趙 晉 侯佩瑾

（山西省水利水電科學(xué)研究院 太原 030002）

1 工程概況

山西省第一大河汾河流經(jīng)臨汾市境內(nèi)河長173.5 km，流域面積10 286 km2，約為臨汾市總面積的50%。汾河閘壩蓄水工程是臨汾市生態(tài)區(qū)建設(shè)的重要組成部分，該工程位于臨汾市城區(qū)西側(cè)的汾河干流上，北起馬務(wù)橋，南至平陽橋，全長約5 km，兩岸無支流匯入，河床寬約400～500 m，洪水集中在汛期。該段河道泥沙較細(xì)，床沙中值粒徑D50＝0.31～0.33 mm，懸沙中值粒徑d50=0.036 mm，洪水平均含沙量為29.2 kg/m3，其粒徑級(jí)配曲線見圖1。

圖1 泥沙粒徑級(jí)配曲線圖

該工程為四等工程，主要建筑物按4級(jí)設(shè)計(jì)，主要建筑物包括：修建人工復(fù)式河槽、排污暗涵、中隔墻、橡膠壩及附屬建筑物，工程布置如圖2。本次治理工程采用分槽方案，即將主河槽分成兩部分，一部分為泄洪槽，可過300 m3/s以下的小洪水；另一部分為蓄水區(qū)，以供觀賞，當(dāng)來流超過泄洪槽的過流能力時(shí)，則洪水翻壩或塌壩過洪，槽與區(qū)之間設(shè)中隔墻。河道主河槽按10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，洪水流量1 500 m3/s，全河道過水能力按原標(biāo)準(zhǔn)50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，洪水流量2 690 m3/s。在馬務(wù)橋上游（樁號(hào)0-150）、擬建的西關(guān)橋上游（樁號(hào)2+400）、平陽橋下游（樁號(hào)4+700）設(shè)三道橡膠壩，形成兩座蓄水池。橡膠壩壩長均為240 m，壩高2.5 m。每道壩的左側(cè)均設(shè)中控室及儲(chǔ)水池，以便壩袋充水，水源采用打井取水方式。

圖2 工程布置圖

此次模型試驗(yàn)的目的主要是根據(jù)選定的分槽治理方案驗(yàn)證其合理性，確保工程治理段在各級(jí)洪水條件下各部位水流平順，流態(tài)穩(wěn)定，了解河段沖淤變化，為保障工程安全，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。

2 模型規(guī)劃設(shè)計(jì)

2.1 模型范圍選擇

河道治理段要求北起馬務(wù)橋，南至平陽橋，全長約5 km，因試驗(yàn)場地較短，且模型比尺希望盡量大些，故考慮馬務(wù)橋至下游彎道段比較順直，動(dòng)床試驗(yàn)中沖淤變化比較均勻，故在不影響彎道及上游水流流態(tài)和沖淤變化的情況下，減少1 900 m直段，治理段取3 100 m。

2.2 模型比尺的選擇

根據(jù)試驗(yàn)要求及所包括的河段范圍結(jié)合試驗(yàn)場地條件、供水條件等因素，根據(jù)重力相似準(zhǔn)則取水平比尺λL=180，對(duì)于垂直比尺如取λH=180（正態(tài)模型），所設(shè)計(jì)的模型水深較小，不能滿足模型最小水深（Hm＞2cm）的限制，將引起一系列問題，產(chǎn)生不可忽視的縮尺效應(yīng)，直接影響試驗(yàn)成果的可靠性，因此需采取變態(tài)模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，取λH=60，即變率e=λL/λH=3,相應(yīng)其他有關(guān)物理量的比尺為：

流速比尺λV=λH1/2=7.75

水流時(shí)間比尺λt1=λL/λV=23.24

水面比降比尺λJ=λH/λL=1/3

糙率比尺λn=λH1/6/λJ1/2=1.14

流量比尺 λQ=λLλHλV=8.37×104

3 泥沙運(yùn)動(dòng)相似設(shè)計(jì)

3.1 模型沙的選擇

同天然河道一樣，在動(dòng)床模型試驗(yàn)過程中，其懸沙和床沙隨著流速的變化不斷進(jìn)行交換，如果水流流速超過床沙的起動(dòng)流速，河床上泥沙被水流沖起變成懸沙；當(dāng)水流流速變小時(shí)，懸沙中較粗泥沙顆粒落淤變成床沙。因此床沙和懸沙應(yīng)該采用同一種模型沙，選擇一種既符合懸沙運(yùn)動(dòng)相似，又符合床沙運(yùn)動(dòng)相似的材料做為模型沙。動(dòng)床模型試驗(yàn)主要研究治理段河道行洪期河床變化，故首先應(yīng)保證河床沖淤變形相似，要求滿足床沙的起動(dòng)相似、挾沙能力相似及泥沙粒徑級(jí)配相似，因汾河沙很細(xì)，采用天然沙做模型沙很難選出合適的模型沙，只能選擇輕質(zhì)沙，通過對(duì)電木粉、精煤、粉煤灰、塑料沙特性進(jìn)行比較，結(jié)合其他科研單位的經(jīng)驗(yàn)，上述幾種輕質(zhì)沙均可做模型沙，而塑料沙、電木粉不僅價(jià)格高，且加工不方便，不易達(dá)到級(jí)配要求。粉煤灰比重仍偏大，故選用起動(dòng)流速小，級(jí)配廣的清徐焦化廠的精煤做模型沙，其優(yōu)點(diǎn)主要有：精煤比重小，比較穩(wěn)定；起動(dòng)流速小，有利于起動(dòng)相似；焦化廠的精煤粉經(jīng)過水洗，可以分選取出級(jí)配合適要求的模型沙。清徐精煤比重γsm=1.4，天然沙的比重γsp=2.65，因而：

