北引渠首扩建工程引水防沙的试验研究

胡海华，吉祖稳，董占地，王党伟

（中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048）

1 概 述

1.1 工程概况

北引渠首位于讷河县拉哈镇西北约6km嫩江干流上，渠首控制流域面积为96 211km2；嫩江干流尼尔基水库控制面积为66 382km2，占渠首总控制面积的69%。北引渠首工程自1976年建成以来，对下游的工农业发展产生了巨大的经济、社会效益。近年来随着下游工农业生产的发展及城镇居民生活用水的增多，原渠首 （无坝引水）的引水规模已日益不足，急需扩大。另一方面，上游尼尔基水库已经建成，即将投入运用，这为保证北引渠首安全、扩大引水提供了有利条件。然而由于北引渠首位于嫩江中游，该段江道平坦多汊、纵比降缓、滩槽差小，虽经多年整治，目前大的河势已被控制，但局部的冲淤仍有发生。特别是在尼尔基水库投入运用及渠首建闸壅水后，其来水来沙及闸前水流条件，都发生了较大变化。为了确保工程设计的科学合理和扩建工程的安全运行，需对北引渠首扩建工程引水防沙问题进行模型试验研究。

1.2 嫩江河道水沙的基本特点

嫩江发源于大兴安岭伊勒呼里山南坡，河道全长1 370 km，流域面积29.70×104km2。该流域属于中温带大陆性季风气候区，中下游多年平均降水量400～460mm，降水量年际变化较大，年内降水分布不均匀。降水主要集中在7—9月，占年降水量的70.0%左右。暴雨多发生在7、8两个月，约占全年的83.7%，其中，7月份发生暴雨场次最多，占60.0%。暴雨是形成嫩江流域洪水的主要因素，嫩江流域的洪水与暴雨特性一致，嫩江流域的洪水多由几次暴雨产生［1］。

嫩江为少沙河流，泥沙观测资料较少。据统计，阿彦浅站多年平均悬移质输沙率为13.54kg／s，多年平均悬移质输沙量为42.7×104t，多年平均悬移质含沙量为0.041kg／m3，实测最大悬移质含沙量为0.323kg／m3。嫩江流域没有推移质观测资料，按悬推比为10%计算推移质输沙量为4.27×104t，阿彦浅站多年平均总输沙量为47×104t，按面积推求北引渠首多年平均总输沙量为69×104t［2］。

2 模型设计与验证

2.1 模型设计

本次模型试验主要是研究嫩江干流修建泄洪闸之后河道的冲淤演变及引水渠道的取水防沙等情况，由于嫩江的水量较大、含沙量较小，河道演变主要以推移质为主。因此，在模型设计时，除了考虑水流运动相似以外，主要必须保证推移质的运动相似，兼顾考虑悬沙的运动相似。为了正确模拟枢纽附近的流态及工程的合理布置，因此原型范围不宜过大，以确保采用比较小的模型平面比尺。在综合考虑模型试验要求、试验技术条件、泥沙粒径及试验模拟范围等因素的基础上，本次局部模型试验采用正态模型，按重力相似准则设计，模型几何比尺采用80，模型沙采用天然沙。由于该河道没有实测的推移质资料，采用沙莫夫公式等经验公式进行不同流量级下推移质输沙率和推移质级配估算，结果见图1。

图1 不同流量级下的推移质级配图

2.2 模型验证

本次模型试验所模拟的河段较短，验证资料相对较为缺乏，但为了确保试验结果的可靠性和应有的精度，在收集已有实测资料及其理论分析的基础上，本次模型试验主要进行了水位、河段冲淤及引水渠现状引水量等几个方面的验证。

对于水位验证而言，除小水流量的局部点之外，其他条件下的原型与模型水位吻合较好，表明模型的糙率及阻力是相似的，从而满足了模型试验的精度要求；随着河道流量的增加，原型与模型的水位误差呈现逐渐减少的趋势，这主要是由于小流量时河道形态阻力的影响相对较大造成的。对于河段冲淤验证而言，原型与模型的沿程冲淤趋势是一致的，冲淤部位基本吻合，床面冲淤的横向分布在趋势上也是基本一致的，表明模型在冲淤部位及冲淤幅度上是基本相似的。对于渠道引水量的率定而言，在大江流量为126.00～445.00m3／s时，天然实际引水量基本在8.02～40.00m3／s，模型测量的引水量基本在8.70～40.53m3／s，二者的绝对误差基本在0.70m3／s以下，相对误差除了最小一级偏大外，其他流量级都在3%以下。因此，模型测量值与天然测量值是基本接近的，表明模型制作精度满足试验要求。

