小浪底水利樞紐防泥沙淤堵試驗研究

王二平, 張欣， 孫東坡， 郭選英

(華北水利水電大學 水利學院,河南 鄭州 450045)

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小浪底水利樞紐防泥沙淤堵試驗研究

王二平, 張欣， 孫東坡， 郭選英

(華北水利水電大學 水利學院,河南 鄭州 450045)

摘要：小浪底水利樞紐泥沙的防治關(guān)系到工程的安全運行.在樞紐后期運用過程中,確定進水塔前允許淤沙高程值，并制定防止塔前泥沙淤堵的泄流排沙方案是非常緊迫的事情.利用正態(tài)渾水動床模型試驗對允許淤沙高程187 m進行復核.在此試驗成果的基礎(chǔ)上,將典型年洪水過程概化為5種工況進行泄流孔洞運行調(diào)度方案試驗,發(fā)現(xiàn)各孔洞排沙效率與孔洞組合運用方式、閘門開啟時間、孔洞附近地形、泄流量大小等諸多因素相關(guān)聯(lián).提出了泄流孔洞運行調(diào)度推薦方案:當出庫流量小于發(fā)電洞泄量時,優(yōu)先啟用發(fā)電洞泄流;當出庫流量超過發(fā)電洞泄量時,超出部分按照通過排沙洞、明流洞、孔板洞的順序泄流,同時排沙洞以3號、2號、1號的開啟順序拉沙效果為佳.

關(guān)鍵詞：小浪底;泥沙淤堵;模型試驗;排沙效率；泄流；排沙

小浪底水利樞紐是黃河干流上的大型綜合性水利工程,也是治理黃河的關(guān)鍵控制性骨干工程,控制流域面積69.4萬km2,占黃河流域面積的92.3%[1],在黃河綜合治理開發(fā)中具有重要的戰(zhàn)略地位.為了滿足泄洪、發(fā)電、排沙、排漂等任務(wù)的需要,小浪底水利樞紐共設(shè)置了3條孔板消能泄洪洞、3條排沙洞、6條發(fā)電洞、3條明流洞及1條灌溉洞.其中孔板洞與排沙洞進口底高程皆為175 m;發(fā)電引水口底高程為190 m(5號、6號發(fā)電洞)與195 m(1—4號發(fā)電洞)；3條明流洞進口底高程分別為195、209、225 m.3條排沙洞共18個進水口,分別位于6條發(fā)電洞進水口的下方,其他泄流洞在平面上呈相間布置,從而形成底部泄洪排沙、中間引水發(fā)電和上部泄洪排漂的格局[2].

黃河來水含沙量高、來沙量大.自1999年小浪底水利樞紐投入運用至2013年10月,庫區(qū)共淤積泥沙30.41億m3,三角洲頂點高程達215.09 m,距壩里程11.4 km,壩前淤沙高程由132.0 m抬高至184.6 m,淤積抬升了52.6 m,已經(jīng)高于最低進水口底板高程9.6 m.由于泥沙淤積影響,有可能導致樞紐進水口淤堵、閘門啟閉困難.當進水塔群泄水孔洞前泥沙淤積高程超過允許淤沙高程時,打開泄水孔洞,孔洞會出現(xiàn)不出流或短時間不出流現(xiàn)象.因此,開展小浪底水利樞紐進水塔群前允許淤沙高程與防淤堵試驗研究不僅非常必要,而且非常緊迫.

筆者通過建立小浪底水庫壩區(qū)實體模型,開展底孔前允許淤沙高程渾水動床模型試驗,確定允許淤沙高程.然后，在允許淤沙高程試驗結(jié)論的基礎(chǔ)上開展底孔防淤堵試驗.通過防淤堵試驗對進水塔群前水流結(jié)構(gòu)、含沙量分布以及各泄水孔洞分流、分沙情況進行研究,提出進水塔群前防淤堵泄流方案，并驗證其合理性.

