胡海華，吉祖穩(wěn)，董占地，王黨偉

（中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048）

1 概 述

1.1 工程概況

北引渠首位于訥河縣拉哈鎮(zhèn)西北約6km嫩江干流上，渠首控制流域面積為96 211km2；嫩江干流尼爾基水庫控制面積為66 382km2，占渠首總控制面積的69%。北引渠首工程自1976年建成以來，對下游的工農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)、社會效益。近年來隨著下游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展及城鎮(zhèn)居民生活用水的增多，原渠首 （無壩引水）的引水規(guī)模已日益不足，急需擴(kuò)大。另一方面，上游尼爾基水庫已經(jīng)建成，即將投入運用，這為保證北引渠首安全、擴(kuò)大引水提供了有利條件。然而由于北引渠首位于嫩江中游，該段江道平坦多汊、縱比降緩、灘槽差小，雖經(jīng)多年整治，目前大的河勢已被控制，但局部的沖淤仍有發(fā)生。特別是在尼爾基水庫投入運用及渠首建閘壅水后，其來水來沙及閘前水流條件，都發(fā)生了較大變化。為了確保工程設(shè)計的科學(xué)合理和擴(kuò)建工程的安全運行，需對北引渠首擴(kuò)建工程引水防沙問題進(jìn)行模型試驗研究。

1.2 嫩江河道水沙的基本特點

嫩江發(fā)源于大興安嶺伊勒呼里山南坡，河道全長1 370 km，流域面積29.70×104km2。該流域?qū)儆谥袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，中下游多年平均降水量400～460mm，降水量年際變化較大，年內(nèi)降水分布不均勻。降水主要集中在7—9月，占年降水量的70.0%左右。暴雨多發(fā)生在7、8兩個月，約占全年的83.7%，其中，7月份發(fā)生暴雨場次最多，占60.0%。暴雨是形成嫩江流域洪水的主要因素，嫩江流域的洪水與暴雨特性一致，嫩江流域的洪水多由幾次暴雨產(chǎn)生［1］。

嫩江為少沙河流，泥沙觀測資料較少。據(jù)統(tǒng)計，阿彥淺站多年平均懸移質(zhì)輸沙率為13.54kg／s，多年平均懸移質(zhì)輸沙量為42.7×104t，多年平均懸移質(zhì)含沙量為0.041kg／m3，實測最大懸移質(zhì)含沙量為0.323kg／m3。嫩江流域沒有推移質(zhì)觀測資料，按懸推比為10%計算推移質(zhì)輸沙量為4.27×104t，阿彥淺站多年平均總輸沙量為47×104t，按面積推求北引渠首多年平均總輸沙量為69×104t［2］。

2 模型設(shè)計與驗證

2.1 模型設(shè)計

本次模型試驗主要是研究嫩江干流修建泄洪閘之后河道的沖淤演變及引水渠道的取水防沙等情況，由于嫩江的水量較大、含沙量較小，河道演變主要以推移質(zhì)為主。因此，在模型設(shè)計時，除了考慮水流運動相似以外，主要必須保證推移質(zhì)的運動相似，兼顧考慮懸沙的運動相似。為了正確模擬樞紐附近的流態(tài)及工程的合理布置，因此原型范圍不宜過大，以確保采用比較小的模型平面比尺。在綜合考慮模型試驗要求、試驗技術(shù)條件、泥沙粒徑及試驗?zāi)M范圍等因素的基礎(chǔ)上，本次局部模型試驗采用正態(tài)模型，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，模型幾何比尺采用80，模型沙采用天然沙。由于該河道沒有實測的推移質(zhì)資料，采用沙莫夫公式等經(jīng)驗公式進(jìn)行不同流量級下推移質(zhì)輸沙率和推移質(zhì)級配估算，結(jié)果見圖1。

