黄河某水库坝前冲刷漏斗形态模型试验研究

张旭东，董占地，王志国

(1.河北工程大学 水利水电学院，河北 邯郸 056038;2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

我国河流泥沙多、水利枢纽多,许多河流的含沙量之高、输沙量之大均居世界各主要河流的前列[1］。河流发生水流运动的同时常伴有泥沙输移[2］,河流所携带的泥沙进入水库时,由于水位抬高,过水断面扩大,流速减慢,因此造成水库淤积[3］。坝前泥沙淤积可能导致泄水建筑物进口淤堵、闸门启闭困难、无法使发电引水口门前清等,从而影响工程效益发挥甚至影响枢纽工程安全运行,所以我国对水库泥沙研究颇为重视。至今,国内外主要通过原型观测、模型试验、理论分析与数值模拟等4种方法进行研究[4］,其中在多泥沙河流坝前水库漏斗研究方面较多[5-10］,并在坝前漏斗形态、纵横向坡比及影响因素等方面取得大量成果。如涂启华等[11］指出坝区漏斗域为水流由库区明渠流过渡到有压底孔泄流的水流流动区域；董年虎[12］认为漏斗坡比的影响因素有孔前水深、小漏斗上游侧淤积厚度、孔口进口处流速和开启度,并指出边界条件也是一个重要的影响因素,排沙漏斗的形态还取决于坝前水位、流量、主流与排沙孔的相对位置等因素[13］；王广月[14］指出冲刷漏斗的成因是泄水孔口附近流线急剧收缩,在此大量泥沙起动,并随着到孔口距离的增大,这种作用变弱,当上游来水来沙与此段河床相适应而处于相对平衡状态时,就会在枢纽前形成稳定的冲刷漏斗；崔承章等[15］通过开展小浪底坝区漏斗形态概化模型试验,认为漏斗的横坡比基本接近模型沙的水下休止角,而纵坡比与泄流量成反比、与坝前水位成正比；胡德超等[16］利用三维数值模拟的方法研究了水库坝区冲刷漏斗的形成机理。笔者通过开展黄河某水库坝前漏斗形态模型试验研究,并根据试验结果对比相同流量、相同水位和不同运用方式条件下,同一位置孔口前形成的漏斗形态及纵横坡比特点,进而提出相对合理的排沙底孔运用方式。

1 枢纽概况

该水利枢纽位于黄河中游,库区两岸支流众多,其中流域面积大于1000 km2的入黄支流有6条,支流典型特点为沟深坡陡、河道比降在4%左右,横断面窄深,含沙量大,泥沙颗粒较粗,是黄河粗泥沙的主要来源区,造成黄河严重的泥沙淤积。因此,该水利枢纽工程开发任务为“以防洪减淤为主,兼顾供水灌溉和发电等综合利用”。该水库死水位588 m,汛限水位617 m,总库容129.42亿m3,电站装机规模2100 MW,多年平均来沙量7.73亿t。

枢纽主要建筑物包括:排沙底孔坝段共8个,分别与3个溢流表孔坝段和4个泄洪中孔坝段间隔布置,8个排沙底孔坝段长度均为20 m,排沙底孔采用短压力进口形式,进口高程490 m,孔口尺寸4.5 m×6.0 m。发电引水坝段位于河床右侧,共6个坝段,发电引水进口高程545 m,冲沙孔布置在发电引水坝段右侧,进口高程为515 m,孔身直径4 m,左、右岸坝段布置有灌溉供水取水口。发电引水洞单孔最大过流量为286.20 m3/s,6孔过流量合计1717.20 m3/s。排沙底孔单孔泄流量为1025.75 m3/s,冲沙孔过流量为313.00 m3/s,为了方便试验记录和试验结果处理,将该水利枢纽泄水建筑物自左至右依次编号对应标于上方,上游建筑物立视面如图1所示。

图1 上游建筑物立视面(单位:m)

2 模型设计

2.1 模型比尺确定

坝区泥沙物理模型主要研究不同运用方式下水库泄流与排沙关系及坝前冲刷漏斗形态等。模型设计时应考虑冲刷坑附近水流平轴环流和竖轴环流对冲刷坑大小及形态的影响。为正确模拟出这两种水流结构,模型设计上宜采用正态模型,进而避免几何变态模型造成的建筑物扭曲,保证垂向水流流速分布相似和环流结构相似。

根据试验内容和场地,确定本次模型平面比尺为:水平比尺λL＝垂直比尺λH＝100。依据动床河工模型的相似准则,确定模型试验其他相似比尺:流速比尺为10,悬沙粒径比尺为2.61,含沙量比尺为2.8,流量比尺为100000。

