水库排沙清淤中导流堤与排沙渠结合技术应用的试验分析

陈 杨

（新疆金沟河流域管理局,新疆 沙湾 830052）

1 问题的提出

红山水库位于沙湾县城西南方向金沟河中游河段出山口处,坝址控制流域面积1688 km2。工程区距乌鲁木齐211 km,距沙湾县城约25 km,目前沙湾县至工程区有X805 道路通过,均为沥青路面,交通便利。红山水库工程是金沟河上的控制性工程,起着龙头水库的重要作用,主要承担着灌溉、防洪和工业供水的任务,并兼顾发电。总库容为5506 万m3,正常蓄水位为887.00 m,死水位853.00 m。从水库的兴利要求看红山水库枢纽工程推荐正常蓄水位为887 m,是以灌溉供水为首要任务的水利枢纽工程,其次为防洪兼顾发电。金沟河是北疆地区泥沙含量较大的河流之一,红山水库建成后各不同淤积水平年淤积量见表1 ,河段泥沙淤积对水库正常运行的影响是较大的,可以说,如何解决金沟河流域沙湾县段泥沙淤积问题是有效解决红山水库泥沙淤积的首要问题。本文结合同类型水库泥沙淤积治理经验,针对金沟河流域红山水库泥沙淤积现状提出在水库上游修建导流堤与在水库下游修建排沙渠相结合的清淤治理技术,确保金沟河流域红山水库段来沙直接通过水库排沙底洞向流域下游排放,为流域红山水库段创造有利的河流运行条件,实现干流来流顺畅的目的。

表1 红山水利枢纽工程各不同淤积水平年淤积量表单位：万m3

2 试验设计

综合考虑试验精度及原型河床条件,模型设计水深hm应在1.5 cm以上,结合模型水流流态具体要求,将模型试验比尺[1]确定如下：

其中e为模型的几何变率,对于该变率系数的选择,国内许多学者均进行过深入研究,并提出不同的限制条件,具体如下,并结合金沟河流域红山水库泥沙淤积现状,将试验模型的几何变率确定为8。

张瑞谨所提出的限制条件[2]：

窦国仁所提出的限制条件[2]：

张红武所提出的限制条件[3]：

在以上限制条件公式中, B为河宽, H为代表断面水深。若选择代表断面时采用原型河道和库区结合部,则河宽为300 m,代表断面水深为1.8 m,根据限制条件计算结果,本水库试验模型的几何变率e=8 符合以上限制条件的要求。流域代表断面挟沙系数比尺k在传统理念中通常取1,但是越来越多的文献和试验显示，k＞1,结合金沟河流域红山水库代表断面实际,应认为代表断面挟沙系数比尺k≈4.5。结合红山水库现有泥沙资料,原型悬移质沙和河床淤积物颗粒粒径均较小,存在较大的模拟难度,经过反复试验后项目组决定，模型沙选用沙湾县照力火电厂生产的粉煤灰,其生产的粉煤灰物化性能稳定,密度适中,在进行高含沙洪水试验的过程中其流态不会发生失真,且水下选沙容易,造价低廉,但是其组分中活性物含量较高,容易引发试验中河床面固结。针对照力火电厂所生产的粉煤灰的性能特征先进行即铺即做、铺置1 d、铺置2 d、铺置3 d的预备性试验,试验结果显示,铺置2 d 预备性试验的模拟效果最好,泥沙起动流速最符合金沟河流域红山水库代表断面泥沙运行实际,而且所选用的粉煤灰材料在预备性试验过程中也并未出现絮凝。

为进一步进行模型中泥沙、水流运动和河床变形相似程度的判断与检验，还进行了以下验证,即选择红山水库库区天然河道实测原始地形,并在验证过程中加强进口水流量、含沙量、悬移质级配等与原型一致性的检查,并以泥沙冲淤变形、出库含沙量、沿程水位、流速等为重点观测对象。根据验证,本次试验的代表断面淤积量、淤积变动发展趋势、淤积具体部位等均与原型相似,并能成功复制金沟河流域红山水库运行10 a泥沙实际淤积过程。验证试验也说明,模型比尺和所选择的模型沙均符合试验要求。

3 导流堤与排沙渠结合技术应用的试验排沙效果

3.1 导流堤排沙

金沟河流域红山水库导流堤试验确定在泥沙测量断面K411 处,导流堤全长400 m,高6 m,与坝前直线距离5.5 km,且在该测量断面处导流堤轴线和导线形成135°夹角。进行金沟河流域设计流量100 m3/s,库水位1120 m,且p=100%工况下导流堤试验结果的模拟。在导流堤的导向下水流向左岸流去，并在导流堤端部与左岸河道会合后流向下游，持续性冲刷3 d后在临近左岸处形成最大深度4.0 m、最大宽度80.0 m的S形河槽。