圖1 不同流量級下的推移質(zhì)級配圖

2.2 模型驗證

本次模型試驗所模擬的河段較短，驗證資料相對較為缺乏，但為了確保試驗結(jié)果的可靠性和應(yīng)有的精度，在收集已有實測資料及其理論分析的基礎(chǔ)上，本次模型試驗主要進(jìn)行了水位、河段沖淤及引水渠現(xiàn)狀引水量等幾個方面的驗證。

對于水位驗證而言，除小水流量的局部點之外，其他條件下的原型與模型水位吻合較好，表明模型的糙率及阻力是相似的，從而滿足了模型試驗的精度要求；隨著河道流量的增加，原型與模型的水位誤差呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，這主要是由于小流量時河道形態(tài)阻力的影響相對較大造成的。對于河段沖淤驗證而言，原型與模型的沿程沖淤趨勢是一致的，沖淤部位基本吻合，床面沖淤的橫向分布在趨勢上也是基本一致的，表明模型在沖淤部位及沖淤幅度上是基本相似的。對于渠道引水量的率定而言，在大江流量為126.00～445.00m3／s時，天然實際引水量基本在8.02～40.00m3／s，模型測量的引水量基本在8.70～40.53m3／s，二者的絕對誤差基本在0.70m3／s以下，相對誤差除了最小一級偏大外，其他流量級都在3%以下。因此，模型測量值與天然測量值是基本接近的，表明模型制作精度滿足試驗要求。

3 引水樞紐修建前后江道的演變分析

3.1 引水樞紐修建前后江道水位的變化

通過對引水樞紐建閘前、修建8孔泄洪閘、修建11孔泄洪閘、修建12孔泄洪閘等4種條件下不同流量級500、1 500、2 500m3／s下河道水位變化進(jìn)行試驗觀測。結(jié)果表明，在流量較小時，由于泄洪閘的蓄水運用，小流量級的水位壅高幅度較大，基本在100cm左右；但在來流量較大時，由于河道正常來流量的水位已超過控制運用水位，泄洪閘敞開運用，此時相應(yīng)流量級下的水位壅高幅度較小，基本在20cm以下。此外，8孔泄洪閘、11孔泄洪閘與12孔泄洪閘等3種布置方案的水位壅高幅度基本接近，11孔和12孔泄洪閘的壅水幅度略小于8孔泄洪閘。

3.2 引水樞紐修建前后江道的河勢變化

本次試驗主要觀測了500，1 500，2 500m3／s三級流量下的河勢變化情況。當(dāng)流量為500m3／s時，主流坐彎比較明顯；而1 500，2 500m3／s兩級流量的主流線坐彎程度有所減小，但人工丁壩對主流的控制作用明顯大于河道的自然變化。通過三級流量建閘前后主流線運行軌跡的比較可以看出，500，1 500，2 500m3／s流量級下建閘前后的河勢變化并不明顯。因此，修建引水樞紐之后，無論采用8孔或11孔壩閘結(jié)合方案，還是12孔全閘方案，3種布置方案基本沒有改變原河道的水流運行趨勢。

3.3 引水樞紐修建前后水流流速的變化

引水樞紐修建前后500，1 500，2 500m3／s三級流量下垂線平均流速的試驗結(jié)果分析表明，不同流量級、不同斷面的垂線最大流速所在位置與河道斷面的最低點是基本對應(yīng)的，流速分布的基本規(guī)律與水深變化基本一致，水深越大，垂線平均流速一般也越大。由此可見，在引水樞紐修建前后，當(dāng)大江來流量比較小時，由于泄洪閘的控制運用，將導(dǎo)致壅水河段的水流流速急劇減小，對于500m3／s來流量而言，流速減小幅度高達(dá)50%左右；當(dāng)大江來流量比較大時，由于泄洪閘敞開運用，此時取水樞紐對河道水流速的影響較小，水流流速的變化規(guī)律與水位的變化是相互對應(yīng)的。

