引水渠道口泥沙淤积影响研究

何佩诗，涂志俊

(1.湖北志宏水利水电设计有限公司，湖北 武汉 430070；2.湖北路达胜工程技术咨询有限公司，湖北 武汉 430015)

0 引言

引水渠道是河道常见的分汊形式，当河道水流路径发生改变时，会携带大量的泥沙进入渠道，导致泥沙在渠道口门处产生不同程度的淤积，造成渠道堵塞，如何防止渠道淤积，学者们进行了多方面研究。辛虹等[1]对郑州引黄灌区渠道淤积的措施进行了研究，结果表明：采取科学的渠道清淤措施，能有效的防止渠道淤积；陈海锋[2]对昌马渠首口门泥沙淤积计算方法及防治措施进行了分析，结果表明：通过对引水渠道口门淤泥量进行计算与分析，得出计算结果与实际情况一致；武金明等[3]对兰州雁滩南河道引水防淤方案进行了研究，结果表明：采用水力排沙为主，机械清淤为辅的清淤方式，可有效的清除河道淤积；林子谷[4]对河床淤积问题现状及治理措施进行了研究，结果表明：治理后的淤泥淤积厚度均比治理前的淤积厚度小；霍玉国等[5]对不同年份水沙系列下水库泥沙淤积变化进行了分析，结果表明：泥沙淤积发展速度较快的时段主要是第1年，此后水库泥沙淤积速度逐渐变慢；田鹏伟等[6]对外洪含沙量对干渠泥沙淤积影响进行了研究，结果表明：外洪含沙量越大，泥沙淤积厚度越大，泥沙淤积起始位置和最大泥沙淤积厚度出现位置越靠近干渠上游。

以上学者研究了河道的防淤措施，分析了含沙量对渠道泥沙淤积的影响，本文参考以上学者的研究结论，通过对引水渠道泥沙淤积进行数学模型计算，在不同糙率和水沙强度条件下，对引水渠道口泥沙淤积的规律进行进行分析。

1 研究区概况

主流河道分汊而形成的引水渠道，在河道主流进入引水渠道时，在水体主流作用下，水流在一定范围内产生弯曲产生环流，水流带动水体中大量泥沙进行运动。泥沙运动过程中，上部泥沙含量较少，泥沙粒径较小的水体，在水流作用下，进入引水渠道流至下游出口；而下部泥沙含量较大，且泥沙粒径较大的水体运动较慢，在水流挟沙能力较小清况下，泥沙逐渐沉入渠道底部，并且在渠道口附近越积越多，从而导致渠道口附近产生严重的淤积现象。对此，本文对引水渠道口附近的淤积变化进行了数学模型计算，在不同糙率和水沙强度条件下，对引水渠道门泥沙淤积的影响进行了研究。

2 数学模型建立

2.1 基本方程

本次数学模型计算采用一维非恒定水沙数学模型方程进行计算，方程中包括水流连续方程、水流运动方程、泥沙连续性微分方程、悬移质河床变形方程以及水流挟沙力方程。

(1)水连续方程：

(1)

(2)水流动运输方程：

(2)

(3)泥沙连续性微分方程：

(3)

(4)悬移质河床变形方程：

(4)

(5)水流挟沙公式：

(5)

式中，Q—水流流量，m3/s；x—流程，m；B—河宽，m；Z—水位，m；t—时间，s；R—水力半径，m；A—过水断面面积，m2；g—重力加速度；n—糙率系数；α—悬移质泥沙恢复饱合系数；ω—泥沙的沉速，m/s；S—断面平均含沙量，kg’/m3；S*—水流挟沙力，N；′—泥沙的干密度，kg/m3；Zb—河床底部高程，m；k—挟沙力系数；m—挟沙力指数。

糙率系数是综合反映河床和河道两岸边界粗糙情况对水流阻力影响的系数，边界表面越粗糙，糙率越大，边界表面越光滑，则糙率越小。糙率系数的取值可直接影响水力计算的精度，由于引水渠道两岸边界是由浆砌条石和混凝土防渗衬砌，本次模拟试验选取3种糙率系数进行计算分析，分别为0.018、0.020、0.024。

