水下排沙洞泥沙下泄模型试验研究

丛中方 马栋和 李 斌 谭尊祥 王 锐

(1.山东文登抽水蓄能有限公司，山东 威海 266440； 2.中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院，吉林 长春 130061； 3.水利部寒区工程技术研究中心，吉林 长春 130061； 4.河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北 丰宁 068350)

·水利工程·

水下排沙洞泥沙下泄模型试验研究

丛中方1马栋和2，3*李 斌4谭尊祥2，3王 锐2，3

(1.山东文登抽水蓄能有限公司，山东 威海 266440； 2.中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院，吉林 长春 130061； 3.水利部寒区工程技术研究中心，吉林 长春 130061； 4.河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北 丰宁 068350)

针对我国北方众多水库存在较为严重的泥沙淤积问题，开展了水下岩塞爆破模型试验，分析了岩塞口爆通后淤泥下泄要素变化和过程，研究成果对于水下岩塞爆破清淤设计具有重要的借鉴意义。

水库，排沙洞，泥沙，水工模型试验

1 概述

工程物理模拟方法是解决复杂工程问题的一种模拟方法[1，2]，具有在试验中可以直接观察到各种现象的特点,而且易于掌握，其缺点是除了需制作试验模型工作量大外，有时因为测量困难，某些要素不容易控制，因而给试验结果带来一定误差。

试验研究以我国北方某水库水下岩塞爆破清淤设计为依托，采用水工模型试验。其基本原理是模拟该水库的水位、水下淤泥的厚度以及爆破口的尺寸按一定的比尺缩小，制作成模型槽，进行爆破过程中淤泥下泄要素变化和过程的观测。然后将试验结果按同一比尺放大，从而得出与原体相应的淤泥下泄运动要素。

2 试验目的

通过水工模型试验模拟水下排沙洞岩塞口爆通后，在水库水体的静水压力作用下能否使排沙洞洞口上方的淤泥顺利地从排沙洞排出，为现场爆破提供试验数据。

3 模型设计

3.1 相似准则

模型为正态，应满足SL 155—2012水工常规模型试验规程中规定的以下各项相似准则：

几何相似：

λl=Lp/Lm，λh=Hp/Hm；

时间相似：

λt=λl/λu；

重力相似：

阻力相似：

λn=λl(1/6)；

连续相似：

λq/λlλhλu=1；

模型比尺选取1∶40的正态模型，即模型几何比尺：λl=λh=40。

3.2 淤砂层模拟应遵循的比尺

在物理模型试验中，起控制作用的物理常数往往因模型中所要解决的问题不同而不同。本次模型试验中对选择相似材料有控制作用的物理常数主要为：

1)λc=Cp/Cm。

2)λγ=γp/γm。

3)λφ=φp/φm。

首先，相似指标应满足如下方程：

Cc/(ClCγ)=1

(1)

内摩擦角φ为无量纲数，则：

Cφ=1

(2)

Cμ=1

(3)

内聚力C量纲为FL-2，则：

Cc=Cl

(4)

3.3 模型制作

模型库区采用8.0 mm的角钢为材料制作，库区的角钢间距为1.0 m，横向加肋焊接形成库区，库区下面采用铁板封闭。库区与供水系统连接，在库区设排水管和平水箱，以控制库区水位。库区与排沙洞集渣坑连接。为了便于观察试验过程，试验模拟的库区等模型材料采用有机玻璃制作，模型布置如图1所示。

模型高度的确定是根据该水库最高库水位和淤泥以下原地形再加上安全超高25 cm来考虑，进口段集渣坑底高程为1 636.70 m，正常库水位为1 735 m，差值为98.30 m，模型比尺为40，模型净高为2.46 m+0.25 m=2.71 m。

模型模拟范围为水库局部库区及排沙洞。排沙洞模拟长度是由岩塞口以下到闸门井的中线距离为110.87 m，上游模型库区取原体长120.00 m的正方形。下游模型加上退水段长2.00 m，模型长度为5.00 m,模型宽度为3.00 m。