3 引水枢纽修建前后江道的演变分析

3.1 引水枢纽修建前后江道水位的变化

通过对引水枢纽建闸前、修建8孔泄洪闸、修建11孔泄洪闸、修建12孔泄洪闸等4种条件下不同流量级500、1 500、2 500m3／s下河道水位变化进行试验观测。结果表明，在流量较小时，由于泄洪闸的蓄水运用，小流量级的水位壅高幅度较大，基本在100cm左右；但在来流量较大时，由于河道正常来流量的水位已超过控制运用水位，泄洪闸敞开运用，此时相应流量级下的水位壅高幅度较小，基本在20cm以下。此外，8孔泄洪闸、11孔泄洪闸与12孔泄洪闸等3种布置方案的水位壅高幅度基本接近，11孔和12孔泄洪闸的壅水幅度略小于8孔泄洪闸。

3.2 引水枢纽修建前后江道的河势变化

本次试验主要观测了500，1 500，2 500m3／s三级流量下的河势变化情况。当流量为500m3／s时，主流坐弯比较明显；而1 500，2 500m3／s两级流量的主流线坐弯程度有所减小，但人工丁坝对主流的控制作用明显大于河道的自然变化。通过三级流量建闸前后主流线运行轨迹的比较可以看出，500，1 500，2 500m3／s流量级下建闸前后的河势变化并不明显。因此，修建引水枢纽之后，无论采用8孔或11孔坝闸结合方案，还是12孔全闸方案，3种布置方案基本没有改变原河道的水流运行趋势。

3.3 引水枢纽修建前后水流流速的变化

引水枢纽修建前后500，1 500，2 500m3／s三级流量下垂线平均流速的试验结果分析表明，不同流量级、不同断面的垂线最大流速所在位置与河道断面的最低点是基本对应的，流速分布的基本规律与水深变化基本一致，水深越大，垂线平均流速一般也越大。由此可见，在引水枢纽修建前后，当大江来流量比较小时，由于泄洪闸的控制运用，将导致壅水河段的水流流速急剧减小，对于500m3／s来流量而言，流速减小幅度高达50%左右；当大江来流量比较大时，由于泄洪闸敞开运用，此时取水枢纽对河道水流速的影响较小，水流流速的变化规律与水位的变化是相互对应的。

3.4 引水枢纽修建前后江道的河床冲淤变化

为了增加可比性，本次冲淤试验方案的进口水沙、出口水位及初始地形等条件完全相同。引水枢纽修建前后的河道冲淤沿程变化见图2。从总体变化趋势来看，试验进口至鱼嘴江段的河床冲刷量沿程呈逐渐增大的趋势，而从鱼嘴至试验出口江段的河床冲刷量沿程呈逐渐减小的趋势，整个试验江段的沿程冲淤变化基本呈 “V”字型。修建取水枢纽虽然没有改变江道冲淤变化的总体趋势，但对江道的冲淤变化还是有所影响的。由此可以看出，在取水枢纽修建之后，试验江段的床面冲刷能力有减小的趋势，即修建前淤积江段的床面淤积会有所增加，修建前冲刷江段的床面冲刷程度会有所减弱，但从减小幅度来看是比较小的。因此，可以认为取水枢纽修建之后对试验江段的冲淤变化影响不大。

图2 引水枢纽修建前后的河道冲淤沿程变化图

4 引水枢纽布置及泄洪闸不同布置方式的比较

根据该引水枢纽工程的初步设计方案要求，本次试验的取水枢纽布置将采用坝闸结合及全闸2种布置形式。在试验组合方案中，主要包括8孔泄洪闸＋溢流堰 （以下简称8孔＋堰）、11孔泄洪闸＋溢流坝 （以下简称11孔坝闸）和12孔泄洪闸 （以下简称12孔全闸）等3种布置型式，3种设计方案在布置位置上基本相同，且泄洪闸闸孔尺寸与底板高程均相同。

