件下，對引水渠道口泥沙淤積的規(guī)律進行進行分析。

1 研究區(qū)概況

主流河道分汊而形成的引水渠道，在河道主流進入引水渠道時，在水體主流作用下，水流在一定范圍內產生彎曲產生環(huán)流，水流帶動水體中大量泥沙進行運動。泥沙運動過程中，上部泥沙含量較少，泥沙粒徑較小的水體，在水流作用下，進入引水渠道流至下游出口；而下部泥沙含量較大，且泥沙粒徑較大的水體運動較慢，在水流挾沙能力較小清況下，泥沙逐漸沉入渠道底部，并且在渠道口附近越積越多，從而導致渠道口附近產生嚴重的淤積現象。對此，本文對引水渠道口附近的淤積變化進行了數學模型計算，在不同糙率和水沙強度條件下，對引水渠道門泥沙淤積的影響進行了研究。

2 數學模型建立

2.1 基本方程

本次數學模型計算采用一維非恒定水沙數學模型方程進行計算，方程中包括水流連續(xù)方程、水流運動方程、泥沙連續(xù)性微分方程、懸移質河床變形方程以及水流挾沙力方程。

(1)水連續(xù)方程：

(1)

(2)水流動運輸方程：

(2)

(3)泥沙連續(xù)性微分方程：

(3)

(4)懸移質河床變形方程：

(4)

(5)水流挾沙公式：

(5)

式中，Q—水流流量，m3/s；x—流程，m；B—河寬，m；Z—水位，m；t—時間，s；R—水力半徑，m；A—過水斷面面積，m2；g—重力加速度；n—糙率系數；α—懸移質泥沙恢復飽合系數；ω—泥沙的沉速，m/s；S—斷面平均含沙量，kg’/m3；S*—水流挾沙力，N；′—泥沙的干密度，kg/m3；Zb—河床底部高程，m；k—挾沙力系數；m—挾沙力指數。

糙率系數是綜合反映河床和河道兩岸邊界粗糙情況對水流阻力影響的系數，邊界表面越粗糙，糙率越大，邊界表面越光滑，則糙率越小。糙率系數的取值可直接影響水力計算的精度，由于引水渠道兩岸邊界是由漿砌條石和混凝土防滲襯砌，本次模擬試驗選取3種糙率系數進行計算分析，分別為0.018、0.020、0.024。

泥沙恢復飽和系數是反映懸移質不平衡輸沙時，含沙量向飽和含沙量即挾沙能力靠近的恢復速度，其取值的合理性直接影響河道淤積預測精度。本次模型計算選取懸移質泥沙恢復飽合系數在河道淤積時為0.24，在河道水流沖刷時為0.9，挾沙力系數為0.12，挾沙力指數為0.95。

2.2 模型設計

根據對引水渠道尺寸實際測量，渠道斷面為梯形斷面(如圖1所示)，在引水渠道進水口處，其高程為32.84m，在渠道出水口處，其高程為26.64m，渠道底部寬度為106.45m，渠內坡比為1∶2.4。為了防止渠道內的輸水在兩岸土壤滲透作用下流失，引水渠道的兩岸邊界采用0.12m厚的混凝土作為防滲襯砌，防水水流沖刷。

圖1 引水渠道斷面示意圖

本次模型計算以引水渠道2010—2020年實測水文數據為計算依據，根據測量數據推算引水渠道的引水過程，并對渠道來沙情況進行了研究。通過來沙情況，對水渠內的分沙引沙過程進行了分析，并對引水渠道內泥沙淤積情況進行了計算。

3 計算結果與分析

3.1 糙率對渠道淤積變化

根據引水渠道內泥沙淤積計算結果，引水渠道距進水口100km內沿程淤積變化如圖2所示。

圖2 引水渠道沿程淤積變化

由圖2可知，隨著離進水口距離越遠，引水渠道淤積厚度先快速減小，然后隨著淤積速度的緩慢，渠道內淤積厚度也隨之緩慢增加，當達到一定距離后，淤積厚度趨于平穩(wěn)。隨著時間的增加，引水渠道淤積厚度逐漸增大，在第18年，引水渠道淤積厚度最大。

根據引水渠道內泥沙淤積計算結果，在不同糙率系數條件下，引水渠道局部沿程淤積變化如圖3所示。

圖3 不同糙率條件下引水渠道局部沿程淤積變化

如圖3(a)所示，當引水渠道糙率系數為0.018時，隨著距離進水口距離的增大，渠道內淤積厚度均先增大再減小。在第4年和第8年，泥沙在距離進水口0.125km位置淤積厚度最大，最大值分別為0.78、1.26m；在第12年和第18年，泥沙在距離進水口0.375km位置淤積厚度最大，最大值分別為1.63、1.82m。當引水渠道淤積達到最大厚度后，在渠道水流作用下，淤積厚度隨著離進水口的增大逐漸減小，當在距離進水口5km位置，淤積厚度均有趨于平穩(wěn)跡象。在距進水口相同距離條件下，時間越長，渠道淤積的厚度越大。

如圖3(b)所示，當引水渠道糙率系數為0.020時，隨著距離進水口距離的增大，渠道內淤積厚度均先增大再減小。在第4年和第8年，泥沙在距離進水口0.125km位置淤積厚度最大，最大值分別為0.86、1.38m；在第12年和第18年，泥沙在距離進水口0.375km位置淤積厚度最大，最大值分別為1.75、1.99m。隨著離進水口距離越遠，渠道內淤積的厚度越小，當距進水口相同距離條件下，時間越長，渠道淤積的厚度越大。

