桃江取水口处布置纵向底流槽对泥沙淤积的影响

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

泥沙淤积问题是影响河道取水口布置及使用年限的核心问题[1]，不仅会直接影响到取水口的使用寿命和取水安全，还影响其工程发挥效益的能力[2-3]。而河道取水口处纵向底流槽的布置是解决泥沙淤积的关键因素之一。一般情况下，通过优化底流槽的布置方案，加大水流挟沙力并改善泥沙沉降问题，能够有效缓解泥沙的淤积[4]。本文采用模型试验的方法，在桃江电站下游河段河道收窄、水深较浅处开展取水口模型试验，并在取水口口门前设置不同方案的纵向底流槽，进行综合对比分析，确定取水口处纵向底流槽的最佳设计方案，在理论与生产实践上都具有重要意义。

1 模型概况

该模型设置的桃江取水口位于桃江电站坝址下游27km处，取水河段来水量受该电站控制，从上游至取水口处河道宽度逐渐收窄至175m，取水口到下游控制范围内河宽为200m左右(见图1)。桃江电站建成后取水河段年来水量较以前有明显减少且水深很浅，97%的设计枯水流量较小。取水工程实施后，取水口附近流场的变化将对泥沙淤积带来影响，取水口位置的泥沙淤积、河演变化和水流条件的变化都有可能影响到取水口的正常取水。为保证取水口安全稳定运行，在取水口位置设置纵向底流槽并进行不同方案对比分析，对取水口位置的泥沙淤积情况进行研究。

图1 纵向底流槽布置位置及测量断面

2 物理模型试验

2.1 比尺设计及汇总

根据几何比尺相似、水流运动相似、起动相似、输沙率相似及河床变形相似等相似定律确定模型各比尺,见表1。

表1 泥沙模型试验相似比尺汇总

2.2 试验工况

为研究取水口河段在各种流量下的河道冲淤情况，该模型方案试验分别选取5种定流量工况进行试验研究，见表2。

表2 试验工况

2.3 纵向底流槽布置方案

纵向底流槽布置方案需由模型试验的结果进行优化确定。在取水口前布置纵向底流槽的主要目的是保证枯水期有足够的取水水深以保证取水，同时需利于排沙以减少取水口前泥沙淤积，防止大量泥沙进入取水口。底流槽的布置顺应局部河段的弯曲趋势，取水口处于纵向底流槽弯顶处，并在纵向底流槽布置位置测量断面。

2.3.1 方案一

取水口前端的纵向底流槽进口端和出口端均以“簸箕”式开口与上下游河床的地形衔接在一起，其中，纵向底流槽挖深2.6～3.5m、宽度10.0～15.0m、长度200.0m，具体纵向底流槽结构见图2(a)。

2.3.2 方案二

在方案一的基础上，对纵向底流槽结构进行如下调整：ⓐ增大纵向底流槽进口端的过水断面面积让更多的水流入槽，在纵向底流槽进口端的右侧(沿水流方向)底部与河道右岸边形成一个比降；ⓑ减小纵向底流槽出口端的过水断面面积使槽内流速增大易于冲沙，设计纵向底流槽底部的宽度比进口断面窄；ⓒ新结构需要使取水口前端位于整个纵向底流槽的凹岸，目的是减少取水口前端的泥沙淤积；ⓓ从推移质输沙率角度考虑，河床断面垂线平均流速越大，泥沙运动越快，因此需要将纵向底流槽出口端布置在断面流速最大位置。调整后的纵向底流槽结构见图2(b)。

2.3.3 方案三

方案三在方案二的基础上进行调整：ⓐ在纵向底流槽出口端的左侧底部与原河床泥沙形成一个缓坡，使其位于河道主流范围内；ⓑ将取水口下游至纵向底流槽出口端范围内的纵向底流槽底部按照取水口前端的弯道趋势向下游进行平顺。调整后的纵向底流槽结构见图2(c)。

图2 纵向底流槽布置方案

2.4 模型选沙

合理选用模型沙是模型试验设计的关键问题。模型主要针对卵石河床河段。根据现有推移质模型试验分析及不同模型沙对模型试验造成的影响分析可知，对于卵石河床来说，如果粒径允许，选择天然沙可更好地模拟原型河道的推移质运动[5-6]。因此，此次试验选用江西九江的天然沙作为模型试验用沙并进行筛选配比，模拟出天然河道形态。图3为筛选配比后的模型沙级配曲线和原型沙级配曲线，配比后的模型沙级配与原型沙级配基本一致，能够满足模型沙与原型沙相似的要求。

