基于室内模型试验的水电站枢纽工程泄洪闸水沙演化特征分析研究

王伟

（辽宁省河库管理服务中心，辽宁 沈阳 110003）

1 引言

水利工程的兴建极大程度推动了我国水资源的高效利用，但不可忽视许多河流由于泥沙淤积、高水沙比、岸坡水土保持能力弱等，造成河床拥塞、航运困难、水库库容减少和水电站发电能力下降。由此可见，开展水利工程水沙演化特征分析对提升工程设计水平以及研究水沙冲淤均具有重要价值[1-3]。国内外已有一些学者或水利工程师通过计算流体力学，建立水质模型，开展水沙演化模拟分析，预判水沙淤积状态，为实际工程运营提供重要参考[4-6]。但由于实际工程不可能完全理想化，因而开展室内水工模型试验很有必要，很多学者通过水工模型试验研究，获得了水工结构破坏状态下特征参数[7-9]，为水利工程建设及运营提供重要试验依据。本文通过对实际工程进行长期监测，设计开展室内水工模型试验的水沙演化分析，为探讨水利工程泥沙含量演化及排淤冲沙提供重要参考。

2 模型试验介绍

在某河流上所建水电站需考虑区段内水流泥沙淤积对泄洪闸影响，因而本文考虑在室内设计开展水工模型试验，研究该水电站枢纽工程水沙演化状态，为工程建设运营提供重要参考。受水工模型尺寸限制，在该水电站4 km范围对水工模型开展试验研究，模型长宽比尺参数[10]均为100，水流中含沙量、流量以及流速模型参数分别为2、10万、10，按照试验规范标准[11]设计制作出水工河道以及水利枢纽工程模型。

试验参数采用该水电站枢纽工程5—8月水力特征参数监测数据，包括水电站上游水流流量与含沙量、下游出水电站泄洪洞后的流量与含沙量，并监测水电站运行过程中上游水位变化情况。限于篇幅，本文给出水电站上游水流流量与含沙量在监测时段内变化关系，如图1所示。根据长期监测数据以及图1可知，水电站上游进入坝址区水流流量6月23日最大为3 780 m3/s，6—7月日均流量可达2 023 m3/s，相比5月增大了147.7%；下游出泄洪洞后流量最大为4 040 m3/s，与上游坝址区内最大流量时刻一致；上游库水位最高为255.95 m，4个月内水位线先降低后升高，最低水位为212.10 m，工程实测时间是7月4日，8月最高水位可达239.74 m。本文模型试验即以上述参数为控制条件，在水工模型上安装监测传感器，并实时将数据传回采集系统。工程监测点分布，如图2所示。在对各水力特征参数变化特征进行观测的基础上，以泄流过程中水力各特征参数变化反映水电站枢纽工程水沙演化特征。

图1 上游水流流量与含沙量变化情况

图2 工程监测点分布

3 模型试验结果特征分析

3.1 特征参数分析

基于模型试验全过程中实时监测数据，得到不同时刻水电站模型上、下游特征参数变化情况，如图3所示。从图3可以看出，当水电站坝前水位发生变化时，沿程水位变化有所差异，其中在坝区1 500 m里程内，水位变化较小；在坝前水位为222.80 m时里程1 500 m以内水位变化幅度不超过0.03%，变化幅度最大为坝前水位212.40 m时的0.2%。相比而言，在里程1 500～4 500 m内水位线变化幅度较大，其中在坝前水位212.40、217.80 m时分别达0.20%、0.04%，且均为随里程增大水位线逐渐抬高趋势。分析表明，水电站坝区内水沙淤积主要发生在里程1 500～4 500 m内，该里程内水位抬高变化显著，水沙淤积明显，而里程1 500 m以内几乎无水沙淤积现象。