4.1 3种布置方式的水流特性比较

对于3种不同布置方案下水位变化而言，8孔或11孔坝闸结合方案和12孔全闸方案的壅水幅度基本相同，11孔坝闸和12孔全闸方案略小于8孔坝闸结合方案。对于不同布置方案下河势变化而言，3种布置型式的主流线基本相同，只是在取水枢纽附近河段，11孔坝闸或12孔全闸的主流线较8孔＋堰的主流线位置偏向右岸一点，但这种偏离幅度比较小，相对整个试验河段而言可以忽略不计。对于不同布置方案下流速变化而言，3种布置方式对水流流速的影响主要集中在泄洪闸附近，在此区域内，11孔坝闸和12孔全闸2种方案的最大流速位置几乎相同，但2种方案的最大流速位置较8孔＋堰偏向右岸一侧，而3种布置方案的最大流速数值却基本接近。因此，可以认为3种布置方式对流速分布有所影响，但对流速大小的影响不大。

4.2 3种布置方式对江道冲淤变化的影响

从前述分析可知，取水枢纽修建之后，试验江段的冲淤演变趋势没有改变，但变化幅度有所减小，而且8孔＋堰、11孔坝闸和12孔全闸3种布置方式的影响程度有所不同。试验结果分析表明，11孔坝闸及12孔全闸的冲淤变化幅度略大于8孔＋堰的冲淤幅度，而且这种变化特征在流量较大时更为明显，但是，11孔坝闸和12孔全闸的冲淤变化幅度基本接近，二者之间没有明显的差别。

4.3 不同泄洪闸布置方式的比较

通过对比泄洪闸修建前江道的主流河势、水流流速及主槽冲淤等指标的变化情况，可以看出全闸方案或闸坝方案对江道现状的影响要略小于8孔＋堰方案，而且从泄洪排沙的角度看，全闸方案或闸坝方案要优于8孔＋堰方案，因此，建议采用全闸方案或闸坝方案。对于最终采用11孔坝闸方案还是12孔全闸方案，由于二者的差别比较小，从模型试验结果看，2种方案均可使用，但在综合考虑水工设计技术及经济效益等多方面因素的情况下，建议本次设计采用11孔坝闸方案。

5 泄洪闸闸下极限冲刷能力及其消能防护措施

5.1 泄洪闸闸下的极限冲刷能力

在天然河道中修建挡河闸之后，由于水流边界条件的改变，闸下游河道的河床将产生冲刷而床沙组成变粗，对于卵石夹沙河床而言，河床中的较细颗粒将被水流带走，或以沙浪形式向下游推移，较粗颗粒逐渐聚集，最终形成一层水流冲不动的抗冲粗化层。为了确保引水枢纽的安全运行，本次研究在对最不利工况进行模型极限冲刷试验的基础上，采用中国水科院韩其为院士的有关床面粗化理论［3］，对相应工况下引水枢纽泄洪闸下游的床面极限冲深进行计算，并将计算结果和试验结果进行对比和分析 （见表1）。由表1可见，计算结果略大于试验结果，但二者基本接近。此外，从试验结果也可以看出，极限冲刷坑的最大影响距离能够到达闸下游120m左右。

表1 不同工况下泄洪闸闸下的极限冲刷深度表

5.2 泄洪闸闸下的消能防护措施

从极限冲深的模型试验和理论分析结果来看，泄洪闸的极限冲深可达15m左右、冲刷坑的影响范围可达120m，因此，泄洪闸下游必须建有水力消能设施。在取水枢纽的可行性研究报告中，泄洪闸闸后采用消力池进行消能，消力池的设计长度为20m、深度为2m，海漫设计长度为40 m，为了检验设计消力池的消能效果，本次试验在分析泄洪闸各种运行工况之后，认为当泄洪闸前水位为176.2m、下游泄量为生态需水量时，泄洪闸闸门突然开启泄洪所产生的运行工况是最不利的。试验结果表明，在上述最不利工况下，泄洪闸消力池的设计尺寸偏小，现有消力池的设计尺寸可以满足单孔泄量约为35m3／s的消能要求。因此，建议适当增加泄洪闸消力池和海漫的设计尺寸；如果保持现有消力池尺寸不变，建议在泄洪闸枯水季节运行时，如果泄量较大，应该采用开启多孔运行的方式，开启初期的单孔泄量以不超过35m3／s为宜，随着泄洪闸下游水位的升高，单孔泄量可以逐步增大。