1模型概況

本試驗研究河段在壩區(qū)4 km范圍內(nèi),上起大峪河口,下至小浪底大壩.根據(jù)試驗要求及場地條件選定模型水平比尺λL和垂直比尺λH均為100.模型設(shè)計遵循水流重力相似[3]、阻力相似、泥沙懸移相似、河床變形相似[4]、泥沙起動相似等相似率.經(jīng)驗證,試驗確定的含沙量比尺λS和河床變形時間比尺λtz分別為2.0和13.7.依據(jù)黃河水利科學研究院、南京水利科學研究院[5]和中國水利水電科學研究院[6]關(guān)于小浪底動床模型試驗的經(jīng)驗,選取樹脂離子顆粒作為模型沙.模型布置及典型實測大斷面如圖1所示.

圖1　 模型平面布置與典型實測大斷面的關(guān)系

2渾水動床模型試驗

試驗開始后約5~6 d,底孔前淤積面淤升至187 m.靜置7 d后,開展允許淤沙高程187 m短歷時拉沙試驗和持續(xù)拉沙試驗,并將2種拉沙方案試驗后的河道縱剖面地形與初始地形進行比較.

2.1　試驗控制條件

為了使泄水孔洞前淤積面盡快抬升,流量選擇滿足6臺機組滿發(fā)的流量1 800 m3/s,而相應(yīng)的含沙量控制條件則根據(jù)1987年以來入庫實測汛期7—9月1 500~2 000 m3/s的平均含沙量選取,為75 kg/m3.壩前水位選取210 m,河床地形采用2014年汛前地形.

泄水孔洞調(diào)度方案為:關(guān)閉泄水孔洞,按水沙控制條件施放一定時間,當?shù)卓浊坝俜e面淤升至187 m時,開啟排沙洞,檢查底孔是否淤堵和通水的情況.

2.2　試驗前、后地形對比與分析

為了分析各個排沙洞泄流拉沙后進水塔前河床變形的分布特征,將2種拉沙試驗方案的實測地形數(shù)據(jù)套繪成如圖2所示的河床縱剖面高程變化圖.

圖2　試驗前、后河床縱剖面高程變化

從圖2中可以看出,2種方案下進水塔上游都有沖刷漏斗,淤積面高程一般都在177.0~178.5 m.區(qū)別之處在于:短歷時拉沙試驗后,進水塔群前210 m范圍內(nèi)為沖刷狀態(tài),局部沖刷可達10 m;持續(xù)拉沙試驗后,塔群前250 m的范圍內(nèi)為沖刷狀態(tài),局部沖刷可達10 m.從圖2中還可以看出,與短歷時拉沙試驗相比,持續(xù)拉沙試驗沖刷范圍增大很多,進水塔群前淤積的泥沙基本被沖刷干凈.

此外,試驗表明:3號排沙洞受附近地形回流淤積影響,排沙洞前淤積相對比較嚴重;當打開排沙洞排沙時,應(yīng)先從3號排沙洞開始排沙,然后依次是2號和1號排沙洞,這樣的開啟順序?qū)λ呵皼_刷漏斗的形成較為有利.

由試驗結(jié)果可知,允許淤沙高程為187 m的短歷時拉沙試驗與持續(xù)拉沙試驗過程中,進水塔前淤沙高程達到187 m后開啟排沙洞集中泄流拉沙是起作用的,排沙洞沒有淤堵.根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備安全運行條件,當泄水孔洞前淤沙高程超過187 m時閘門啟閉將受影響.因此,小浪底水利樞紐泄水建筑物底孔前允許淤沙高程采用187 m.

3塔群前防淤堵試驗

3.1　試驗控制條件

由允許淤沙高程試驗結(jié)論可知:當塔前淤積面高于187 m時,雖不會淤堵泄水孔洞,但會影響閘門啟閉.因此,該試驗以高程為187 m的淤積面作為初始地形.

從偏于進水塔群前防淤堵不利的角度考慮,實體模型試驗選取平水偏豐沙的2003年7—9月的實測入庫水沙過程作為入庫典型水沙條件.為了便于分析試驗成果,將試驗過程中設(shè)計的孔洞運用情況分為5種具有不同特點的工況,見表1.

表1　底孔防淤堵試驗的5種工況

3.2　試驗成果

由于工況4與工況5屬于典型設(shè)計工況，在此僅以其為例進行成果分析.

3.2.1壩區(qū)河道流態(tài)

試驗過程中,運用VDMS表面流場實時測量系統(tǒng)對整個試驗段進行表面流速測量,在工況5的情況下,測得壩區(qū)流場流態(tài)如圖3所示.