图3 上游坝区里程内水位线变化情况

根据模型中各监测点水位数据，获得模拟河道内特征点水位变化，如图4所示。从图4可知，A点监测水位最大值为228 m，水位变化与上游来水流量有关，当流量愈大时则水位线愈高，上游来水流量与水位线具有一定正相关特征；从整体水位线变化来看，变化量值最大未超过20 m；对比同一时间区段内不同监测点水位可知，水位以里程较大的测点为最大，其中D点所在里程相对较大，在第2 000 h该测点水位为223.2 m，相比C点同一时刻水位增大了2.6%。

图4 各监测点水位时程曲线

在泄流冲淤试验过程中，由于坝区上游流量变化均会引起泥沙淤积，通过观测模型中河床变化，可反映水库泥沙淤积演化过程，模型中不同时刻变化形态如图5所示，并将各横断面上模型实测地形高程与水电站枢纽工程实测地形高程对比，结果如图6所示。从图5—6可以看出，模型试验中泥沙存在淤积现象，但对河道冲刷并不显著；由地形高程曲线可知，上、下游段模型试验值与实际工程监测值一致，中游段模型试验值较高，全断面地形高程呈“U”字形，地形高程最低约为180 m，最大变化幅度为33.3%。中游段试验结果较高，模型中泥沙等含量均采用概化换算获得。一方面，限于模型尺寸效应，试验结果虽能为工程提供参考，但与实际工程仍有一定差异；另一方面，实际工程中河床地形高程还受地质构造活动影响，而这种情况在试验室无法准确模拟，因而模型试验结果高于实测值，最大相差幅度为5.4%。

图5 模型中不同时刻河床地形变化

图6 断面地形高程结果对比

3.2 底孔堵塞冲刷分析

当泄洪洞上游泥沙淤积严重，会造成泄洪闸底孔堵塞，进而影响泄流效率，为此探讨底孔堵塞后冲刷方案。模型试验中上游来水流量控制为800 m3/s，水位为230 m，排沙洞流量控制为300 m3/s，分别对2个明流洞、3个孔板洞、3个排沙洞开展试验，依次打开a#、b#明流洞，关闭其他孔洞，待测试洞内含沙量稳定后，对孔板洞、排沙洞开展试验测试，依次获得各个孔洞含沙量随时间变化关系，如图7所示。从图7可以看出，不论是明流洞还是孔板洞、排沙洞，其含沙量均是先增后减至稳定状态变化，a#明流洞至含沙量稳定状态持续时长达315 min，含沙量峰值为20 kg/m3，稳定状态下含沙量约为2.95 kg/m3，相比峰值含沙量降低了85.3%。a#孔板洞峰值含沙量为60 kg/m3，含沙量至稳定状态下降幅超过80%；对比2个孔板洞含沙量变化可知，b#孔板洞峰值含沙量更大，达70 kg/m3。综上分析来看，明流洞排沙量最小，峰值含沙量仅为排沙洞的28%，孔板洞排沙能力仅次于排沙孔。

图7 各孔洞含沙量随时间变化

泄洪闸进水塔排墩前地形高程在冲刷模型试验前、后对比，如图8所示。从图8可知，经冲刷排沙后，泄洪闸前高程显著降低，泥沙淤积影响减弱；试验前地形高程稳定在192 m，经冲刷后地形高程最低仅为175 m，降低幅度达9%。分析表明，模型冲刷试验有效减弱了泥沙淤积现象，可为水电站枢纽工程的安全运营提供重要防淤思路。

图8 冲刷模型试验前、后地形高程对比

4 螺旋流定点冲淤试验分析

为研究螺旋流排沙冲淤效果，设计以不同管径螺旋面排沙冲淤，以5、8 cm作为管径对比方案，螺旋面形态如图9（a）所示，螺旋流排沙装置如图9（b）所示。试验控制上游水位为120 cm，排沙洞流量为2.6 L/s，以固定点处的螺旋管道作为输沙渠道，测定全过程管径出口含沙量，获得含沙量变化曲线。

