基于室內模型試驗的水電站樞紐工程泄洪閘水沙演化特征分析研究

王偉

（遼寧省河庫管理服務中心，遼寧 沈陽 110003）

1 引言

水利工程的興建極大程度推動了我國水資源的高效利用，但不可忽視許多河流由于泥沙淤積、高水沙比、岸坡水土保持能力弱等，造成河床擁塞、航運困難、水庫庫容減少和水電站發(fā)電能力下降。由此可見，開展水利工程水沙演化特征分析對提升工程設計水平以及研究水沙沖淤均具有重要價值[1-3]。國內外已有一些學者或水利工程師通過計算流體力學，建立水質模型，開展水沙演化模擬分析，預判水沙淤積狀態(tài)，為實際工程運營提供重要參考[4-6]。但由于實際工程不可能完全理想化，因而開展室內水工模型試驗很有必要，很多學者通過水工模型試驗研究，獲得了水工結構破壞狀態(tài)下特征參數[7-9]，為水利工程建設及運營提供重要試驗依據。本文通過對實際工程進行長期監(jiān)測，設計開展室內水工模型試驗的水沙演化分析，為探討水利工程泥沙含量演化及排淤沖沙提供重要參考。

2 模型試驗介紹

在某河流上所建水電站需考慮區(qū)段內水流泥沙淤積對泄洪閘影響，因而本文考慮在室內設計開展水工模型試驗，研究該水電站樞紐工程水沙演化狀態(tài)，為工程建設運營提供重要參考。受水工模型尺寸限制，在該水電站4 km范圍對水工模型開展試驗研究，模型長寬比尺參數[10]均為100，水流中含沙量、流量以及流速模型參數分別為2、10萬、10，按照試驗規(guī)范標準[11]設計制作出水工河道以及水利樞紐工程模型。

試驗參數采用該水電站樞紐工程5—8月水力特征參數監(jiān)測數據，包括水電站上游水流流量與含沙量、下游出水電站泄洪洞后的流量與含沙量，并監(jiān)測水電站運行過程中上游水位變化情況。限于篇幅，本文給出水電站上游水流流量與含沙量在監(jiān)測時段內變化關系，如圖1所示。根據長期監(jiān)測數據以及圖1可知，水電站上游進入壩址區(qū)水流流量6月23日最大為3 780 m3/s，6—7月日均流量可達2 023 m3/s，相比5月增大了147.7%；下游出泄洪洞后流量最大為4 040 m3/s，與上游壩址區(qū)內最大流量時刻一致；上游庫水位最高為255.95 m，4個月內水位線先降低后升高，最低水位為212.10 m，工程實測時間是7月4日，8月最高水位可達239.74 m。本文模型試驗即以上述參數為控制條件，在水工模型上安裝監(jiān)測傳感器，并實時將數據傳回采集系統(tǒng)。工程監(jiān)測點分布，如圖2所示。在對各水力特征參數變化特征進行觀測的基礎上，以泄流過程中水力各特征參數變化反映水電站樞紐工程水沙演化特征。

圖1 上游水流流量與含沙量變化情況

圖2 工程監(jiān)測點分布

3 模型試驗結果特征分析

3.1 特征參數分析

基于模型試驗全過程中實時監(jiān)測數據，得到不同時刻水電站模型上、下游特征參數變化情況，如圖3所示。從圖3可以看出，當水電站壩前水位發(fā)生變化時，沿程水位變化有所差異，其中在壩區(qū)1 500 m里程內，水位變化較??；在壩前水位為222.80 m時里程1 500 m以內水位變化幅度不超過0.03%，變化幅度最大為壩前水位212.40 m時的0.2%。相比而言，在里程1 500～4 500 m內水位線變化幅度較大，其中在壩前水位212.40、217.80 m時分別達0.20%、0.04%，且均為隨里程增大水位線逐漸抬高趨勢。分析表明，水電站壩區(qū)內水沙淤積主要發(fā)生在里程1 500～4 500 m內，該里程內水位抬高變化顯著，水沙淤積明顯，而里程1 500 m以內幾乎無水沙淤積現象。

