无坝引水明渠的泥沙淤积成因及对策分析

田 原

(辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

受上游来水携带泥沙影响，无坝引水明渠淤积问题往往十分棘手，因此在引水明渠设计前，需要对其淤积成因进行多要素分析，从而减轻无坝引水明渠的淤积量，提高明渠的使用效率及寿命。当前，物理模型试验是分析无坝引水明渠淤积成因最为有效的方式[1-6]，关于淤积成因的成果也有一些，但是这些成果大都只是针对明渠的形态进行了分析[7-10]，而针对取水口形态和断面流速的研究还较少。为此本文结合辽宁某引水明渠为研究实例，结合物理模型试验方式，探讨取水口形态和断面流速对无坝引水明渠的影响。研究成果对于已经或即将建设的引水明渠解决泥沙淤积问题具有重要的参考价值。

1 物理模型设计

对辽宁中部平原区某无坝引水明渠进行物理模型试验方式，该引水明渠主要采用从河道内抽排引水的方式，引水明渠的进水口主要设置在弯侧区域，扩大引水的范围和面积。物理模型试验按照1∶50的比例进行设置，物理模型设置的主要参数比例尺见表1。引水明渠的概况如图1所示。

表1 物理模型比例设置

图1 引水明渠物理模型概况

2 试验结果讨论

2.1 试验过程

对于整个明渠进行重现期分别为20年一遇及50年一遇的放水试验过程，放水流量及投沙量见表2。

在进行每一个流量次序的放水时，都会进行相应的泥沙投放量的补给，以保证引水明渠中悬移质泥沙的试验准确性。为和天然补给情况保持一致性，采取叠加非间断的补水放水进行试验，在每次流量放水试验中会进行2～3次的流速测定及泥沙淤积量测定试验。在每一个放水试验结束后，迅速对放水闸门进行关闭。并结合地形观测仪器对明渠的地形进行现场试验测定。

2.2 断面流速分析

结合不同的放水试验，对取水口不同放水时间的流量及流速之间的相关关系进行测定和分析，分析结果见表3，如图2—3所示。

从表3中可看出，随着放水流量的不断增加，取水口断面的流速逐步趋于稳定。这表明经过一段时间的放水试验后，无坝引水明渠在进水口处的冲淤基本可以达到平衡的状态，从图2中可以看到，20年一遇洪水下放水流量在40～60m3/s、50年一遇洪水下放水流量在20～30m3/s时，其冲淤基本达到稳定的状态。而从图3中可看出，20年一遇洪水下放水流量在40～60m3/s时，其流速散点逐步集中稳定；而50年一遇洪水下放水流量在20～30m3/s时，其流速变化出现较为平稳的现象。对比其原型设置比例，即为在原型试验下，20年一遇无坝引水明渠流量达到200～300m3/s，可基本保持明渠冲淤平衡，流速达到稳态；而在50年一遇下明渠引水流量达到100～150m3/s，可使得明渠不会出现集中淤积的状态，流速平稳。

表2 放水试验过程

表3 各阶段断面流速分析成果

图2 取水口放水流量相关性分析

图3 取水口流速及流量相关分析

2.3 淤积形态分析

结合地形观测仪，对各阶段不同放水过程的无坝引水明渠的淤积情况进行分析，分析结果如图4所示。

图4 各阶段不同放水期明渠地形观测结果

从图4的试验结果可看出，进水口的淤积已经较为严重，随着放水流量的不断增加，其中段弯道的淤积量不断增加，在最后一个阶段的放水流量影响下，无坝引水明渠的淤积量达到最大，基本上已经淤积了明渠的1/3，极大程度影响明渠引水量的正常运行。在最后一个阶段放水流量下，其淤积过程处于较为稳定的状态。表明在较高水量下，明渠受来水携带的泥沙淤积程度较大，在洪水高峰期，试验明渠各引水段出现的淤积现象并不十分明显。在引水明渠淤积量达到一定的程度后，明渠淤积过程出现缓和状态，处于平稳变化的过程，这也充分表明明渠淤积达到平衡状态。在试验过程中也可看出，渠道的坡度也对明渠淤积产生一定程度的影响，放水峰值结束后，明渠水坡度达到最小，放水流量达到最大值时，大量的泥沙从取水口进入明渠，从试验结果看出，当河底坡度小于1.0%时，明渠淤积现象较为严重，排沙能力逐步减弱。

3 对策分析

(1)取水口在弯道处无坝明渠淤积较为严重的问题，主要采取的对策为对取水口进行顺直护坡处理，并将取水口的高程降低0.5～0.8m，这种方式可有效减少取水口的泥沙沉降量，从而减少随引水水流进入明渠的泥沙量。

(2)流速变化引起明渠泥沙淤积的问题，可以通过增加断面水流流速来减少明渠断面的泥沙淤积，当流速增加到一定程度后，引水明渠的冲淤基本可以达到平衡状态，而这种流速可以通过物理模型试验来进行有效控制，从而有效减少留在明渠中的泥沙淤积量。

(3)坡度变化引起明渠泥沙淤积的问题，可以适当增加河底坡度，当河底坡度小于1.0%时，明渠淤积现象较为严重，针对这一问题，可以适当控制明渠的坡度，进行冲淤平衡，减少明渠的淤积量。

4 试验结论

(1)对于无坝引水明渠而言，造成明渠淤积严重的主因包括取水口大量的泥沙、明渠坡度设置较为平缓，引水明渠一般不设置较为有效的排沙设施。由于在取水口造成的淤积排入明渠，水量较小时，难以得到冲刷，综合造成无坝引水明渠泥沙淤积。

(2)取水口的合理确定对于明渠冲淤变化影响较大，在进行取水口的确定时，应结合取水口的地质条件，尽力将取水口设置在凹道处且设置引水角，在泥沙淤积较为严重的区域，应该结合明渠的实际情况，增加明渠底坡，加大其排沙能力。