郭 麗

(撫順市水利勘測設計研究院，遼寧 撫順 113008)

水作為人類賴以生存的重要物質(zhì)，為人類生存發(fā)展做出重大貢獻。河流作為人類文明的發(fā)源地，有著其本身固定的客觀規(guī)律，如何能夠利用這些客觀規(guī)律，對河流進行改造，使其能夠更好的為人類的生產(chǎn)生活服務變得尤為重要[1- 2]。在水利工程進入實際建造之前，往往需要河工物理模型提前進行驗證，以此來發(fā)現(xiàn)工程設計中可能存在的潛在問題。這樣就可以優(yōu)化工程的設計方案，節(jié)約工程的成本[3]。很多水利工程由于設計不合理造成水閘前泥沙的嚴重淤積，使得水利工程不能正常運轉(zhuǎn)甚至報廢，造成了嚴重的經(jīng)濟損失[4]。河道斷面的寬度往往會對河流泥沙的淤積產(chǎn)生影響，河道過寬往往會使泥沙淤積量增大，河道過窄又會造成河床的沖刷；因此，在無壩引水工程中，研究斷面加寬對閘前淤泥的影響變得尤為重要[5]。本文以撫順市的大伙房水庫為研究對象，分別從斷面加寬后典型點流速的變化、多點流速的變化、閘前斷面水位流速的變化、以及輸沙能力的影響4個方面來分析探討了淤積現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，希望能夠?qū)Υ蠡锓克畮旃こ淘O計的優(yōu)化能有所借鑒。

1 河工模型設計

1.1 相似條件

為了使原型河道和模型河道在動力相似的情況下其它作用力也具有相似的比例關(guān)系，在模型設計的時候還應考察一些具體的相似條件。用λ來表示原型與模型的比值，即比尺。

慣性重力比相似[6]：

(1)

式中，λv—流速比尺，λh—垂直比尺。該相似條件適用于作用力主要為慣性力的情況。

阻力重力比相似：

(2)

式中，λl—水平比尺；λn—糙率比尺。本相似條件適用于阻力占主要作用的情況，如果阻力沒有太大影響，可以與該模型存在適當偏差。

輸沙平衡相似條件需要考慮兩種，分別是懸移質(zhì)泥沙和推移質(zhì)泥沙。

懸移質(zhì)泥沙[7]：

(3)

式中，λo—浮質(zhì)泥沙比尺；λQ—流量比尺；λS—含沙量比尺；λγ—容重比尺。

推移質(zhì)泥沙：

(4)

式中，λg—輸沙率比尺；λG—推移質(zhì)泥沙比尺。

1.2 模型設計數(shù)據(jù)

為了滿足水流運動的相似條件，模型和原型河道有固定的比例尺寸，試驗比尺是1∶25，河道模型設計按照正態(tài)模型，重力相似標準進行設計，本次模型試驗重點研究大伙房水庫的渠首工程[8- 9]。渠首起始設計為60cm長、坡度為1∶4的底坡段，后接17cm的漸變段，渠道寬度由45cm漸變?yōu)?5cm，擋墻的高度由27cm逐漸變?yōu)?5cm。設計根據(jù)重力相似的原理，相似情況見下表1。

表1 各種模型的比例關(guān)系

2 評價結(jié)果分析

2.1 20斷面加寬前后典型點流速的變化

以進水閘前每隔30cm作為一個斷面，在進行模型試驗的時候，對河道進水閘前河道過流斷面進行了展寬，在相同的來水流量下，水流的流速降低，挾沙力下降，使泥沙更容易沉降。在水閘前是寬淺河段的情況下，泥沙更容易發(fā)生累積性淤積。關(guān)閘時由于重力和水壓的作用，使得發(fā)生沉淀淤積下部的淤泥密度增加，難以被水流沖走，使沖沙難度增加(如圖1)。

從圖1可以看出隨著時間的改變，流量級和水流流速呈現(xiàn)拋物線的形式改變。斷面加寬后水流流速小于斷面加寬前流速，由于一些試驗設備、人工方面的誤差，造成極個別點的不一致，并未影響試驗結(jié)論。水流流速的均值線由2條直線表示，均值線跟水流流速線共同說明在整個洪峰開始時，第1級流量下偏離均值線比較大并且水流流速較小，即開始的時候，水流流速較小，水流流速會隨流量級的增大而增大，水流流速在第4流量級的時候達到最大。并且水流流速線和均值線的偏離最大。洪峰過去以后當流量的減少時水流流速隨之減少，這間接反映了隨著流量的增大，閘前斷面有淤泥的出現(xiàn)，使得水流流速變小，水流流速減少從而引起水流挾沙能力減少，使泥沙能夠更快的沉降，因此閘前斷面拓寬的處理減小了水流的流速。

實驗分別研究了幾個不同洪水(30年一遇、60年一遇、120年一遇、180年一遇)流量下單點流速的變化情況，實驗結(jié)果和分析如圖2、3所示。

圖1 不同洪水流量下斷面加寬前后水流的變化

圖2 不同洪水流量下斷面加寬前后中間點流速的對比

從圖2可知，在30年一遇洪水和60年一遇洪水的來水流量下，水流流速和來水流量的變化趨勢不同，并未和流量的變化呈正相關(guān)的關(guān)系，在洪水流量增大的過程中，流速出現(xiàn)了減小的情況，這反映了當進水閘前流量增加的時候，閘前淤泥也隨之增多。