如圖3(c)所示，當引水渠道糙率系數為0.024時，隨著距離進水口距離的增大，在第4年，渠道內淤積厚度逐漸減小；在第8年、第12年和第18年，渠道內淤積厚度均先增大再減小。在第4年，泥沙在進水口位置淤積厚度最大，最大值為0.85m；在第8年，泥沙在距離進水口0.125km位置淤積厚度最大，最大值為1.37m；在第12年和第18年，泥沙在距離進水口0.25km位置淤積厚度最大，最大值分別為1.84、2.15m。隨著離進水口距離越遠，渠道內淤積的厚度越小，當距進水口相同距離條件下，時間越長，渠道淤積的厚度越高。

由圖3可知，在相同糙率條件下，隨著距離進水口距離的增大，渠道內淤積厚度均先增大再減小，渠道淤積厚度最大的位置，均不在口門前端，而是進入渠道有一定距離，時間越長，離進水口的距離相對較遠。在不同糙率條件下，糙率系數越大，渠道內淤積的厚度越高。由于糙率的增大，渠道兩岸邊界阻水作用越大，水深也隨之增大，水流流速降低，因此水流的挾沙能力減小，泥沙運動量減小后沉入渠道，形成渠道淤積現象。

3.2 水沙強度渠道淤積變化的影響

根據引水渠道內泥沙淤積計算結果，在不同強度水沙條件下，引水渠道局部沿程淤積變化如圖4所示。

圖4 不同水沙條件下引水渠道局部沿程淤積變化

如圖4(a)所示，在小水小沙條件下，隨著距離進水口距離的增大，渠道內淤積厚度均快速減小，然后再趨于平穩(wěn)。渠道內淤積厚度最大位置為渠道口門位置，在第4年、第8年、第12年、第18年，渠道淤積最大厚度分別為0.35、0.71、0.91、1.15m。時間越長，渠道淤積的厚度越高。當距離進水口小于1km時，渠道內淤積厚度快速減小；當距離進水口大于1km時，渠道內淤積厚度減小緩慢；在距離進水口大于3km時，渠道內淤積厚度減小速度逐漸趨于平穩(wěn)。

如圖4(b)所示，在中水中沙條件下，隨著距離進水口距離的增大。在第4年和第8年，渠道內淤積厚度均快速減小，然后再趨于平穩(wěn)；在第12年和第18年，渠道內淤積厚度均先增大再快速減小，然后再趨于平穩(wěn)。在第4年、第8年，渠道淤積最大厚度在渠道口門位置，最大值分別為0.6、0.87m；在第12年和第18年，渠道淤積最大厚度在距離進水口0.125km位置，最大值分別為1.16、1.41m。隨著時間的增加，渠道淤積的位置逐漸偏移進入渠道內部。

如圖4(c)所示，在大水大沙條件下，隨著距離進水口距離的增大，在第4年渠道內淤積厚度均快速減小；在第8年、第12年和第18年，渠道內淤積厚度均先增大再快速減小。在第4年，渠道淤積最大厚度在渠道口門位置，最大值為0.71m；在第8年、第12年和第18年，渠道淤積最大厚度在距離進水口0.125km位置，最大值分別為1.02、1.48、1.87m。當水沙強度相同時，時間越長，渠道淤積的厚度越高。

由圖4可知，隨著水沙強度的增大，渠道內淤積的厚度也逐漸增大，在水沙強度較小時，渠道口門位置沖刷較小，泥沙在渠道口門位置開始淤積，淤積厚度最大。當水沙強度增大時，渠道口門位置沖刷產生較大沖刷，渠道淤積厚度最大的位置在渠道內距進水口0.125km附近。在相同水沙強度條件下，時間越長，渠道淤積的厚度越高。

3.3 泥沙粒徑條件對渠道淤積變化的影響

根據引水渠道內泥沙淤積計算結果，在不同泥沙粒徑條件下，引水渠道累計輸沙量如圖5所示。

圖5 不同粒徑條件下引水渠道累計輸沙量

由圖5可知，在時間為第10年時，進水口累計輸沙量最大為0.814×107t，出水口累計輸沙量最大為0.425×107t，當粒徑小于0.1mm時，泥沙在水流作用下被帶往下游出口，當粒徑大于0.1mm時，水流的挾沙能力減弱，泥沙顆粒基本淤積到渠道底部。

4 結論

采用數學模型對引水渠道的泥沙淤積進行計算，分析引水渠道口泥沙淤積的規(guī)律，得到如下結論。

(1)渠道口淤積厚度分布不均，進水口0.125～0.25km范圍內渠道淤積厚度最大。糙率系數越大，渠道內淤積的厚度越高。水沙強度較小時，泥沙在渠道口位置開始淤積。隨著水沙強度的增大，渠道淤積厚度開始增加，時間越長，渠道淤積的厚度越高。

(2)距離進水口距離越遠，引水渠道的淤積厚度快速減小。泥沙粒徑小于0.1mm時，泥沙被帶往下游出口，泥沙粒徑大于0.1mm時，泥沙顆粒淤積到渠道底部。

(3)渠道淤積規(guī)律影響因素復雜，文章未考慮水質變化等因素的影響，因此結論需要進一步深入研究。