3.4 模拟工况

库水位1 730.00 m，淤泥层的密度为1.63 g/cm3，厚度为30.00 m，在不加任何干扰的情况下进行压淤试验。模型制作的主要建筑物有岩塞口、集渣坑、闸门井等。

4 试验结果

原型岩塞体爆破的方量为2 606 m3，爆破后形成松散石渣，其松散系数为实际方量的1.54倍。计算后的松散方量为4 015 m3，按级配曲线配置砾石来模拟岩塞爆破后的松散石渣，其中一部分根据岩塞体体积留用填筑岩塞，剩余部分通过岩塞口预先滑落进入集渣坑中。

试验正式开始后，撤掉岩塞口封板(用于模拟爆通)，填筑在岩塞口的岩塞松散方量自由下落到集渣坑里，从撤掉封口底板起即有少量淤泥下落；在模型历时50 s时，经试验观察有大块淤泥塌落；在2 min 11 s时已有大块淤泥呈不间断的下落到集渣坑里；在封口底板撤掉2 min 17 s时淤泥层贯通下泄。

5 结语

1)由于岩塞口上面的淤泥层厚度是不均匀的，岩塞口上边缘的淤泥层薄，下边缘的淤泥层厚，当岩塞爆通后，从模型侧面观察，岩塞口上方的淤泥层开始慢慢地渗水，随后出现自然塌落，在岩塞口上方形成塌落拱，随着塌落拱的发展，淤泥层瞬间失稳，淤泥层贯通过水，并迅速发展。由此可见，通过静态淤泥稳定试验表明，如果不加爆破外力的扰动，单靠静水压力和淤泥层的自重也可以形成进流通道。

2)淤泥层密度的大小将直接影响其贯通时间。如果在岩塞爆破时，同时对岩塞口上方的淤泥层进行大面积爆破扰动，使淤泥层密度下降，达到泥水混合物状态，对于淤泥层下泄有利。

[1] 胡 勇,李熙喆,万玉金,等.致密砂岩气渗流特征物理模拟[J].石油勘探与开发,2013,40(5):580-584.

[2] 俞伯汀,孙红月,尚岳全.含碎石粘土边坡渗流系统的物理模拟试验[J].岩土工程学报,2006,28(6):705-708.

[3] 江 浩,李荣建,闫 蕊,等.隧道模型试验中几何比尺相似程度的差异性及影响比较[A].中国土木工程学会第十二届土力学及岩土工程学术大会论文集[C].2015.

[4] 杨佑宗,蒋乾纬,刘 海,等.几何相似模型推进性能的尺度效应及相关分析[J].中国造船,1984(2):14-24.

[5] 章志勇.三维模型几何相似性比较的研究[D].杭州:浙江大学,2005.

Silt drainage model testing research of underwater desilting tunnel

Cong Zhongfang1Ma Donghe2,3*Li Bin4Tan Zunxiang2,3Wang Rui2,3

(1.ShandongWendengPumpedStorageCo.,Ltd,Weihai266440,China; 2.ReclaimedWaterNortheastSurvey&DesignInstituteCompanyScienceAcademy,Changchun130061,China; 3.HydraulicMinistryCold-RegionEngineeringTechnologyResearchCenter,Changchun130061,China; 4.HebeiFengningPumpedStorageCo.,Ltd,Fengning068350,China)

In light of serious sediment accumulating problems of reservoirs in norther China, the paper launches underwater rock-plug blasting damage model test, and analyzes silt drainage factors change and process after rock-plug blasting. The above-mentioned research achievements have significant guiding meaning for designing underwater rock-plug blast silt.

reservoir, desilting tunnel, silt, hydraulic model test

1009-6825(2017)02-0230-02

2016-11-05

马栋和(1986- )，男，博士，高级工程师

TV145

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