3.4 引水樞紐修建前后江道的河床沖淤變化

為了增加可比性，本次沖淤試驗方案的進(jìn)口水沙、出口水位及初始地形等條件完全相同。引水樞紐修建前后的河道沖淤沿程變化見圖2。從總體變化趨勢來看，試驗進(jìn)口至魚嘴江段的河床沖刷量沿程呈逐漸增大的趨勢，而從魚嘴至試驗出口江段的河床沖刷量沿程呈逐漸減小的趨勢，整個試驗江段的沿程沖淤變化基本呈 “V”字型。修建取水樞紐雖然沒有改變江道沖淤變化的總體趨勢，但對江道的沖淤變化還是有所影響的。由此可以看出，在取水樞紐修建之后，試驗江段的床面沖刷能力有減小的趨勢，即修建前淤積江段的床面淤積會有所增加，修建前沖刷江段的床面沖刷程度會有所減弱，但從減小幅度來看是比較小的。因此，可以認(rèn)為取水樞紐修建之后對試驗江段的沖淤變化影響不大。

圖2 引水樞紐修建前后的河道沖淤沿程變化圖

4 引水樞紐布置及泄洪閘不同布置方式的比較

根據(jù)該引水樞紐工程的初步設(shè)計方案要求，本次試驗的取水樞紐布置將采用壩閘結(jié)合及全閘2種布置形式。在試驗組合方案中，主要包括8孔泄洪閘＋溢流堰 （以下簡稱8孔＋堰）、11孔泄洪閘＋溢流壩 （以下簡稱11孔壩閘）和12孔泄洪閘 （以下簡稱12孔全閘）等3種布置型式，3種設(shè)計方案在布置位置上基本相同，且泄洪閘閘孔尺寸與底板高程均相同。

4.1 3種布置方式的水流特性比較

對于3種不同布置方案下水位變化而言，8孔或11孔壩閘結(jié)合方案和12孔全閘方案的壅水幅度基本相同，11孔壩閘和12孔全閘方案略小于8孔壩閘結(jié)合方案。對于不同布置方案下河勢變化而言，3種布置型式的主流線基本相同，只是在取水樞紐附近河段，11孔壩閘或12孔全閘的主流線較8孔＋堰的主流線位置偏向右岸一點，但這種偏離幅度比較小，相對整個試驗河段而言可以忽略不計。對于不同布置方案下流速變化而言，3種布置方式對水流流速的影響主要集中在泄洪閘附近，在此區(qū)域內(nèi)，11孔壩閘和12孔全閘2種方案的最大流速位置幾乎相同，但2種方案的最大流速位置較8孔＋堰偏向右岸一側(cè)，而3種布置方案的最大流速數(shù)值卻基本接近。因此，可以認(rèn)為3種布置方式對流速分布有所影響，但對流速大小的影響不大。

4.2 3種布置方式對江道沖淤變化的影響

從前述分析可知，取水樞紐修建之后，試驗江段的沖淤演變趨勢沒有改變，但變化幅度有所減小，而且8孔＋堰、11孔壩閘和12孔全閘3種布置方式的影響程度有所不同。試驗結(jié)果分析表明，11孔壩閘及12孔全閘的沖淤變化幅度略大于8孔＋堰的沖淤幅度，而且這種變化特征在流量較大時更為明顯，但是，11孔壩閘和12孔全閘的沖淤變化幅度基本接近，二者之間沒有明顯的差別。

4.3 不同泄洪閘布置方式的比較

通過對比泄洪閘修建前江道的主流河勢、水流流速及主槽沖淤等指標(biāo)的變化情況，可以看出全閘方案或閘壩方案對江道現(xiàn)狀的影響要略小于8孔＋堰方案，而且從泄洪排沙的角度看，全閘方案或閘壩方案要優(yōu)于8孔＋堰方案，因此，建議采用全閘方案或閘壩方案。對于最終采用11孔壩閘方案還是12孔全閘方案，由于二者的差別比較小，從模型試驗結(jié)果看，2種方案均可使用，但在綜合考慮水工設(shè)計技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益等多方面因素的情況下，建議本次設(shè)計采用11孔壩閘方案。