图3 模型沙级配与原型沙级配比较

2.5 模型验证

2.5.1 水面线验证

水面线验证是保证水流流态相似和模型阻力相似的必要条件，这对于模拟取水河段冲淤变形相似是至关重要的。为满足沿程水面线相似，需对整个模型试验河段的河道全部进行微地形塑造，并在此基础上进行水面线验证，验证结果见表3。

表3 水面线验证成果

注取水口上游为负，下游为正。

2.5.2 试验河段河势变化

模型中沙堆露出水面形态和大小与相应流量下的原型观测结果一致。水流流经取水口上下游位置时，河槽主流偏向右岸，这与原型勘测时观测的主流走向基本一致。综上所述，可以进行模型试验。

3 结果与讨论

3.1 纵向底流槽内泥沙平均淤积厚度变化

对于方案一，较小流量时，推移质输沙不明显，纵向底流槽泥沙淤积很少。表4分别为1696.82m3/s、2690.00m3/s和3980.00m3/s3种试验工况下推移质泥沙在纵向底流槽内的沿程泥沙平均淤积厚度变化，具体呈现如下变化规律：纵向底流槽泥沙平均淤积厚度呈现“大—小—大”的变化趋势，即纵向底流槽进口端泥沙平均淤积厚度>纵向槽出口端泥沙平均淤积厚度>取水口前端泥沙平均淤积厚度；同一位置的泥沙淤积厚度随流量增大而变大，纵向底流槽在较大洪水时存在泥沙淤积现象。

表4 纵向底流槽优化前后的沿程泥沙淤积厚度

对方案二选取多年最大流量的水沙条件进行试验，即进口流量为3980.00m3/s。从表4中可以看出：方案二的进口端泥沙淤积量较方案一明显减小，但在出口端的淤积量仍较大。究其原因，一方面是纵向底流槽出口端左侧底部与原河床的坡度太大(33°左右)，泥沙不易很快随河道主流向下游输移；另一方面，虽然出口端与河道主流交汇，但受方案二纵向底流槽进口端过水断面增大影响，单位时间内通过纵向底流槽的推移质明显大于方案一的推移质来沙量，因此出口端位置的推移质很快淤满并与左侧初始河床齐平后才能进一步向下游输移。取水口口门前(测点4)纵向底流槽的泥沙淤积较方案一明显减少，泥沙淤积厚度为0.18m，比方案一少淤积0.32m，其主要原因是此处在纵向底流槽的弯道处，横向环流的作用使口门前的泥沙不断被水流输移至纵向底流槽出口端。因此，方案二的纵向底流槽在取水口前端淤积的量明显减小，但出口端的淤积较多，仍需要对其进行优化。

通过对方案三进行试验，选取多年平均峰值流量(1696.82m3/s)和多年最大流量(3980.00m3/s)的水沙条件进行试验，对比表4中数据，发现如下规律：在1696.82m3/s流量下，自纵向底流槽进口端至取水口前端的泥沙平均淤积厚度逐渐减小，而从取水口前端至纵向底流槽出口端的泥沙平均淤积厚度逐渐增大，相同位置断面的淤积厚度较方案一明显减小；在3980.00m3/s流量下，方案二和方案三自纵向底流槽进口端至取水口前端的泥沙淤积厚度逐渐减小，而从取水口前端至纵向底流槽出口端的泥沙淤积厚度逐渐增大，相同位置断面的淤积厚度呈现方案一>方案二>方案三，取水口前端淤积最少的主要原因是此处在纵向底流槽的弯道处，横向环流的作用使取水口口门前端的泥沙不断被水流输移至纵向底流槽出口端。

3.2 纵向底流槽内泥沙级配变化

对于方案一，分析1696.82m3/s、2690.00m3/s和3980.00m3/s3种试验工况下纵向底流槽进口端、取水口口门前端及纵向底流槽出口端的泥沙颗分变化(103.43m3/s试验工况下的推移质泥沙在纵向底流槽内沿程淤积较少，故没有对其取样进行颗粒分析)，见图4。具体呈现如下规律：不同流量下的推移质泥沙中值粒径规律相近，即纵向底流槽进口端泥沙中值粒径>纵向底流槽出口端泥沙中值粒径>取水口口门前端泥沙中值粒径；取水口口门前端的泥沙粒径在1696.82m3/s、2690.00m3/s和3980.00m3/s流量下依次为4.5mm、6.0mm和8.0mm，这说明随着流量增大，泥沙中值粒径逐渐增大。