圖3 上游壩區(qū)里程內水位線變化情況

根據模型中各監(jiān)測點水位數據，獲得模擬河道內特征點水位變化，如圖4所示。從圖4可知，A點監(jiān)測水位最大值為228 m，水位變化與上游來水流量有關，當流量愈大時則水位線愈高，上游來水流量與水位線具有一定正相關特征；從整體水位線變化來看，變化量值最大未超過20 m；對比同一時間區(qū)段內不同監(jiān)測點水位可知，水位以里程較大的測點為最大，其中D點所在里程相對較大，在第2 000 h該測點水位為223.2 m，相比C點同一時刻水位增大了2.6%。

圖4 各監(jiān)測點水位時程曲線

在泄流沖淤試驗過程中，由于壩區(qū)上游流量變化均會引起泥沙淤積，通過觀測模型中河床變化，可反映水庫泥沙淤積演化過程，模型中不同時刻變化形態(tài)如圖5所示，并將各橫斷面上模型實測地形高程與水電站樞紐工程實測地形高程對比，結果如圖6所示。從圖5—6可以看出，模型試驗中泥沙存在淤積現象，但對河道沖刷并不顯著；由地形高程曲線可知，上、下游段模型試驗值與實際工程監(jiān)測值一致，中游段模型試驗值較高，全斷面地形高程呈“U”字形，地形高程最低約為180 m，最大變化幅度為33.3%。中游段試驗結果較高，模型中泥沙等含量均采用概化換算獲得。一方面，限于模型尺寸效應，試驗結果雖能為工程提供參考，但與實際工程仍有一定差異；另一方面，實際工程中河床地形高程還受地質構造活動影響，而這種情況在試驗室無法準確模擬，因而模型試驗結果高于實測值，最大相差幅度為5.4%。

圖5 模型中不同時刻河床地形變化

圖6 斷面地形高程結果對比

3.2 底孔堵塞沖刷分析

當泄洪洞上游泥沙淤積嚴重，會造成泄洪閘底孔堵塞，進而影響泄流效率，為此探討底孔堵塞后沖刷方案。模型試驗中上游來水流量控制為800 m3/s，水位為230 m，排沙洞流量控制為300 m3/s，分別對2個明流洞、3個孔板洞、3個排沙洞開展試驗，依次打開a#、b#明流洞，關閉其他孔洞，待測試洞內含沙量穩(wěn)定后，對孔板洞、排沙洞開展試驗測試，依次獲得各個孔洞含沙量隨時間變化關系，如圖7所示。從圖7可以看出，不論是明流洞還是孔板洞、排沙洞，其含沙量均是先增后減至穩(wěn)定狀態(tài)變化，a#明流洞至含沙量穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)時長達315 min，含沙量峰值為20 kg/m3，穩(wěn)定狀態(tài)下含沙量約為2.95 kg/m3，相比峰值含沙量降低了85.3%。a#孔板洞峰值含沙量為60 kg/m3，含沙量至穩(wěn)定狀態(tài)下降幅超過80%；對比2個孔板洞含沙量變化可知，b#孔板洞峰值含沙量更大，達70 kg/m3。綜上分析來看，明流洞排沙量最小，峰值含沙量僅為排沙洞的28%，孔板洞排沙能力僅次于排沙孔。

圖7 各孔洞含沙量隨時間變化

泄洪閘進水塔排墩前地形高程在沖刷模型試驗前、后對比，如圖8所示。從圖8可知，經沖刷排沙后，泄洪閘前高程顯著降低，泥沙淤積影響減弱；試驗前地形高程穩(wěn)定在192 m，經沖刷后地形高程最低僅為175 m，降低幅度達9%。分析表明，模型沖刷試驗有效減弱了泥沙淤積現象，可為水電站樞紐工程的安全運營提供重要防淤思路。

圖8 沖刷模型試驗前、后地形高程對比

4 螺旋流定點沖淤試驗分析

為研究螺旋流排沙沖淤效果，設計以不同管徑螺旋面排沙沖淤，以5、8 cm作為管徑對比方案，螺旋面形態(tài)如圖9（a）所示，螺旋流排沙裝置如圖9（b）所示。試驗控制上游水位為120 cm，排沙洞流量為2.6 L/s，以固定點處的螺旋管道作為輸沙渠道，測定全過程管徑出口含沙量，獲得含沙量變化曲線。

