水库坝前及泄水底孔内泥沙淤积形态断面模型试验研究

房 晨

(新疆吐鲁番市高昌区水管总站，新疆 吐鲁番 838000)

1 工程概况

克孜尔水库座落于新疆阿克苏拜城县克孜尔乡与赛里木镇境内，水库主要以发电、供水、防凌、防洪为主，是一座大型水利水电枢纽，此地区水库具有多泥沙特点，在修建时水库淤积现象突出，为了保证水库施工质量，达到设计要求的泄流能力，经设计人员研究后在0+129～0+205坝段布置8个长宽为4m×6m的泄水排沙底孔，在8、9月汛期将泄水排沙底孔全部打开进行排沙，其余10个月份泄水排沙底孔为关闭状态，这期间进入水库的泥沙被水流冲击到水坝处，并随着时间延长不断在拱形门前堆积，到达排沙期时，对闸门开启影响较大，所以对闸门前泥沙淤积形态特点进行研究是非常有必要的。另外，为了方便向缺水地区供水，在0+078～0+110位置布置了两个取水口，取水口前也容易形成泥沙堆积，堆积泥沙是否会造成淤堵也是需要进一步研究的问题。针对上述问题通过建立断面泥沙模型，对泄水底孔内泥沙淤积形态及坝前淤泥高程进行分析探究。

2 模型设计

水库为河道型水库，在模型设计时可以简化成二维水流问题，经研究将该水库分析模型设计为断面泥沙模型。选取水库2号、3号、4号坝段建一条宽57m的试验区，3个坝段依据泄水底孔内泥沙淤积形态相似条件、坝前挟沙水流及地形建立模型，模型建立参照李昌华等《河工模拟试验》、徐国宾等《河工泥沙模型相似律研究现状及其存在问题》研究成果。

2.1 模型相似准则

2.1.1 水流运动相似条件

a.阻力相似:

(1)

b.重力相似:

(2)

式中av——流速比尺；

al——几何比尺；

an——糙率比尺。

2.1.2 悬沙淤积相似条件

a.挟沙力相似:

(3)

b.悬移质沉降相似:

aw=av

(4)

c.异重流相似:

aγm=1

(5)

d.河床变形相似:

(6)

式中aS——含沙量比尺；

aw——沉速比尺；

aγm——浑水容重比尺；

at2——河床变形时间比尺；

a′γ——淤积物干容重比尺。

2.2 几何比尺及模型沙确定

经试验研究分析，几何比尺确定为at=40，泥沙沉降相似是试验进行的先决条件，分析水库泥沙级配粒径d50为0.027mm，对比泥沙粒径，发现水库泥沙粒径较细，按照沉降一致原则将粒径比尺缩小至模型泥沙时，细沙粒径会更小，在水中容易发生絮凝，造成泥沙沉降偏差。按照试验设计要求对聚氯乙烯沙、聚苯乙烯沙以及煤粉进行对比，经分析煤粉容重为1390kg/m3，能够满足泥沙沉降要求(见图1)，所以试验模型用沙确定为煤粉。

图1 模型沙级配对比结果

2.3 模型沙糙率

模型沙糙率也是试验用沙选择的关键，经试验设计要求，模型沙的糙率应不大于水库床面糙率，要求建立的模型阻力和水库阻力相似，本试验模型沙糙率计算采用张有龄公式，即

(7)

其中d50单位为m。

对水库及模型沙糙率进行计算，结果分别为0.025、0.009，模型沙糙率远小于水库泥沙，需要进行人工加糙。

2.4 试验含沙量比尺和时间比尺选择

根据水库挟沙力大小计算出模型沙含沙量比尺aS为0.451，按照水库河床变形时间比尺at2计算出试验放水时间，根据水库泄水底孔内泥沙干容重1100kg/m3，计算出试验模型泥沙淤积河床变形时间比尺at2为25.24，最后确定水库一月时间相当于试验模型28.53h(悬沙淤积相似条件比尺见表1)。

表1 悬沙淤积相似条件比尺

3 试验模型设置和水沙处理

3.1 模型布置

选取水库2号、3号、4号坝段建一条宽57m的试验区，按照比例尺建立模型，模型长宽分别为18m、1.5m，在模型按比例安装枢纽建筑物，3号坝段设置取水口，5号坝段设置泄水底孔，在水库4号坝段位置有一溢流孔，该孔设置的主要目的是当汛期水位超过校核洪水位979.00m时，通过溢流孔开始泄流，在模型上4号坝段将溢流孔设置为尾门，设置的目的主要是为了控制坝前水位、排泄上游来水，在4号坝段溢流孔位置上还要安装可调整高程堰板。

水下初始地形建成定床，坝前设置冲刷漏斗在上游与淤积平衡地形衔接，淤积平衡地形纵比降为3×10-4，冲刷漏斗纵剖面形态选择坝区模型试验结果(试验模型平面布置见图2)，模型浑水循环系统为水沙混合运行方式，配置符合试验要求含沙量浑水，使用小型水泵抽入试验平水池中，含沙浑水通过量水堰流入水槽，随后通过回水沟流入搅拌池，含沙浑水在流入搅拌池过程中及时记录进口处的含沙量。依据试验情况浑水中含沙量需要增大时，要向搅拌池内加沙，当浑水中含沙量需要减少时，利用水泵抽取清水注入平水池，降低浑水中含沙浓度，使含沙浑水符合试验要求。