圖3 不同洪水流量下斷面加寬前后中間點流速的對比

由圖3可以得出，在120年一遇和180年一遇洪水的來水總量下，進水閘前斷面的加寬會對水流流速產(chǎn)生影響，斷面的加寬會使水流流速降低，從圖中可以看出修改后的斷面水流流速遠遠小于修改前水流流速，這是由于閘前流量增大同時泥沙淤積量隨之增大，引起水流流速的下降。

2.2 20斷面加寬前后多點流速的變化

在120年洪水和180年洪水過程中，以進水閘前河道20斷面為研究對象，從河岸左側(cè)間隔20cm依次向河岸右側(cè)取點，共計7個點進行數(shù)據(jù)測量，結(jié)果分析如圖4所示。

圖4 不同洪水流量下閘前20斷面多點水流速變化

從圖4可以看出，斷面上7個點的流速呈現(xiàn)開口方向向上的拋物線，從左到右流速均是先減小后增大，根據(jù)流速和泥沙淤積量的關(guān)系，斷面的中間位置泥沙的淤積量達到最大，拋物線的形狀是開口向下形式；同時，在120年一遇洪水中，流量與流速成正比例的關(guān)系，然而在180年一遇洪水中，并沒有類似的結(jié)論。這表明流量增大的時候，各個流量級之間的速度并沒有明顯的差距。在洪水剛開始的時候，渠道分水大于河道分水，在大量引水的過程中引進了大量泥沙，隨著流量的增加以及閘前淤泥的增加，渠道分水量減小，因此在較大流量下，流速隨流量級變化不一致。

2.3 閘前斷面水位流速的變化

試驗在小流量Q=0.145L/s的條件下進行，流速和水位的測量位置選擇水閘前的19斷面、20斷面、21斷面進行，依次從左至右在每個斷面上間隔20cm取9個點測量流速和水深的數(shù)值，測量結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出水位和流速具有相同的變化趨勢，且兩者的變化趨勢呈現(xiàn)拋物線的形狀，水深隨著起點距的增大先減小后增大，這說明淤泥厚度呈現(xiàn)一種先增大后減小的梭形。

從圖6、7可以看出在2個小流量q1=0.045L/s、q2=0.050L/s的條件下，19斷面、20斷面和21斷面的水深呈現(xiàn)類似的規(guī)律，即水位值兩邊大，中間小，進一步說明了泥沙中間厚，兩邊薄，呈梭形形狀。此外，19斷面、20斷面和21斷面水位值依次遞增，說明隨著越來越靠近進水閘，泥沙淤積量越來越大。

圖6 相同小流量q1下不同斷面的水深變化

圖7 相同流量q2下不同斷面的水深變化

2.4 輸沙能力的影響

河道的輸沙能力可以通過單位時間內(nèi)通過某斷面的泥沙的含量來表示，在一定的水流與泥沙條件下，輸沙率的大小會影響河床的穩(wěn)定以及泥沙的淤積，輸沙率的增大會造成河床的沖刷，輸沙率的減小會造成泥沙的淤積[10]。河道的輸沙能力與河流流速緊密相關(guān)，流速越大，輸沙率越大。泥沙輸沙率的計算公式可以體現(xiàn)出輸沙率與流速對應關(guān)系。天然河道中泥沙大小并非均勻的，但當泥沙的顆粒級配范圍極窄的情況下可作為均勻泥沙進行處理。次模型中推移質(zhì)視為均勻推移質(zhì)進行處理，根據(jù)流速這個參變量制定推移質(zhì)輸沙率公式：

Gb=0.95d1/2(U-U′C)(U-U′C)3(d/h)1/4

(4)

式中，Gb—推移質(zhì)輸沙率；U—水流流速，m/s；d—泥沙代表粒徑；h—水深，m；U′C—止動流速，m/s。

U′C=UC/1.2=3.83d1/3h1/6

(5)

綜上可得：

Gb=0.169U4-0.0648(dh)1/24

(6)

推移質(zhì)輸沙率會隨著流速的增大而增大。因此，工程實踐上可以通過改變流速來影響輸沙率，本工程研究了斷面展寬對輸沙率的影響。在來水總量不變的情況下斷面展寬會造成流速降低，同時洪峰過程中的淤泥也進一步造成流速的減小，即通過閘前斷面泥沙大量減少，泥沙將大量淤積在進水閘前。利用流速儀分別對閘前0.8m和1.6m處流速進行了多次測量，結(jié)果見表2。

表2 閘前斷面流速統(tǒng)計表

從表2中可以看出流速隨著流量的增加而增加，但從閘前1.6m到閘前，隨著泥沙淤積量的增加，流速逐漸變小，洪峰過去后，閘前流速降到最低。此外關(guān)閉閘門也會引起水流流速迅速下降，泥沙淤積量驟增。

3 結(jié)語

以撫順市的大伙房水庫為研究對象，本文分別從斷面加寬后，典型點流速的變化、多點流速的變化、閘前斷面水位流速的變化以及輸沙能力的影響4個方面來分析探討了淤積現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明：進水閘前斷面的加寬會對水流流速產(chǎn)生影響，斷面的加寬會使水流流速降低，在相同條件下水流流速減小，使得水流的輸沙率降低，輸沙能力變?nèi)?，造成泥沙在水閘前的淤積量增加；通過測量斷面上多點的流速情況，從左到右流速均是先減小后增大，這說明該斷面上泥沙的淤積量從左到右先由小到大，然后開始逐漸減小，中間位置淤積量達到最大；閘前淤泥呈現(xiàn)一種梭形的結(jié)構(gòu)，并且越靠近閘前，泥沙的淤積量越大；從閘前1.6m到閘前，隨著泥沙淤積量的增加，流速逐漸變小，洪峰過去后，閘前流速降到最低。

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