3.2 排沙渠排沙

将排沙渠出口设置在泄洪排沙涵洞前450 m处，并使其与导流明渠左岸连接后两个轴线形成65°夹角，排沙渠设计长度600 m，深度6.5 m，梯形横断面，渠底宽45.5 m，设计边坡1∶1.5。将设计长度600 m、设计高度6.0 m的导流顺坝设置在排沙渠道前段，并使顺坝轴线和渠道轴线形成150°夹角。进行金沟河流域设计流量100 m3/s，控制库水位1120 m工况下排沙渠试验结果的模拟。模拟及观测结果显示，导流顺坝迎、背水面存在较小的水位差，且顺坝进口处水流流速缓慢、流态平稳且顺畅，对于较低库水位，金沟河流域出现突然性较大规模洪水后，即使冲刷槽内的水流也很难改道导流明渠进口。

3.3 导流堤与排沙渠结合的排沙效果

根据以上对金沟河流域红山水库排沙清淤中导流堤与排沙渠道排沙过程的模拟以及对水库在洪水历时过程中排沙效果的观测分析,将水库排沙清淤技术措施实施后典型断面冲刷情况描绘如下,具体见图1。

图1 设计断面冲刷前后情况对比

通过对金沟河流域洪山水库典型设计断面冲刷前后情况对比的分析可知,冲刷主槽主要出现在水库上游左岸，且当库水位达到1453 m后主槽出现部分淤积,且在次年的正常流量水平下主槽经过3 d冲刷后又再次形成淤积，阻碍了水流流向鱼嘴方向。此外,当红山水库上游左岸冲刷主槽形成后，必然会有大量挟沙的洪水流经主槽及所设置的排沙渠道后向下游排放，很难改变河道主流，所以能有效解决金沟河红山水库库区泥沙落淤于鱼嘴方向的问题。

根据水流冲刷现状及趋势进行金沟河流域红山水库库区典型断面2020 年泥沙淤积形态的模拟，并在库区地形条件下结合水库洪水历时和水沙条件进行水库上游修建导流堤以及同时在水库下游修建排沙渠相结合的清淤治理措施实施后实际排沙效果的模拟，具体见图2，图中出库泥沙1 表示出库泥沙实测结果，出库泥沙2 表示出库泥沙试验结果。

图2 2020年金沟河流域红山水库库区典型断面泥沙淤积形态模拟结果

根据对图2 中典型断面泥沙淤积形态模拟结果的分析可以看出，在水库上游修建导流堤同时在水库下游修建排沙渠相结合的清淤治理措施实施后出库泥沙量显著增加，且滞留于库区的泥沙完全能够通过如异重流排沙等较为有效的排沙方式及时排除库区。根据金沟河流域红山水库库区2019 年汛期实际排沙情况来看，2019 年10 月12 日水库秋季蓄水过程中通过1448.40 m的较高异重流排沙水位实现了3.642 万t的排沙总量，排沙比达到14.53%，异重流排沙效果十分显著。而水库上游修建导流堤与水库下游修建排沙渠相结合的排沙过程主要集中在5 月~7 月份，而异重流排沙过程则集中在7 月~10 月份，两种排沙方式的结合能够有效解决金沟河流域红山水库库区泥沙淤积问题。

3.3 入库出库泥沙预测

根据对金沟河流域红山水库库区典型断面2020 年出库泥沙情况的模拟并结合水库出库泥沙实测结果，进行水库上游修建导流堤同时在水库下游修建排沙渠相结合的清淤治理措施实施后入库出库泥沙年际对比，具体见图3。

图3 金沟河流域红山水库库区典型断面入库出库泥沙年际对比

根据出库入库泥沙年际对比结果，红山水库上游修建导流堤同时在水库下游修建排沙渠相结合的清淤治理措施实施后，综合排沙能力随时间的推移有所降低，主要原因应在水库运行管理方面，由于水库实际运行过程中，各年来水来沙情况较难预测，为此必须不定期人工清理排沙渠。此外，库区上游来水会对导流堤造成较严重的冲刷，而上游导流堤是确保上游水流流向的主要建筑物，也是能否有效解决红山水库库区泥沙淤积问题的关键工程。根据相关试验结果，金沟河流域6 月~8 月份汛期期间库水位在887.02 m，上游河道来水和水库泄水流量均不超过650 m3/s，红山水库能通过上游修建导流堤、下游修建排沙渠相结合的清淤措施取得理想的排沙效果，汛期排沙总量可达165 万t。

4 结论

针对金沟河流域红山水库泥沙淤积问题构建起物理模型，并研究了水库上游修建导流堤、下游修建排沙渠相结合的清淤治理措施实施后库区泥沙淤积效果分析，得出的主要结论有：（1）水库上游修建导流堤、下游修建排沙渠的清淤措施对于金沟河流域红山水库库区清淤治理十分可行，并与其余排沙清淤措施（如异重流排沙）联合应用后能快速恢复水库库容，且适用性强；（2）水库上游修建导流堤、下游修建排沙渠相结合的清淤治理措施主要通过库区常遇流量并在库区形成冲刷主槽，以达到顺利排泄洪水期泥沙的目的，能很好地恢复水库库容。