泥沙恢复饱和系数是反映悬移质不平衡输沙时，含沙量向饱和含沙量即挟沙能力靠近的恢复速度，其取值的合理性直接影响河道淤积预测精度。本次模型计算选取悬移质泥沙恢复饱合系数在河道淤积时为0.24，在河道水流冲刷时为0.9，挟沙力系数为0.12，挟沙力指数为0.95。

2.2 模型设计

根据对引水渠道尺寸实际测量，渠道断面为梯形断面(如图1所示)，在引水渠道进水口处，其高程为32.84m，在渠道出水口处，其高程为26.64m，渠道底部宽度为106.45m，渠内坡比为1∶2.4。为了防止渠道内的输水在两岸土壤渗透作用下流失，引水渠道的两岸边界采用0.12m厚的混凝土作为防渗衬砌，防水水流冲刷。

图1 引水渠道断面示意图

本次模型计算以引水渠道2010—2020年实测水文数据为计算依据，根据测量数据推算引水渠道的引水过程，并对渠道来沙情况进行了研究。通过来沙情况，对水渠内的分沙引沙过程进行了分析，并对引水渠道内泥沙淤积情况进行了计算。

3 计算结果与分析

3.1 糙率对渠道淤积变化

根据引水渠道内泥沙淤积计算结果，引水渠道距进水口100km内沿程淤积变化如图2所示。

图2 引水渠道沿程淤积变化

由图2可知，随着离进水口距离越远，引水渠道淤积厚度先快速减小，然后随着淤积速度的缓慢，渠道内淤积厚度也随之缓慢增加，当达到一定距离后，淤积厚度趋于平稳。随着时间的增加，引水渠道淤积厚度逐渐增大，在第18年，引水渠道淤积厚度最大。

根据引水渠道内泥沙淤积计算结果，在不同糙率系数条件下，引水渠道局部沿程淤积变化如图3所示。

图3 不同糙率条件下引水渠道局部沿程淤积变化

如图3(a)所示，当引水渠道糙率系数为0.018时，随着距离进水口距离的增大，渠道内淤积厚度均先增大再减小。在第4年和第8年，泥沙在距离进水口0.125km位置淤积厚度最大，最大值分别为0.78、1.26m；在第12年和第18年，泥沙在距离进水口0.375km位置淤积厚度最大，最大值分别为1.63、1.82m。当引水渠道淤积达到最大厚度后，在渠道水流作用下，淤积厚度随着离进水口的增大逐渐减小，当在距离进水口5km位置，淤积厚度均有趋于平稳迹象。在距进水口相同距离条件下，时间越长，渠道淤积的厚度越大。

如图3(b)所示，当引水渠道糙率系数为0.020时，随着距离进水口距离的增大，渠道内淤积厚度均先增大再减小。在第4年和第8年，泥沙在距离进水口0.125km位置淤积厚度最大，最大值分别为0.86、1.38m；在第12年和第18年，泥沙在距离进水口0.375km位置淤积厚度最大，最大值分别为1.75、1.99m。随着离进水口距离越远，渠道内淤积的厚度越小，当距进水口相同距离条件下，时间越长，渠道淤积的厚度越大。

如图3(c)所示，当引水渠道糙率系数为0.024时，随着距离进水口距离的增大，在第4年，渠道内淤积厚度逐渐减小；在第8年、第12年和第18年，渠道内淤积厚度均先增大再减小。在第4年，泥沙在进水口位置淤积厚度最大，最大值为0.85m；在第8年，泥沙在距离进水口0.125km位置淤积厚度最大，最大值为1.37m；在第12年和第18年，泥沙在距离进水口0.25km位置淤积厚度最大，最大值分别为1.84、2.15m。随着离进水口距离越远，渠道内淤积的厚度越小，当距进水口相同距离条件下，时间越长，渠道淤积的厚度越高。