图2 模型平面设置

3.2 水沙处理

3.2.1 试验流程

试验开始前，用水泵在水槽内注入清水，保证在排沙期最低水位956.00m，然后根据试验设计要求，在模型进水处按照水沙处理要求控制进口含沙量及进口流量，然后从蓄水期开始进行连续放水试验，放水时间为285.27h，按照时间比尺相当于研究水库10个月时间，在放水试验期间测量分析水库坝前及泄水底孔内泥沙淤积形态，共测量10次。

3.2.2 进口水沙

本试验研究模型试验段较短，如果将水库入库含沙量作为模型进口含沙量，含沙粒径偏大，试验模拟水库蓄水后，水流挟沙力降低，砂砾在流动过程中逐渐沉淀，含沙水流流至坝前位置时含沙量比例远小于模拟水坝实际含沙量，不利于水坝坝前及泄水底孔内泥沙淤积形态研究。因此本研究人员依据研究水库近几年水沙资料，计算水坝不同位置含沙量，最后确定在水坝前泥沙堆积量为进库泥沙的40%～50%，所以最终确定试验模型入库进口泥沙为水库平均含沙量的50%。试验模型进口泥沙流量依据研究水库单宽流量，研究水库蓄水后坝前10km内过水断面的平均宽度为450m，分析计算出入库逐月的单宽流量，最后得出试验模型进口流量。

3.2.3 出口控制水位

试验模型出口水位由坝前水位控制，坝前水位依据研究水库调度图变化，水库每年8月和9月为汛期，需要进行排沙，这时水库为低水位运用，水库水位在952.00～957.00m，每年10月—第二年4月期间为水库蓄水阶段，水库水位逐渐增加至980.00m，每年5—7月为水库供水期，水库水位开始降低至排沙最低水位。

4 试验研究结果及讨论

4.1 坝前泥沙淤积形态

对坝前20m范围内泥沙淤积形态断面进行测量(高程见表2，该断面每月泥沙淤积厚度见图3)，分析表2及图3结果可以确定，蓄水期10月、11月坝前泥沙淤积最厚，主要原因是蓄水期水深较大而排沙能力有限，另外汛期刚过，泥沙含量较大，所以泥沙淤积最厚，这两个月泥沙淤积厚度占坝前淤积厚度的60%。随着试验时间延长，在12月—第二年6月时，泥沙淤积速率与10月、11月相比降低明显，但7月时可以看出泥沙淤积有所增加，其形成原因是7月是水库供水最后一个月，这时水库水位最低，淤积在漏斗上游的泥沙随水流冲刷下来，堆积到坝前。

表2 坝前20m范围内泥沙淤积断面高程

图3 坝前泥沙淤积断面厚度分布

4.2 泄水底孔内泥沙淤积形态

在泄水底孔关闭期间，影响泄水底孔内泥沙淤积形态的主要因素：ⓐ坝前位置含沙水流按照异重流形式在泄水底孔位置淤积，在泥沙淤积初期，主要以异重流的形式淤积，泥沙上部水流在作用力下冲击水坝以相反方向流入至水库中。ⓑ在坝前淤积的泥沙多为重量较轻的细泥沙颗粒，且随着淤积时间延长常淹没在水库水位下方，而在坝前冲刷漏斗内泥沙淤积时间较短，与水融合在一起形成较黏稠的泥浆，在坝前水压力作用下，缓慢流至泄水底孔位置，泄水底孔前泥沙淤积面随着坝前淤积的增加而抬高，在10月坝前淤积高程最大时，泄水底孔泥沙淤积最大。在排沙期时，泄水底孔打开，这时先从底孔内排出一部分泥浆，形状接近于牙膏状，然后排出较稀淤积。

4.3 坝前淤积对取水口影响

分析坝前淤积高程可以确定，取水口在正常蓄水、取水期间不会发生淤堵，但是随着汛期到来，上游进入无水排沙阶段，可能会引起取水口淤积，如果取水口前淤堵，打开泄水底孔，可迅速降低取水口前淤积。

5 结 语

a.通过建立断面泥沙模型，在考虑水流运动相似条件、悬沙淤积相似条件基础上，对水库坝前及泄水底孔内泥沙淤积断面形态进行分析，有助于全面了解泥沙淤泥变化情况，并对可能发生的危险情况，及时排除。

b.坝前泥沙淤积各断面分布较为均匀，横切面呈现水平状态。坝前泥沙淤积在10月、11月时最厚，这两个月泥沙淤积厚度占坝前淤积厚度的60%，如果在11月底时根据实际情况再次进行冲沙，可有效降低坝前的淤积高程，有效降低泄水底孔和取水口淤堵。

c.泄水底孔位置泥沙淤积和坝前泥沙淤积关系密切，随着坝前泥沙淤积的升高而升高。