(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

泥沙淤積問題是影響河道取水口布置及使用年限的核心問題[1]，不僅會(huì)直接影響到取水口的使用壽命和取水安全，還影響其工程發(fā)揮效益的能力[2-3]。而河道取水口處縱向底流槽的布置是解決泥沙淤積的關(guān)鍵因素之一。一般情況下，通過優(yōu)化底流槽的布置方案，加大水流挾沙力并改善泥沙沉降問題，能夠有效緩解泥沙的淤積[4]。本文采用模型試驗(yàn)的方法，在桃江電站下游河段河道收窄、水深較淺處開展取水口模型試驗(yàn)，并在取水口口門前設(shè)置不同方案的縱向底流槽，進(jìn)行綜合對(duì)比分析，確定取水口處縱向底流槽的最佳設(shè)計(jì)方案，在理論與生產(chǎn)實(shí)踐上都具有重要意義。

1 模型概況

該模型設(shè)置的桃江取水口位于桃江電站壩址下游27km處，取水河段來水量受該電站控制，從上游至取水口處河道寬度逐漸收窄至175m，取水口到下游控制范圍內(nèi)河寬為200m左右(見圖1)。桃江電站建成后取水河段年來水量較以前有明顯減少且水深很淺，97%的設(shè)計(jì)枯水流量較小。取水工程實(shí)施后，取水口附近流場(chǎng)的變化將對(duì)泥沙淤積帶來影響，取水口位置的泥沙淤積、河演變化和水流條件的變化都有可能影響到取水口的正常取水。為保證取水口安全穩(wěn)定運(yùn)行，在取水口位置設(shè)置縱向底流槽并進(jìn)行不同方案對(duì)比分析，對(duì)取水口位置的泥沙淤積情況進(jìn)行研究。

圖1 縱向底流槽布置位置及測(cè)量斷面

2 物理模型試驗(yàn)

2.1 比尺設(shè)計(jì)及匯總

根據(jù)幾何比尺相似、水流運(yùn)動(dòng)相似、起動(dòng)相似、輸沙率相似及河床變形相似等相似定律確定模型各比尺,見表1。

表1 泥沙模型試驗(yàn)相似比尺匯總

2.2 試驗(yàn)工況

為研究取水口河段在各種流量下的河道沖淤情況，該模型方案試驗(yàn)分別選取5種定流量工況進(jìn)行試驗(yàn)研究，見表2。

表2 試驗(yàn)工況

2.3 縱向底流槽布置方案

縱向底流槽布置方案需由模型試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化確定。在取水口前布置縱向底流槽的主要目的是保證枯水期有足夠的取水水深以保證取水，同時(shí)需利于排沙以減少取水口前泥沙淤積，防止大量泥沙進(jìn)入取水口。底流槽的布置順應(yīng)局部河段的彎曲趨勢(shì)，取水口處于縱向底流槽彎頂處，并在縱向底流槽布置位置測(cè)量斷面。

2.3.1 方案一

取水口前端的縱向底流槽進(jìn)口端和出口端均以“簸箕”式開口與上下游河床的地形銜接在一起，其中，縱向底流槽挖深2.6～3.5m、寬度10.0～15.0m、長(zhǎng)度200.0m，具體縱向底流槽結(jié)構(gòu)見圖2(a)。

2.3.2 方案二

在方案一的基礎(chǔ)上，對(duì)縱向底流槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下調(diào)整：?增大縱向底流槽進(jìn)口端的過水?dāng)嗝婷娣e讓更多的水流入槽，在縱向底流槽進(jìn)口端的右側(cè)(沿水流方向)底部與河道右岸邊形成一個(gè)比降；?減小縱向底流槽出口端的過水?dāng)嗝婷娣e使槽內(nèi)流速增大易于沖沙，設(shè)計(jì)縱向底流槽底部的寬度比進(jìn)口斷面窄；?新結(jié)構(gòu)需要使取水口前端位于整個(gè)縱向底流槽的凹岸，目的是減少取水口前端的泥沙淤積；?從推移質(zhì)輸沙率角度考慮，河床斷面垂線平均流速越大，泥沙運(yùn)動(dòng)越快，因此需要將縱向底流槽出口端布置在斷面流速最大位置。調(diào)整后的縱向底流槽結(jié)構(gòu)見圖2(b)。