圖9 螺旋流排沙裝置

4.1 螺旋流5 cm管徑

5 cm管徑螺旋流輸沙過程中平均含沙量與累計含沙量變化曲線如圖10所示，平均含沙量呈先增后減變化，峰值含沙量為115 kg/m3，位于第74 min，后持續(xù)下降，直至最低含沙量10 kg/m3。另從平均含沙量的增長與下降階段來看，增長階段分為緩慢增長與快速增長2個增長速率段，緩慢增長段為0～36 min，增長幅度約為153%，而從37 min后至峰值含沙量，平均每分鐘含沙量增長1.63 kg/m3；而在下降階段，平均含沙量亦具有速率轉折點，其臨界點位于第125 min左右，分析表明出現平均含沙量的增長和下降變化拐點與螺旋管徑剖面流向轉換停滯有關，當螺旋流的旋轉方向到達極限點時會發(fā)生螺旋流速降低，進而含沙量會有速率變化的過程。累計輸沙量處于持續(xù)增長階段，在峰值含沙量時即第74 min時累計輸沙量達800 kg，而累計輸沙量增長斜率分為2個階段，0～60 min內平均每分鐘增加含沙量9.2 kg，在該時間點之后累計含沙量增長斜率逐漸放緩，即第60 min為累計含沙量峰值增長臨界點，相比峰值平均含沙量有所提前。

圖10 平均含沙量與累計含沙量變化（5 cm管徑）

4.2 螺旋流8 cm管徑

同理可得到8 cm管徑含沙量變化關系，如圖11所示。8 cm輸沙管徑的含沙量變化曲線趨勢與5 cm管徑基本一致，峰值含沙量相比5 cm管徑增長了4.3%，達120 kg/m3，位于第100 min；另在37.5 min前，含沙量變化較小，基本維持在20 kg/m3，而在第37.5 min至峰值含沙量階段，平均每分鐘含沙量增長1.76 kg/m3；而在降低階段，8 cm管徑的降低速率拐點位于第136 min左右；對比5 cm管徑下含沙量結果可知，8 cm輸沙管徑的螺旋流排沙能力優(yōu)于5 cm管徑，沖淤能力與螺旋流管徑關系為正相關。從累計含沙量特征參數亦可知，其增長斜率拐點約位于第92 min，此時累計含沙量達800 kg；在該增速拐點后，增長速率放緩，92～160 min增長幅度為83.5%；從整體累計含沙量對比來看，8 cm管徑的累計含沙量在各時刻均高于5 cm管徑，2個管徑在第140 min時均已處于累計含沙量增長的第2階段中，8 cm管徑累計含沙量達1 400 kg，相比5 cm管徑其增大幅度為14.3%。綜合分析來看，平均含沙量峰值點均滯后于累計含沙量增長速率拐點；2種管徑最終含沙量均穩(wěn)定在10～15 kg/m3，但8 cm管徑螺旋流排沙量高于5 cm管徑，有助于孔洞排沙沖淤。

圖11 平均含沙量與累計含沙量變化（8 cm管徑）

5 結論

（1）研究了在壩區(qū)里程1 500～4 500 m內水沙淤積，里程1 500 m以內幾乎無水沙淤積；上游來水流量與水位線為正相關關系；全斷面地形高程呈“U”字形，地形高程最低約為180 m，最大變化幅度為33.3%，模型試驗的地形高程結果高于工程實測值。

（2）底孔堵塞沖刷試驗中含沙量均是先增后減至穩(wěn)定狀態(tài)，明流洞排沙量最小，峰值含沙量僅為排沙洞的28%，孔板洞排沙能力僅次于排沙孔；經沖刷排沙后，泄洪閘前高程降低幅度達9%，地形最低高程僅為175 m。

（3）5 cm管徑螺旋流排沙方式下平均含沙量呈先增后減變化，峰值含沙量為115 kg/m3，增長與下降階段均有速率拐點；累計輸沙量呈持續(xù)增長態(tài)勢，但增長速率逐漸放緩，第60 min為累計含沙量峰值增長臨界點。

（4）8 cm管徑螺旋流排沙方式下平均含沙量、累計含沙量變化趨勢均與5 cm管徑一致，但峰值含沙量相比5 cm管徑增長了4.3%，且各時刻累計含沙量均高于5 cm管徑，2種管徑最終平均含沙量均穩(wěn)定在10～15 kg/m3。