由图3可知，在相同糙率条件下，随着距离进水口距离的增大，渠道内淤积厚度均先增大再减小，渠道淤积厚度最大的位置，均不在口门前端，而是进入渠道有一定距离，时间越长，离进水口的距离相对较远。在不同糙率条件下，糙率系数越大，渠道内淤积的厚度越高。由于糙率的增大，渠道两岸边界阻水作用越大，水深也随之增大，水流流速降低，因此水流的挟沙能力减小，泥沙运动量减小后沉入渠道，形成渠道淤积现象。

3.2 水沙强度渠道淤积变化的影响

根据引水渠道内泥沙淤积计算结果，在不同强度水沙条件下，引水渠道局部沿程淤积变化如图4所示。

图4 不同水沙条件下引水渠道局部沿程淤积变化

如图4(a)所示，在小水小沙条件下，随着距离进水口距离的增大，渠道内淤积厚度均快速减小，然后再趋于平稳。渠道内淤积厚度最大位置为渠道口门位置，在第4年、第8年、第12年、第18年，渠道淤积最大厚度分别为0.35、0.71、0.91、1.15m。时间越长，渠道淤积的厚度越高。当距离进水口小于1km时，渠道内淤积厚度快速减小；当距离进水口大于1km时，渠道内淤积厚度减小缓慢；在距离进水口大于3km时，渠道内淤积厚度减小速度逐渐趋于平稳。

如图4(b)所示，在中水中沙条件下，随着距离进水口距离的增大。在第4年和第8年，渠道内淤积厚度均快速减小，然后再趋于平稳；在第12年和第18年，渠道内淤积厚度均先增大再快速减小，然后再趋于平稳。在第4年、第8年，渠道淤积最大厚度在渠道口门位置，最大值分别为0.6、0.87m；在第12年和第18年，渠道淤积最大厚度在距离进水口0.125km位置，最大值分别为1.16、1.41m。随着时间的增加，渠道淤积的位置逐渐偏移进入渠道内部。

如图4(c)所示，在大水大沙条件下，随着距离进水口距离的增大，在第4年渠道内淤积厚度均快速减小；在第8年、第12年和第18年，渠道内淤积厚度均先增大再快速减小。在第4年，渠道淤积最大厚度在渠道口门位置，最大值为0.71m；在第8年、第12年和第18年，渠道淤积最大厚度在距离进水口0.125km位置，最大值分别为1.02、1.48、1.87m。当水沙强度相同时，时间越长，渠道淤积的厚度越高。

由图4可知，随着水沙强度的增大，渠道内淤积的厚度也逐渐增大，在水沙强度较小时，渠道口门位置冲刷较小，泥沙在渠道口门位置开始淤积，淤积厚度最大。当水沙强度增大时，渠道口门位置冲刷产生较大冲刷，渠道淤积厚度最大的位置在渠道内距进水口0.125km附近。在相同水沙强度条件下，时间越长，渠道淤积的厚度越高。

3.3 泥沙粒径条件对渠道淤积变化的影响

根据引水渠道内泥沙淤积计算结果，在不同泥沙粒径条件下，引水渠道累计输沙量如图5所示。

图5 不同粒径条件下引水渠道累计输沙量

由图5可知，在时间为第10年时，进水口累计输沙量最大为0.814×107t，出水口累计输沙量最大为0.425×107t，当粒径小于0.1mm时，泥沙在水流作用下被带往下游出口，当粒径大于0.1mm时，水流的挟沙能力减弱，泥沙颗粒基本淤积到渠道底部。

4 结论

采用数学模型对引水渠道的泥沙淤积进行计算，分析引水渠道口泥沙淤积的规律，得到如下结论。

(1)渠道口淤积厚度分布不均，进水口0.125～0.25km范围内渠道淤积厚度最大。糙率系数越大，渠道内淤积的厚度越高。水沙强度较小时，泥沙在渠道口位置开始淤积。随着水沙强度的增大，渠道淤积厚度开始增加，时间越长，渠道淤积的厚度越高。

(2)距离进水口距离越远，引水渠道的淤积厚度快速减小。泥沙粒径小于0.1mm时，泥沙被带往下游出口，泥沙粒径大于0.1mm时，泥沙颗粒淤积到渠道底部。

(3)渠道淤积规律影响因素复杂，文章未考虑水质变化等因素的影响，因此结论需要进一步深入研究。