2.3.3 方案三

方案三在方案二的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整：?在縱向底流槽出口端的左側(cè)底部與原河床泥沙形成一個(gè)緩坡，使其位于河道主流范圍內(nèi)；?將取水口下游至縱向底流槽出口端范圍內(nèi)的縱向底流槽底部按照取水口前端的彎道趨勢(shì)向下游進(jìn)行平順。調(diào)整后的縱向底流槽結(jié)構(gòu)見圖2(c)。

圖2 縱向底流槽布置方案

2.4 模型選沙

合理選用模型沙是模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。模型主要針對(duì)卵石河床河段。根據(jù)現(xiàn)有推移質(zhì)模型試驗(yàn)分析及不同模型沙對(duì)模型試驗(yàn)造成的影響分析可知，對(duì)于卵石河床來說，如果粒徑允許，選擇天然沙可更好地模擬原型河道的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)[5-6]。因此，此次試驗(yàn)選用江西九江的天然沙作為模型試驗(yàn)用沙并進(jìn)行篩選配比，模擬出天然河道形態(tài)。圖3為篩選配比后的模型沙級(jí)配曲線和原型沙級(jí)配曲線，配比后的模型沙級(jí)配與原型沙級(jí)配基本一致，能夠滿足模型沙與原型沙相似的要求。

圖3 模型沙級(jí)配與原型沙級(jí)配比較

2.5 模型驗(yàn)證

2.5.1 水面線驗(yàn)證

水面線驗(yàn)證是保證水流流態(tài)相似和模型阻力相似的必要條件，這對(duì)于模擬取水河段沖淤變形相似是至關(guān)重要的。為滿足沿程水面線相似，需對(duì)整個(gè)模型試驗(yàn)河段的河道全部進(jìn)行微地形塑造，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水面線驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見表3。

表3 水面線驗(yàn)證成果

注取水口上游為負(fù)，下游為正。

2.5.2 試驗(yàn)河段河勢(shì)變化

模型中沙堆露出水面形態(tài)和大小與相應(yīng)流量下的原型觀測(cè)結(jié)果一致。水流流經(jīng)取水口上下游位置時(shí)，河槽主流偏向右岸，這與原型勘測(cè)時(shí)觀測(cè)的主流走向基本一致。綜上所述，可以進(jìn)行模型試驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 縱向底流槽內(nèi)泥沙平均淤積厚度變化

對(duì)于方案一，較小流量時(shí)，推移質(zhì)輸沙不明顯，縱向底流槽泥沙淤積很少。表4分別為1696.82m3/s、2690.00m3/s和3980.00m3/s3種試驗(yàn)工況下推移質(zhì)泥沙在縱向底流槽內(nèi)的沿程泥沙平均淤積厚度變化，具體呈現(xiàn)如下變化規(guī)律：縱向底流槽泥沙平均淤積厚度呈現(xiàn)“大—小—大”的變化趨勢(shì)，即縱向底流槽進(jìn)口端泥沙平均淤積厚度>縱向槽出口端泥沙平均淤積厚度>取水口前端泥沙平均淤積厚度；同一位置的泥沙淤積厚度隨流量增大而變大，縱向底流槽在較大洪水時(shí)存在泥沙淤積現(xiàn)象。

表4 縱向底流槽優(yōu)化前后的沿程泥沙淤積厚度

對(duì)方案二選取多年最大流量的水沙條件進(jìn)行試驗(yàn)，即進(jìn)口流量為3980.00m3/s。從表4中可以看出：方案二的進(jìn)口端泥沙淤積量較方案一明顯減小，但在出口端的淤積量仍較大。究其原因，一方面是縱向底流槽出口端左側(cè)底部與原河床的坡度太大(33°左右)，泥沙不易很快隨河道主流向下游輸移；另一方面，雖然出口端與河道主流交匯，但受方案二縱向底流槽進(jìn)口端過水?dāng)嗝嬖龃笥绊?，單位時(shí)間內(nèi)通過縱向底流槽的推移質(zhì)明顯大于方案一的推移質(zhì)來沙量，因此出口端位置的推移質(zhì)很快淤滿并與左側(cè)初始河床齊平后才能進(jìn)一步向下游輸移。取水口口門前(測(cè)點(diǎn)4)縱向底流槽的泥沙淤積較方案一明顯減少，泥沙淤積厚度為0.18m，比方案一少淤積0.32m，其主要原因是此處在縱向底流槽的彎道處，橫向環(huán)流的作用使口門前的泥沙不斷被水流輸移至縱向底流槽出口端。因此，方案二的縱向底流槽在取水口前端淤積的量明顯減小，但出口端的淤積較多，仍需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