2.2 模型沙的选择

模型为坝区动床模型,模型沙选配主要考虑泥沙沉降相似、泥沙起动相似及河床变形相似,进而确定悬沙粒径比尺和含沙量比尺。原型水库淤积物的干容重取1.40 t/m3,模型床沙干容重约为0.75 t/m3,模型中的悬沙粒径小、干容重取0.70 t/m3。原型悬移质泥沙中值粒径为0.028 mm左右,根据悬沙粒径比尺可得要求的模型悬沙中值粒径约为0.011 mm,本试验原型水库的入库水流含沙量较高,属于高含沙水流,根据多年来经验,高含沙模型试验含沙量比尺一般大于1。中国水利水电科学研究院在开展小浪底、三门峡、渭河下游等模型试验时含沙量比尺均为2.8,因此本试验水利枢纽泥沙物理模型选用粉煤灰作为模型沙,含沙量比尺也定为2.8。

2.3 模型布置

本次模型试验范围为该水利枢纽上游5 km左右,模型高度满足试验最高水位即汛限水位(617 m)要求,模型高度为2.1 m。循环系统由模型、200 m3的地下水库、220 m3的地表水库及2个100 m3的浑水搅拌池、沉沙池及自动供水系统等部分构成,模型平面布置如图2所示。

图2 模型平面布置示意

3 试验过程

模型试验模拟冲刷漏斗有两种方法:一种是按挟沙水流相似准则设计模型,让泥沙自然沉积在坝前,然后进行冲刷漏斗形态试验；另一种是在模型上按坝前设计淤积高程,人工铺设模型沙,再进行冲刷试验[17］。本试验采用第一种方法开展2种工况的模型试验。2种工况试验的地形边界条件和水沙边界条件完全相同,均保持坝前水位为588 m,上游来水流量为1000 m3/s,含沙量为20 kg/m3,即为了方便试验结果的比较,每种工况试验前先将坝前5 m(模型距离)范围内的地形高程清理至排沙底孔底板高程490 m,工况一运用方式为冲刷、工况二运用方式为淤积。2种工况试验时,模型进口施放流量为1000 m3/s、含沙量为20 kg/m3的含沙水流,并将坝前水位控制在死水位588 m,同时开启8＃排沙底孔进行泄流。不同之处在于,工况一在试验前需预放一定的含沙水流,并适当开启不同位置闸门进行泄水,使各泄水建筑物孔洞前淤沙高程基本一致,通过观测实时地形,确保坝前地形稳定后的淤积面高程达到545 m(考虑试验结束后,泥沙在重力作用和水压力作用下会发生沉降,故试验过程中监测的地形高程要偏高一些)以上时,关闭进出水口并自然静止12 h以上,使得孔洞前淤积面高程基本稳定,在此基础上再开展工况二的试验。

2种工况的试验过程中监测坝前地形冲淤变化及形成漏斗的形态,并观察发电洞口门前清情况。同时,根据实时监测的地形数据(工况二试验,坝前漏斗肩部淤积高程超过发电洞进口高程545 m并稳定后)及时对比进出口含沙量,判断是否达到冲淤平衡,待冲淤平衡后,关闭进出口,并对试验后的坝前地形和漏斗进行测量。

4 试验结果及分析

4.1 工况一试验结果分析

工况一试验结束后,坝前漏斗实况见图3(图中箭头表示水流方向),坝前冲淤地形示意见图4,坝前5 cm(模型)处漏斗横断面见图5。

图3 坝前冲刷漏斗实况

图4 坝前冲刷漏斗示意

图5 坝前5 cm（模型）处漏斗横断面

从图3和图4可以看出,试验结束后坝前冲刷漏斗呈半圆形,通过测量可知,漏斗横向宽度范围为17～70 m,漏斗纵向宽度约为50 m,可以使1＃发电洞门前清。

试验结束后,坝前冲刷漏斗最低点在排沙洞进口底板高程490 m附近。发电洞底板高程545 m以下横向和纵向的变化特点为:①横向坡比。8＃排沙底孔前,左右横向坡比基本一致,并以527 m高程为界大致分为两段,上段坡比略小于下段,具体而言,高于527 m高程的横向坡比为1∶1左右,低于527 m高程的横向坡比为1∶0.3左右,其平均横向坡比约为1∶0.6。②纵向坡比。可分为两段,靠近孔洞的纵向坡比为1∶0.5左右,远离孔洞的纵向坡比为1∶0.9左右,前者大于后者,其平均坡比约为1∶0.8,分析可发现越远离洞口段坡度越小,当泄水孔口前淤积的深度变浅时自然越远离洞口,即淤积深度越小坡度越小,符合坝前漏斗形态的一般规律。

4.2 工况二试验结果分析

工况二试验结束后,坝前淤积漏斗形态随时间变化见图6,坝前冲淤地形见图7,坝前5 cm(模型)处地形横断面见图8。

图6 坝前淤积漏斗变化情况

图7 坝前淤积漏斗示意

图8 坝前漏斗横断面

从图6和图7可以看出,排沙底孔前漏斗为半圆状,以排沙洞进口底板高程490 m附近为最低点,且随着坝前淤积高程的提高,坝前漏斗的坡度越来越陡,发电洞底板高程545 m以下漏斗横向最大宽度约为215 m,可以使其右侧的1＃～4＃发电洞达到门前清状态,漏斗纵向向上游延伸至孔洞前沿305 m左右。