比重比尺 λγs=γsp/γsm=2.65/1.4=1.89

模型沙淤積物干容重γ′m=0.6～0.7 t/m3

原型沙淤積物干容重 γ′p=0.5γsp，即 γ′p=0.5×2.65=1.33t/m3

泥沙淤積物干容重比尺 λγ′=γ′p/γ′m≈2.0

3.2 床沙運(yùn)動(dòng)相似

研究河床沖淤變形的動(dòng)床模型試驗(yàn)，必須考慮底沙運(yùn)動(dòng)相似條件，即滿足起動(dòng)流速相似，根據(jù)黃委會(huì)屈孟浩所得經(jīng)驗(yàn)[1]，在動(dòng)床模型試驗(yàn)中可采用下式作為底沙運(yùn)動(dòng)相似條件，可求得模型沙粒徑比尺λD。

該河道原型床沙D50=0.31～0.33 mm，按粒徑比尺計(jì)算，本試驗(yàn)采用模型床沙D50=0.068 mm左右。根據(jù)模型沙在水槽中起動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)水深為3 cm時(shí)，其起動(dòng)流速vc=7～8 cm/s，滿足要求。

3.3 泥沙懸移運(yùn)動(dòng)相似

3.4 水流挾沙能力相似

一般洪水含泥量是隨流量大小而變化的，含沙量增大沖刷能力會(huì)減小，對(duì)于研究河床沖淤及建筑物周圍的沖刷情況的模型，考慮到?jīng)_瀉質(zhì)泥沙（d＜0.01 mm部分）不參與造床運(yùn)動(dòng)。因此，渾水試驗(yàn)中，只保證渾水中所加泥沙與床沙粒徑接近部分按比例加入，而沖瀉質(zhì)泥沙部分只要數(shù)量滿足即可。

挾沙能力比尺λs隨模型沙比重、特性及含沙量的大小而不同，一般應(yīng)通過室內(nèi)試驗(yàn)來標(biāo)定。本試驗(yàn)參考南京水利科學(xué)研究院對(duì)于電木粉所作的含沙量比尺（電木粉比重1.4，特性與煤粉接近）和黃委會(huì)水利科學(xué)研究所做的試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合水槽試驗(yàn)資料λs=1.0～2.5，取λs=2。

3.5 沖淤過程相似

沖淤過程相似即保證沖淤時(shí)間相似，沖淤時(shí)間比尺直接影響到模型中放水時(shí)間的長短，也就直接影響到?jīng)_淤的深度，而沖淤時(shí)間比尺直接與淤積物容重、挾沙力比尺等有關(guān)。不容易確定，按照沖淤平衡方程推得其河床沖淤過程的時(shí)間比尺

4 試驗(yàn)結(jié)果及體會(huì)

試驗(yàn)結(jié)果表明上述設(shè)計(jì)是可行的，模型中的水流平順、穩(wěn)定，河床沖淤基本平衡，該工程整治后，不但不會(huì)影響河道過流能力，反而會(huì)使其過流能力增大。通過試驗(yàn)可以看出河道進(jìn)出口體型設(shè)計(jì)合理,泄洪時(shí)水流均比較平順,沒有出現(xiàn)回流和折沖現(xiàn)象,也無嚴(yán)重的水流集中和波動(dòng)。從沖淤地形看，在橡膠壩及中隔墻上、下游的頭部沖刷比較嚴(yán)重，應(yīng)采取必要的防護(hù)措施。在設(shè)計(jì)流量1 500 m3/s過后，泄洪槽最大淤積部位在樁號(hào)0-011處，淤積厚度為0.88 m，最大沖刷部位在樁號(hào)0+100處，沖刷深度為1.14 m；蓄水區(qū)最大淤積部位在樁號(hào)5+270處，淤積厚度為1.68 m，最大沖刷部位在樁號(hào)2+475處，沖刷深度為0.93 m。

通過此次模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)可以得出：選精煤粉作模型沙解決了細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)的相似問題，是比較經(jīng)濟(jì)合適的。只要在試驗(yàn)過程中較好地控制循環(huán)系統(tǒng)中懸沙級(jí)配，就可以復(fù)演懸沙和床沙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到?jīng)_淤部位、沖淤數(shù)量和淤沙粒徑的基本相似。

對(duì)動(dòng)床河道模型采用小的縱向變態(tài)是可行的，對(duì)河道沖淤變化規(guī)律影響不大，成果能滿足要求。

對(duì)于河道動(dòng)床模型造床質(zhì)應(yīng)按級(jí)配選沙，而沖瀉質(zhì)則只考慮數(shù)量滿足即可。

［1］屈孟浩.黃河動(dòng)床模型試驗(yàn)相似原理及設(shè)計(jì)方法［G］//黃河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究所.科學(xué)研究論文集.鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，1990.211-213