通過對(duì)方案三進(jìn)行試驗(yàn)，選取多年平均峰值流量(1696.82m3/s)和多年最大流量(3980.00m3/s)的水沙條件進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比表4中數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：在1696.82m3/s流量下，自縱向底流槽進(jìn)口端至取水口前端的泥沙平均淤積厚度逐漸減小，而從取水口前端至縱向底流槽出口端的泥沙平均淤積厚度逐漸增大，相同位置斷面的淤積厚度較方案一明顯減?。辉?980.00m3/s流量下，方案二和方案三自縱向底流槽進(jìn)口端至取水口前端的泥沙淤積厚度逐漸減小，而從取水口前端至縱向底流槽出口端的泥沙淤積厚度逐漸增大，相同位置斷面的淤積厚度呈現(xiàn)方案一>方案二>方案三，取水口前端淤積最少的主要原因是此處在縱向底流槽的彎道處，橫向環(huán)流的作用使取水口口門前端的泥沙不斷被水流輸移至縱向底流槽出口端。

3.2 縱向底流槽內(nèi)泥沙級(jí)配變化

對(duì)于方案一，分析1696.82m3/s、2690.00m3/s和3980.00m3/s3種試驗(yàn)工況下縱向底流槽進(jìn)口端、取水口口門前端及縱向底流槽出口端的泥沙顆分變化(103.43m3/s試驗(yàn)工況下的推移質(zhì)泥沙在縱向底流槽內(nèi)沿程淤積較少，故沒有對(duì)其取樣進(jìn)行顆粒分析)，見圖4。具體呈現(xiàn)如下規(guī)律：不同流量下的推移質(zhì)泥沙中值粒徑規(guī)律相近，即縱向底流槽進(jìn)口端泥沙中值粒徑>縱向底流槽出口端泥沙中值粒徑>取水口口門前端泥沙中值粒徑；取水口口門前端的泥沙粒徑在1696.82m3/s、2690.00m3/s和3980.00m3/s流量下依次為4.5mm、6.0mm和8.0mm，這說明隨著流量增大，泥沙中值粒徑逐漸增大。

圖4 縱向底流槽沿程泥沙顆分變化情況

同樣的，在方案二和方案三布置條件下進(jìn)行縱向底流槽內(nèi)泥沙級(jí)配測(cè)量，分析3種來水條件下的泥沙級(jí)配變化，明顯看出縱向底流槽內(nèi)的泥沙中值粒徑大小依次為：縱向底流槽進(jìn)口端>縱向底流槽出口端>取水口口門前端。

3.3 取水口口門內(nèi)進(jìn)沙量及級(jí)配變化

不同流量下取水口門內(nèi)進(jìn)沙量見表5。對(duì)于方案一，在1696.82m3/s、2690.00m3/s和3980.00m3/s流量下進(jìn)入取水口口門內(nèi)的泥沙進(jìn)沙量分別為364.7kg、714.2kg和808.0kg，即流量越大進(jìn)沙量越大。將方案二、方案三與方案一進(jìn)行對(duì)比：在1696.82m3/s流量下，與方案一相比，方案三進(jìn)入取水口口門內(nèi)的泥沙進(jìn)沙量由364.7kg減小至123.1kg；在3980.00m3/s流量下，方案三取水口進(jìn)沙量為179.9kg，遠(yuǎn)小于方案一的808.0kg，與方案二基本一致。

表5 不同流量下取水口口門內(nèi)進(jìn)沙量

對(duì)1696.82m3/s、2690.00m3/s和3980.00m3/s3種試驗(yàn)工況下取水口口門內(nèi)泥沙級(jí)配變化進(jìn)行分析，見圖4，與縱向底流槽內(nèi)規(guī)律變化一致，均呈現(xiàn)出流量越大泥沙中值粒徑越大的變化規(guī)律。