图9 螺旋流排沙装置

4.1 螺旋流5 cm管径

5 cm管径螺旋流输沙过程中平均含沙量与累计含沙量变化曲线如图10所示，平均含沙量呈先增后减变化，峰值含沙量为115 kg/m3，位于第74 min，后持续下降，直至最低含沙量10 kg/m3。另从平均含沙量的增长与下降阶段来看，增长阶段分为缓慢增长与快速增长2个增长速率段，缓慢增长段为0～36 min，增长幅度约为153%，而从37 min后至峰值含沙量，平均每分钟含沙量增长1.63 kg/m3；而在下降阶段，平均含沙量亦具有速率转折点，其临界点位于第125 min左右，分析表明出现平均含沙量的增长和下降变化拐点与螺旋管径剖面流向转换停滞有关，当螺旋流的旋转方向到达极限点时会发生螺旋流速降低，进而含沙量会有速率变化的过程。累计输沙量处于持续增长阶段，在峰值含沙量时即第74 min时累计输沙量达800 kg，而累计输沙量增长斜率分为2个阶段，0～60 min内平均每分钟增加含沙量9.2 kg，在该时间点之后累计含沙量增长斜率逐渐放缓，即第60 min为累计含沙量峰值增长临界点，相比峰值平均含沙量有所提前。

图10 平均含沙量与累计含沙量变化（5 cm管径）

4.2 螺旋流8 cm管径

同理可得到8 cm管径含沙量变化关系，如图11所示。8 cm输沙管径的含沙量变化曲线趋势与5 cm管径基本一致，峰值含沙量相比5 cm管径增长了4.3%，达120 kg/m3，位于第100 min；另在37.5 min前，含沙量变化较小，基本维持在20 kg/m3，而在第37.5 min至峰值含沙量阶段，平均每分钟含沙量增长1.76 kg/m3；而在降低阶段，8 cm管径的降低速率拐点位于第136 min左右；对比5 cm管径下含沙量结果可知，8 cm输沙管径的螺旋流排沙能力优于5 cm管径，冲淤能力与螺旋流管径关系为正相关。从累计含沙量特征参数亦可知，其增长斜率拐点约位于第92 min，此时累计含沙量达800 kg；在该增速拐点后，增长速率放缓，92～160 min增长幅度为83.5%；从整体累计含沙量对比来看，8 cm管径的累计含沙量在各时刻均高于5 cm管径，2个管径在第140 min时均已处于累计含沙量增长的第2阶段中，8 cm管径累计含沙量达1 400 kg，相比5 cm管径其增大幅度为14.3%。综合分析来看，平均含沙量峰值点均滞后于累计含沙量增长速率拐点；2种管径最终含沙量均稳定在10～15 kg/m3，但8 cm管径螺旋流排沙量高于5 cm管径，有助于孔洞排沙冲淤。

图11 平均含沙量与累计含沙量变化（8 cm管径）

5 结论

（1）研究了在坝区里程1 500～4 500 m内水沙淤积，里程1 500 m以内几乎无水沙淤积；上游来水流量与水位线为正相关关系；全断面地形高程呈“U”字形，地形高程最低约为180 m，最大变化幅度为33.3%，模型试验的地形高程结果高于工程实测值。

（2）底孔堵塞冲刷试验中含沙量均是先增后减至稳定状态，明流洞排沙量最小，峰值含沙量仅为排沙洞的28%，孔板洞排沙能力仅次于排沙孔；经冲刷排沙后，泄洪闸前高程降低幅度达9%，地形最低高程仅为175 m。

（3）5 cm管径螺旋流排沙方式下平均含沙量呈先增后减变化，峰值含沙量为115 kg/m3，增长与下降阶段均有速率拐点；累计输沙量呈持续增长态势，但增长速率逐渐放缓，第60 min为累计含沙量峰值增长临界点。

（4）8 cm管径螺旋流排沙方式下平均含沙量、累计含沙量变化趋势均与5 cm管径一致，但峰值含沙量相比5 cm管径增长了4.3%，且各时刻累计含沙量均高于5 cm管径，2种管径最终平均含沙量均稳定在10～15 kg/m3。