6 取水枢纽修建后引水渠道的引水能力及防沙措施分析

6.1 引水渠引水能力分析

引水闸扩建之后，引水能力能否满足设计要求是本次试验研究的一个重点。根据设计要求，扩建后的引水闸在闸上水位176.2m、闸下水位176.0m的情况下，引水闸的引水能力应该达到145m3／s的要求。试验结果引水闸设计方案的流量系数见表2，由表2可见，在此工况组合下模型试验的引水流量约为149m3／s，因此，扩建后的引水闸基本能够满足设计要求；但考虑到本次闸孔出流为高淹没度出流，试验结果的精度有所降低，建议在设计中能够有所考虑。

表2 引水闸设计方案的流量系数表

6.2 引水渠的防沙措施及其效果分析

从取水枢纽的现有布置来看，影响引水渠泥沙进入的主要因素是引水渠渠底与床面高程的高差和引水量，在引水量和引水渠渠底高程确定之后，鱼嘴附近床面高程的高低将对进入引水渠的粗沙量起着决定性作用。从以往的分析及本次试验结果来看，在引水枢纽修建之后，鱼嘴附近河段一般不会产生累积性淤积，从而有利于减少引水渠粗颗粒泥沙的进入，但为了研究最不利情况下，引水渠道的进沙情况，本次试验研究在假定鱼嘴附近床面高程均为172 m的情况下，对进口流量为1 500m3／s和2 500m3／s两种工况进行了泄洪闸的拉沙和引水渠的进沙试验，试验时考虑了现有固床存在和不存在2种情况。不同工况下江道最大冲刷深度的沿程分布见图3，在床面高程为172m的情况下，泄洪闸的拉沙效果还是比较明显的；对于现有固床存在和不存在2种情况下，现有固床不存在时典型断面最大冲刷深度普遍大于现有固床存在条件下情形。可见，现有固床对泄洪闸的拦沙效果产生了一定的影响。此外，从不同工况的试验结果来看，引水渠道的进沙量约占江道来沙量的1%～3%。

图3 不同工况下江道最大冲刷深度的沿程分布图

7 结 语

（1）取水枢纽的修建对现有嫩江河道水沙特性与河床演变不会产生较大的影响；取水枢纽泄洪闸的布置是基本合理的，对江道水流特性及床面冲淤变化的影响较小；对于3种布置方案而言，11孔坝闸和12孔全闸方案对江道的影响要略小于8孔＋堰的设计方案，在综合考虑经济和设计技术的情况下，建议本次设计采用11孔坝闸布置方案。

（2）在泄洪闸闸前水位为176.2m、下游泄量为生态需水量的情况下，泄洪闸消力池的设计尺寸偏小，现有设计尺寸只能满足单孔泄量约为35m3／s的消能要求，因此，建议适当增加泄洪闸消力池和海漫的设计尺寸；如果保持现有消力池尺寸不变，建议采用开启多孔运行的方式，开启初期的单孔泄量以不超过35m3／s为宜。

（3）在模型试验的水沙条件下，取水枢纽鱼嘴附近江段的床面仍以冲刷为主，没有形成累积性的泥沙淤积，但引水渠内会产生泥沙淤积，渠道进沙量约为大江来沙量的1%～3%。在防沙措施上，泄洪闸开启位置的变化对减少引水渠进沙量影响不大，但在江道床面产生累积性淤积的情况下，采用泄洪闸拉沙可以降低鱼嘴附近的床面高程，从而有利于减少粗颗粒泥沙进入引水渠道。

（4）在引水闸扩建为3孔、每孔宽度为7m的情况下，对于闸上水位176.2m、闸下水位176.0m的运行工况而言，引水闸的引水量可以达到149m3／s，基本可以满足引水量为145m3／s的设计要求。

［1］尼尔基水利枢纽配套项目黑龙江省引嫩扩建骨干工程规划报告书 ［R］.哈尔滨：黑龙江省水利水电勘测设计研究院，2004.

［2］曹文洪，姜乃森，陈东，等.嫩江北引渠首江道整治工程动床河工模型试验研究 ［R］.北京：中国水利水电科学研究院科研报告，1998.

［3］韩其为，向熙珑，王玉成.床沙粗化 ［C］／／第二次河流泥沙国际学术讨论会组织委员会.第二次河流泥沙国际学术讨论会论文集，北京：水利水电出版社，1983.

［4］中国水利学会泥沙专业委员会.泥沙手册 ［M］.北京：中国建筑出版社，1992.