由上述分析可知，在較大洪水流量作用下，縱向底流槽內(nèi)會(huì)發(fā)生一定的溯源泥沙淤積，若不對(duì)縱向底流槽進(jìn)、出口端的泥沙進(jìn)行清淤，整個(gè)縱向底流槽可能會(huì)淤滿從而影響取水安全，因此為了減少取水口口門前端的淤積和避免口門內(nèi)進(jìn)入大量泥沙，需要對(duì)其進(jìn)行清淤。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

通過構(gòu)建桃江取水口引水模型并進(jìn)行方案試驗(yàn)，探究取水口處布置不同方案形態(tài)的縱向底流槽對(duì)取水口泥沙淤積、進(jìn)沙量與泥沙級(jí)配的影響，主要得出以下結(jié)論：

a.進(jìn)入縱向底流槽內(nèi)的推移質(zhì)輸沙規(guī)律變化：受進(jìn)口端過水?dāng)嗝嬖龃笥绊?較方案一)及取水口前端所在彎道段的橫向環(huán)流作用，推移質(zhì)泥沙從進(jìn)口端不斷輸移至出口端，之后出口端受河道主流的作用進(jìn)一步使泥沙向下游推進(jìn)，這說明方案二及方案三的縱向底流槽結(jié)構(gòu)對(duì)推移質(zhì)泥沙向下游輸移是比較可行的。

b.推移質(zhì)泥沙淤積厚度：較方案一和方案二的結(jié)構(gòu)，方案三的縱向底流槽自進(jìn)口端至取水口口門前端的推移質(zhì)淤積厚度逐漸減小，而取水口口門前端至縱向底流槽出口端的推移質(zhì)淤積厚度逐漸增大，但相同斷面位置上，方案三的泥沙淤積厚度明顯小于方案一和方案二的泥沙淤積厚度，這說明方案三的縱向底流槽結(jié)構(gòu)能夠保證取水口前端的推移質(zhì)泥沙出現(xiàn)較少的淤積。

c.從取水口口門后的進(jìn)沙量角度分析，隨流量增大，尤其在洪水時(shí)，有一定數(shù)量的推移質(zhì)進(jìn)入取水口口門內(nèi)，但進(jìn)沙量占比非常小。進(jìn)沙粒徑隨流量增大逐漸變大，但推移質(zhì)量較少。

d.通過多組方案試驗(yàn)，根據(jù)推移質(zhì)輸沙變化規(guī)律，分析推移質(zhì)泥沙淤積厚度及進(jìn)沙量趨勢(shì)，推薦方案三縱向底流槽的結(jié)構(gòu)。

4.2 建議

通過對(duì)方案試驗(yàn)規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，結(jié)合桃江取水口處上游水沙情勢(shì)，為防止較大洪水作用后造成縱向底流槽內(nèi)泥沙淤積較厚而影響取水安全，建議采取以下措施：

a.發(fā)生較大流量洪水過程時(shí)，在縱向底流槽中會(huì)發(fā)生泥沙淤積，并且在中小水流量時(shí)也很難通過沖刷排沙，建議在大流量洪水發(fā)生泥沙淤積后進(jìn)行人工清淤，避免因累計(jì)淤積而影響取水安全。

b.試驗(yàn)表明不同方案的縱向底流槽形態(tài)對(duì)取水河段河道地形及水流流態(tài)影響較大，建議在設(shè)計(jì)和運(yùn)行中對(duì)河道挖沙影響予以考慮。

5 結(jié) 語

本文對(duì)桃江電站下游取水口處進(jìn)行模型試驗(yàn)，考慮因上游桃江電站建設(shè)造成水文情勢(shì)變化下的取水口布置問題，通過模擬不同時(shí)期的上游來水流量，對(duì)取水口處設(shè)置縱向底流槽并進(jìn)行方案比選優(yōu)化，有效緩解了取水口處泥沙淤積對(duì)取水口的影響，提高了取用水安全，對(duì)后期取水口的安全運(yùn)行與維護(hù)具有積極作用。