圖3　 工況5 壩區(qū)河道流態(tài)

由圖3可以看出:在工況5試驗條件下，庫區(qū)最大流速為1.634~1.960 m/s,模型進口主流區(qū)流速為1.307~1.634 m/s,行進至壩前時流速最小,一般為0.001~0.328 m/s.初始進庫水流靠河道右岸行進,由于右側(cè)山體的頂托作用,水流逐漸被挑向左岸,在16斷面處主流完全偏左,后又逐漸向河道中部趨近壩前,整個模型區(qū)主流呈 “S”型彎曲行進.由于大壩和進水塔的阻擋作用,在塔前左、右兩側(cè)形成了2個逆時針向的回流區(qū),進水塔南側(cè)附近相對北側(cè)回流區(qū)范圍要大,回流區(qū)的流速范圍為0.001~0.328 m/s.

利用ADV多普勒流速儀測得工況4下排沙洞前水流縱向流速,結(jié)果如圖4所示.

圖4　 工況4 排沙洞前縱向流速分布(塔前20 m斷面)

由圖4可知:2號排沙洞前水流流速偏小,其原因為,塔群前兩側(cè)的逆時針回流區(qū)反方向擠壓出洞水流,使流向進水塔中部的水流能量部分削減;由于塔前右側(cè)1號排沙洞附近回流區(qū)范圍大,相對3號排沙洞而言,1號排沙洞進口流速較大.

3.2.2進水塔群前含沙量分布

試驗過程中3個排沙洞進口含沙量隨時間的變化情況如圖5所示.試驗過程中不同時間段排沙洞孔口前含沙量隨來流的變化呈現(xiàn)出上下起伏的波動,說明塔前含沙量的分布與上游來流的大小有關(guān).

由圖5可知,由于整個試驗過程中壩前主流穩(wěn)定在河道中部行進,加之塔前兩側(cè)存在回流區(qū),上游攜帶下來的泥沙受回流擠壓影響,集中分布在進水塔中部.因此,試驗過程中通過2號排沙洞的水流含沙量最大.同時,由水下攝像系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果可知：在1號與3號排沙洞附近存在小范圍的漩渦,改變了孔口附近局部的水流流態(tài),使床面遭遇小幅度擾動,帶起了部分粒徑較小的泥沙通過開啟的排沙洞下泄；在3號排沙洞附近還出現(xiàn)了小幅度的邊灘滑動現(xiàn)象,加大了3號排沙洞的出口含沙量.

圖5　排沙洞含沙量隨時間的變化過程

3.2.3壩區(qū)沖淤分布

對比試驗前的淤積地形,試驗后模擬區(qū)總淤積量為1 214萬m3,約0.13億t.試驗前淤積地形縱坡與試驗后的情況對比如圖6所示,整個試驗段沿程呈現(xiàn)出不均勻的淤積狀態(tài),其平均淤積厚度約2.92 m.通過測量試驗前、后塔前地形,將塔群前6 m處橫斷面地形高程數(shù)據(jù)套繪在同一張圖上,如圖7所示.

圖6　河床縱剖面淤積高程對比

圖7　進水塔群前試驗前、后地形對比

由圖7可以看出,經(jīng)過一段時間的放水試驗后,進水塔群前形成了大小不等、形狀不規(guī)則的沖刷漏斗,沖刷坑深度為5~10 m,最大沖刷深度位于1號排沙洞前,達10 m.但是2號排沙洞附近地形的沖刷效果不是很理想,分析原因為進水塔群前左、右兩側(cè)存在的逆時針向回流區(qū)擠壓進洞水流,削減了一部分水流能量而導致其進口流速減小,一部分粗顆粒泥沙在自身重力作用下落淤,覆蓋了排沙洞底坎附近漩渦擾動所形成的小沖刷坑.在整個試驗過程中，塔前床面淤沙高程雖然沒有恢復至175 m,但泥沙不會淤堵閘門,泄水建筑物能夠保持泄流通暢.