5 泄洪閘閘下極限沖刷能力及其消能防護(hù)措施

5.1 泄洪閘閘下的極限沖刷能力

在天然河道中修建擋河閘之后，由于水流邊界條件的改變，閘下游河道的河床將產(chǎn)生沖刷而床沙組成變粗，對于卵石夾沙河床而言，河床中的較細(xì)顆粒將被水流帶走，或以沙浪形式向下游推移，較粗顆粒逐漸聚集，最終形成一層水流沖不動的抗沖粗化層。為了確保引水樞紐的安全運行，本次研究在對最不利工況進(jìn)行模型極限沖刷試驗的基礎(chǔ)上，采用中國水科院韓其為院士的有關(guān)床面粗化理論［3］，對相應(yīng)工況下引水樞紐泄洪閘下游的床面極限沖深進(jìn)行計算，并將計算結(jié)果和試驗結(jié)果進(jìn)行對比和分析 （見表1）。由表1可見，計算結(jié)果略大于試驗結(jié)果，但二者基本接近。此外，從試驗結(jié)果也可以看出，極限沖刷坑的最大影響距離能夠到達(dá)閘下游120m左右。

表1 不同工況下泄洪閘閘下的極限沖刷深度表

5.2 泄洪閘閘下的消能防護(hù)措施

從極限沖深的模型試驗和理論分析結(jié)果來看，泄洪閘的極限沖深可達(dá)15m左右、沖刷坑的影響范圍可達(dá)120m，因此，泄洪閘下游必須建有水力消能設(shè)施。在取水樞紐的可行性研究報告中，泄洪閘閘后采用消力池進(jìn)行消能，消力池的設(shè)計長度為20m、深度為2m，海漫設(shè)計長度為40 m，為了檢驗設(shè)計消力池的消能效果，本次試驗在分析泄洪閘各種運行工況之后，認(rèn)為當(dāng)泄洪閘前水位為176.2m、下游泄量為生態(tài)需水量時，泄洪閘閘門突然開啟泄洪所產(chǎn)生的運行工況是最不利的。試驗結(jié)果表明，在上述最不利工況下，泄洪閘消力池的設(shè)計尺寸偏小，現(xiàn)有消力池的設(shè)計尺寸可以滿足單孔泄量約為35m3／s的消能要求。因此，建議適當(dāng)增加泄洪閘消力池和海漫的設(shè)計尺寸；如果保持現(xiàn)有消力池尺寸不變，建議在泄洪閘枯水季節(jié)運行時，如果泄量較大，應(yīng)該采用開啟多孔運行的方式，開啟初期的單孔泄量以不超過35m3／s為宜，隨著泄洪閘下游水位的升高，單孔泄量可以逐步增大。

6 取水樞紐修建后引水渠道的引水能力及防沙措施分析

6.1 引水渠引水能力分析

引水閘擴(kuò)建之后，引水能力能否滿足設(shè)計要求是本次試驗研究的一個重點。根據(jù)設(shè)計要求，擴(kuò)建后的引水閘在閘上水位176.2m、閘下水位176.0m的情況下，引水閘的引水能力應(yīng)該達(dá)到145m3／s的要求。試驗結(jié)果引水閘設(shè)計方案的流量系數(shù)見表2，由表2可見，在此工況組合下模型試驗的引水流量約為149m3／s，因此，擴(kuò)建后的引水閘基本能夠滿足設(shè)計要求；但考慮到本次閘孔出流為高淹沒度出流，試驗結(jié)果的精度有所降低，建議在設(shè)計中能夠有所考慮。