图4 纵向底流槽沿程泥沙颗分变化情况

同样的，在方案二和方案三布置条件下进行纵向底流槽内泥沙级配测量，分析3种来水条件下的泥沙级配变化，明显看出纵向底流槽内的泥沙中值粒径大小依次为：纵向底流槽进口端>纵向底流槽出口端>取水口口门前端。

3.3 取水口口门内进沙量及级配变化

不同流量下取水口门内进沙量见表5。对于方案一，在1696.82m3/s、2690.00m3/s和3980.00m3/s流量下进入取水口口门内的泥沙进沙量分别为364.7kg、714.2kg和808.0kg，即流量越大进沙量越大。将方案二、方案三与方案一进行对比：在1696.82m3/s流量下，与方案一相比，方案三进入取水口口门内的泥沙进沙量由364.7kg减小至123.1kg；在3980.00m3/s流量下，方案三取水口进沙量为179.9kg，远小于方案一的808.0kg，与方案二基本一致。

表5 不同流量下取水口口门内进沙量

对1696.82m3/s、2690.00m3/s和3980.00m3/s3种试验工况下取水口口门内泥沙级配变化进行分析，见图4，与纵向底流槽内规律变化一致，均呈现出流量越大泥沙中值粒径越大的变化规律。

由上述分析可知，在较大洪水流量作用下，纵向底流槽内会发生一定的溯源泥沙淤积，若不对纵向底流槽进、出口端的泥沙进行清淤，整个纵向底流槽可能会淤满从而影响取水安全，因此为了减少取水口口门前端的淤积和避免口门内进入大量泥沙，需要对其进行清淤。

4 结论及建议

4.1 结论

通过构建桃江取水口引水模型并进行方案试验，探究取水口处布置不同方案形态的纵向底流槽对取水口泥沙淤积、进沙量与泥沙级配的影响，主要得出以下结论：

a.进入纵向底流槽内的推移质输沙规律变化：受进口端过水断面增大影响(较方案一)及取水口前端所在弯道段的横向环流作用，推移质泥沙从进口端不断输移至出口端，之后出口端受河道主流的作用进一步使泥沙向下游推进，这说明方案二及方案三的纵向底流槽结构对推移质泥沙向下游输移是比较可行的。

b.推移质泥沙淤积厚度：较方案一和方案二的结构，方案三的纵向底流槽自进口端至取水口口门前端的推移质淤积厚度逐渐减小，而取水口口门前端至纵向底流槽出口端的推移质淤积厚度逐渐增大，但相同断面位置上，方案三的泥沙淤积厚度明显小于方案一和方案二的泥沙淤积厚度，这说明方案三的纵向底流槽结构能够保证取水口前端的推移质泥沙出现较少的淤积。

c.从取水口口门后的进沙量角度分析，随流量增大，尤其在洪水时，有一定数量的推移质进入取水口口门内，但进沙量占比非常小。进沙粒径随流量增大逐渐变大，但推移质量较少。

d.通过多组方案试验，根据推移质输沙变化规律，分析推移质泥沙淤积厚度及进沙量趋势，推荐方案三纵向底流槽的结构。

4.2 建议

通过对方案试验规律进行总结，结合桃江取水口处上游水沙情势，为防止较大洪水作用后造成纵向底流槽内泥沙淤积较厚而影响取水安全，建议采取以下措施：

a.发生较大流量洪水过程时，在纵向底流槽中会发生泥沙淤积，并且在中小水流量时也很难通过冲刷排沙，建议在大流量洪水发生泥沙淤积后进行人工清淤，避免因累计淤积而影响取水安全。

b.试验表明不同方案的纵向底流槽形态对取水河段河道地形及水流流态影响较大，建议在设计和运行中对河道挖沙影响予以考虑。

5 结 语

本文对桃江电站下游取水口处进行模型试验，考虑因上游桃江电站建设造成水文情势变化下的取水口布置问题，通过模拟不同时期的上游来水流量，对取水口处设置纵向底流槽并进行方案比选优化，有效缓解了取水口处泥沙淤积对取水口的影响，提高了取用水安全，对后期取水口的安全运行与维护具有积极作用。