在后續(xù)試驗過程中，可以在保持6個發(fā)電洞均勻分流的條件下適量加大2號排沙洞的開啟度,削減兩側(cè)回流區(qū)的影響,使3個排沙洞進口水流流速均衡、沖刷地形分布規(guī)則.較大的水流流速以及回流區(qū)的存在能夠使更多的床沙被帶動并隨水流下泄,為確保進水塔群前“門前清”提供了有利的條件.

4結(jié)語

1)通過拉沙試驗,對比河道不同過流斷面流速分布可知：進水塔群前進口主流區(qū)處流速較大;由于大壩和進水塔的阻擋作用,在塔前左、右兩側(cè)形成了2個回流區(qū),使落淤泥沙能夠被帶起,這為順利排沙提供了有利的條件.

2)推薦采用的泄水孔洞調(diào)度方案為:出庫流量小于發(fā)電洞泄量時,優(yōu)先啟用發(fā)電洞泄流;當出庫流量超過發(fā)電洞泄量時,超出部分盡量通過排沙洞、明流洞、孔板洞的順序泄流,減少庫區(qū)淤積.

3)泄流拉沙過程中,各孔洞排沙效率與孔洞組合運用方式緊密相關(guān),同時還與閘門開啟度、閘門開啟時間長短、孔洞位置、孔洞附近地形、泄流量大小有一定關(guān)系.開啟不同排沙洞泄流拉沙時,拉沙效果比較好的排沙洞開啟順序是:3號排沙洞先短歷時排沙,然后依次開啟2號、1號排沙洞順序排沙.

4)進水塔群前形成了大小不等、形狀不規(guī)則的沖刷漏斗,沖刷坑深度為5~10 m,最大沖刷深度位于1號排沙洞前,達10 m.在進水塔前淤積面達到重要控制高程(187 m)時,本文提出的閘門調(diào)度方案能夠使孔洞泄水通暢,確保塔前“門前清”,不會出現(xiàn)閘門啟閉困難等現(xiàn)象.

5)在整個試驗過程中,通過2號排沙洞的水流含沙量最大,拉沙效果最為顯著,為充分利用這一特點,試驗過程中可適量加大2號排沙洞的泄流量.

參考文獻

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[3]張俊華,王嚴平,尚愛親,等.挾沙水流指數(shù)流速分布規(guī)律[J].泥沙研究,1998(4):73-78.

[4]錢寧,張仁,周德志.河床演變學[M].北京:科學出版社,1989.

[5]竇國仁,王國兵,王向明,等.黃河小浪底工程泥沙問題的研究[J].水利水運科學研究,1995(3):197-209.

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(責任編輯：喬翠平)

Experimental Research on Anti-clogging Silt in the Xiaolangdi Reservoir

WANG Erping, ZHANG Xin, SUN Dongpo, GUO Xuanying

(North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Abstract:The success or failure of preventing sediment siltation in the Xiaolangdi reservoir is related to the safe operation of the project. In the later process, it is quite urgent to determine the allowed silt elevation values before the intake tower and furthermore develop the sediment discharge programs to prevent the silt clogging before the tower. In this paper, through normal muddy-water mobile-bed model test, firstly the allowed silt elevation of 187 m is reviewed, and then on the basis of the experimental conclusion, the flood process of the typical year is generalized into 5 kinds of working conditions to conduct an operation dispatch scheme test of the discharge hole. Furthermore, the relationships between the sediment flushing efficiency of each hole and many factors of the hole combination use ways, the gate turn-on time, the terrain near the hole, the vent size of the flow and etc., are obtained, and then, a recommended operation dispatch scheme of the discharge hole is proposed: when the storage outflow is less than the discharge flow of power tunnel, the latter starts preferentially; otherwise, the excess part is discharged in the order of desilting tunnel, flow tunnel, orifice hole, moreover, the desilting tunnel is opened in the order of 3#, 2#and 1#. At last, the test verifies its legitimacy.

Keywords:Xiaolangdi reservoir; silt clogging; model test; sediment flushing efficiency; discharge; sediment flushing

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5634(2015)06-0006-04

中圖分類號：TV731

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.06.002

作者簡介：王二平(1960—),男,河南鄭州人,教授,主要從事水力學與河流動力學方面的研究.
張欣(1989—),男,河南鄭州人,碩士研究生,主要從事水力學與河流動力學方面的研究.

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51579103).

收稿日期:2015-08-28