表2 引水閘設(shè)計方案的流量系數(shù)表

6.2 引水渠的防沙措施及其效果分析

從取水樞紐的現(xiàn)有布置來看，影響引水渠泥沙進(jìn)入的主要因素是引水渠渠底與床面高程的高差和引水量，在引水量和引水渠渠底高程確定之后，魚嘴附近床面高程的高低將對進(jìn)入引水渠的粗沙量起著決定性作用。從以往的分析及本次試驗結(jié)果來看，在引水樞紐修建之后，魚嘴附近河段一般不會產(chǎn)生累積性淤積，從而有利于減少引水渠粗顆粒泥沙的進(jìn)入，但為了研究最不利情況下，引水渠道的進(jìn)沙情況，本次試驗研究在假定魚嘴附近床面高程均為172 m的情況下，對進(jìn)口流量為1 500m3／s和2 500m3／s兩種工況進(jìn)行了泄洪閘的拉沙和引水渠的進(jìn)沙試驗，試驗時考慮了現(xiàn)有固床存在和不存在2種情況。不同工況下江道最大沖刷深度的沿程分布見圖3，在床面高程為172m的情況下，泄洪閘的拉沙效果還是比較明顯的；對于現(xiàn)有固床存在和不存在2種情況下，現(xiàn)有固床不存在時典型斷面最大沖刷深度普遍大于現(xiàn)有固床存在條件下情形。可見，現(xiàn)有固床對泄洪閘的攔沙效果產(chǎn)生了一定的影響。此外，從不同工況的試驗結(jié)果來看，引水渠道的進(jìn)沙量約占江道來沙量的1%～3%。

圖3 不同工況下江道最大沖刷深度的沿程分布圖

7 結(jié) 語

（1）取水樞紐的修建對現(xiàn)有嫩江河道水沙特性與河床演變不會產(chǎn)生較大的影響；取水樞紐泄洪閘的布置是基本合理的，對江道水流特性及床面沖淤變化的影響較??；對于3種布置方案而言，11孔壩閘和12孔全閘方案對江道的影響要略小于8孔＋堰的設(shè)計方案，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)和設(shè)計技術(shù)的情況下，建議本次設(shè)計采用11孔壩閘布置方案。

（2）在泄洪閘閘前水位為176.2m、下游泄量為生態(tài)需水量的情況下，泄洪閘消力池的設(shè)計尺寸偏小，現(xiàn)有設(shè)計尺寸只能滿足單孔泄量約為35m3／s的消能要求，因此，建議適當(dāng)增加泄洪閘消力池和海漫的設(shè)計尺寸；如果保持現(xiàn)有消力池尺寸不變，建議采用開啟多孔運行的方式，開啟初期的單孔泄量以不超過35m3／s為宜。

（3）在模型試驗的水沙條件下，取水樞紐魚嘴附近江段的床面仍以沖刷為主，沒有形成累積性的泥沙淤積，但引水渠內(nèi)會產(chǎn)生泥沙淤積，渠道進(jìn)沙量約為大江來沙量的1%～3%。在防沙措施上，泄洪閘開啟位置的變化對減少引水渠進(jìn)沙量影響不大，但在江道床面產(chǎn)生累積性淤積的情況下，采用泄洪閘拉沙可以降低魚嘴附近的床面高程，從而有利于減少粗顆粒泥沙進(jìn)入引水渠道。

（4）在引水閘擴(kuò)建為3孔、每孔寬度為7m的情況下，對于閘上水位176.2m、閘下水位176.0m的運行工況而言，引水閘的引水量可以達(dá)到149m3／s，基本可以滿足引水量為145m3／s的設(shè)計要求。

［1］尼爾基水利樞紐配套項目黑龍江省引嫩擴(kuò)建骨干工程規(guī)劃報告書 ［R］.哈爾濱：黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，2004.

［2］曹文洪，姜乃森，陳東，等.嫩江北引渠首江道整治工程動床河工模型試驗研究 ［R］.北京：中國水利水電科學(xué)研究院科研報告，1998.

［3］韓其為，向熙瓏，王玉成.床沙粗化 ［C］／／第二次河流泥沙國際學(xué)術(shù)討論會組織委員會.第二次河流泥沙國際學(xué)術(shù)討論會論文集，北京：水利水電出版社，1983.

［4］中國水利學(xué)會泥沙專業(yè)委員會.泥沙手冊 ［M］.北京：中國建筑出版社，1992.