坝前漏斗的左右横向坡比基本一致,且分为两段,545 m高程以下漏斗横向坡比为1∶2左右,545 m高程以上漏斗横向坡比为1∶5左右,后者明显小于前者；坝前漏斗的纵向坡比以542 m高程为界也分为两段,542 m高程以下漏斗纵向坡比在1∶2.5左右,与其相比,542 m高程以上漏斗纵向坡比明显偏小,坡比约为1∶5。对比淤积漏斗纵横平均坡比可得,横向坡比大于纵向坡比,由于孔口前主流是由单向明渠流向深水孔口流过渡,顺水流方向单宽流量大于垂直于主流的侧向单宽流量,而且流量越大水深越大,因此一般漏斗的纵向坡比小于横向坡比[18］。

通过对比两种工况试验结果可知,整体形态上,淤积漏斗横向宽度和纵向宽度都大于冲刷漏斗的,且淤积漏斗的横向坡比和纵向坡比都小于冲刷漏斗相应的坡比,即淤积漏斗影响范围大于冲刷漏斗的。因此,建议定期或不定期开启排沙底孔进行排沙,以提高排沙底孔排沙效果和发电洞发电效率。

4.3 与已有漏斗模型试验结果比较

国内外许多学者通过原型观测或模型试验对水利枢纽泄水建筑物进口冲刷漏斗进行了研究,在坝前漏斗形态方面取得了大量的成果,表1和表2分别为不完全统计的坝前漏斗实测结果和试验结果。

表1 坝前漏斗实测结果

表2 坝前漏斗试验结果

综合上述漏斗实测结果和试验结果可知:①无论 是实测结果还是试验结果,大都呈现出漏斗横向坡比大于漏斗的纵向坡比；②原型观测漏斗的坡比与入库水流条件、入库泥沙量及泥沙特征、库区地形、地貌、枢纽泄流规模及布置高程和位置等相关[11］,冲刷漏斗的成因十分复杂,现有试验技术尚无法达到严格相似,因此原型观测漏斗坡比与试验结果会存在不同程度的差异,一般而言,模型试验得到的漏斗边坡坡度较原型观测的要大、范围要小；③泄流量增大,相应的底孔流速增大,形成的冲刷漏斗坡度更加平缓；④泄流量一定时,不同水深漏斗坡比差异很大,呈现坡比随水深增大而增大的趋势；⑤本试验的底孔流量、孔前水深、孔前淤积厚度都介于其他水库的范围中,同时本试验的漏斗纵、横向坡比也介于其他水库的坡比范围中,因此本试验结果合理可靠。

5 结论

对黄河某水库坝前冲刷漏斗形态进行模型试验研究,对比分析了同一排沙底孔在坝前冲刷和淤积运用方式下所形成漏斗的形态、纵横向坡比及发电洞孔口门前清情况,并与已有研究结果进行对比,得到以下结论:

(1)坝前漏斗为半圆状,且淤积漏斗大于冲刷漏斗的影响范围,发电洞底板545 m高程以下,8＃排沙底孔淤积漏斗横向和纵向最大宽度分别约为215 m和140 m,8＃排沙底孔冲刷漏斗横向和纵向最大宽度分别约为70 m和50 m。

(2)在死水位588 m、流量1000 m3/s、含沙量20 kg/m3的水沙条件下,8＃排沙底孔前淤积漏斗可以使1＃～4＃发电洞达到门前清,而8＃排沙底孔前冲刷漏斗可以使1＃发电洞达到门前清。因此,定期或不定期开启排沙底孔进行排沙,可以提高排沙底孔排沙效果和发电洞发电效率。

(3)545 m高程以下,8＃排沙底孔淤积漏斗的横向坡比和纵向坡比分别为1∶2.0和1∶2.5左右,8＃排沙底孔冲刷漏斗的横向坡比和纵向坡比分别为1∶0.6和1∶0.5左右。

(4)对比分析两组横、纵向坡比,淤积漏斗的纵、横坡比均小于冲刷漏斗的相应坡比,即淤积漏斗的坡度小于冲刷漏斗的；同时横向坡比一般大于纵向坡比。

(5)坝前漏斗纵向坡比、横向坡比均大致可分为两段,且具有远离孔洞小、近孔洞大的规律。

(6)实测漏斗形态分析结果和模型试验结果表明,本次试验结果与实测分析结果及其他模型试验结果在定性规律上基本一致。在考虑坝前达到冲淤平衡状态、排沙洞可正常运行情况下,模型试验形成的坝前冲刷漏斗形态及范围均偏于保守,漏斗坡度大于原型观测的结果。因此,这种试验结果是偏于保守的,对于工程安全是有利的。