陳海鋒

（甘肅省疏勒河流域水資源局，甘肅 酒泉 735211）

環(huán)流易影響上部水體（具有含沙量小、級配較細特征）流動狀態(tài)，不利于其高效進入引水渠；同時，具有含沙量大、級配較粗的下部水體會大批量匯聚至引水渠內(nèi)，隨著時間延長，在渠道口門出現(xiàn)淤積，嚴重時甚至導致渠道無法正常引水。因此，泥沙淤積的防控工作必須要落實到位。

1 工程概況

在昌馬總干渠渠首樞紐工程中，渠首以上至昌馬水庫壩址處為昌馬峽與渠首上游段。昌馬峽為典型的“U”形河谷，河床底寬160～240 m，平均坡降8.9‰，受地形影響，水流流速較大，具有較顯著的挾沙能力。根據(jù)昌馬堡水文站數(shù)據(jù)，水流含沙量約3.66 kg/m3，易發(fā)生泥沙堆集現(xiàn)象。

昌馬水庫距總干渠渠首樞紐約14 km，河床質為沖洪積沙卵礫石。水流到達渠首樞紐后，經(jīng)過攔河大壩攔截，會表現(xiàn)出流速變緩和水深顯著增加趨勢，造成泥沙因無法獲得強有力的水流沖擊作用而發(fā)生沉積，并持續(xù)聚集在渠首樞紐處，導致該區(qū)域的泥沙沉積量日益增多。

2 排沙現(xiàn)狀概述

該地區(qū)每年6月下旬開始進入汛期。受降水量增加影響，水庫下泄量會明顯增多，在洪水大規(guī)模流動下，其攜帶泥沙量更豐富，大量堆積至渠首進水閘前。進水閘下側修筑有高度為2.0 m的攔沙坎，會在沙石堆積量超過最大攔截高度時，讓沙石涌入渠道內(nèi)。

在日常運營中，相關部門要定期排沙，以達到減少沙石入渠量的效果。在排沙作業(yè)期間，水閘需維持在停水狀態(tài)，否則與之相關聯(lián)的設施無法正常運行，進而造成較大的經(jīng)濟損失，如下游電站發(fā)電進程受阻、灌溉引水工程暫停等。

導向攔沙坎具有攔截沙石的作用，可將其攔截在沖沙閘和泄洪閘2類裝置的中間區(qū)域。最大攔截高度設定為3.0 m，正常引水水位為4.7 m，可有效降低進水閘引水流速，讓大顆粒的沙石在水流的帶動作用下到達攔沙坎，且不再繼續(xù)向前移動，通過開啟泄洪閘的方式將其排至下游河床。這樣僅有部分細小泥沙會引入進水閘，有效地避免了沙石匯集至渠首進水閘前。為做好上述工作，需圍繞引水渠道口門泥沙的淤積情況展開分析。

3 計算模型

引入一維非恒定流水沙數(shù)學模型，其所涵蓋方程類型及公式為水流連續(xù)方程、水流運動方程、水流挾沙力公式：

式中：x為流程（m）；Q為流量（m3/s）；R為水力半徑（m）；Z為水位（m）；B為河寬（m）；S為斷面平均含沙量（kg/m3）；S*為水流挾沙力（kg/m3）；A為過水斷面面積（m2）；t為時間（s）；n為糙率系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）；k，m為挾沙力系數(shù)和指數(shù)；u3為泥沙壓力（kN）。

4 關鍵參數(shù)的選擇

4.1 糙率系數(shù)

糙率系數(shù)是一項綜合參數(shù)，其表征的是河道邊界粗糙程度、含沙量等。其取值大小會直接對水力計算結果的可靠性產(chǎn)生顯著影響，且進一步影響到含沙量的計算結果。若取值不當，則會對后續(xù)的計算與分析帶來錯誤的引導。由于渠道以混凝土為施工材料制作成型，可重點考慮混凝土的糙率特性，具體取值有0.016、0.019、0.023，分別根據(jù)各系數(shù)取值展開計算。

4.2 非均勻沙水流挾沙力系數(shù)

綜合采用物理試驗與數(shù)值計算方法，取玻璃水槽試驗裝置展開試驗。經(jīng)測定與分析后確定挾沙力系數(shù)，根據(jù)泥沙粒徑比尺要求配制，得到模型用沙。經(jīng)過一系列試驗后，可確定具體取值，即挾沙力系數(shù)k取0.10、指數(shù)m取0.92。

4.3 泥沙恢復飽和系數(shù)

在懸移質不平衡輸沙條件下，可以利用恢復飽和系數(shù)反映含沙量向水流挾沙力靠近過程中所具有的恢復速度。該值取決于來水來沙條件、河床邊界等，具有復雜性。本次分析考慮2種條件，暫定淤積時α為0.25、沖刷時為1.0。

4.4 分沙模式

秦文凱等人對既有分沙模式作出改進并兼顧引水體等專業(yè)知識，提出分沙比計算公式：

式中：η為分流比；A0是與相對引水深有關的函數(shù)；C1為謝才系數(shù)；H為主河道水深（m）；b0為有效引水寬度（m）；θ為分流角（0）；E0=（E1+E2）/A0，E1、E2為相對水深（m）。

通過該模式所得結果可以較為精準地呈現(xiàn)出不同水沙特性下所產(chǎn)生的分沙比結果。

5 計算結果分析

渠道斷面呈梯形，進口渠底高程100 m，出口渠底高程95.85 m，渠道長980 m，底寬8 m，內(nèi)坡1∶1.5，渠底縱比降1/230?？紤]到存在輸水滲漏損失問題，為了最大限度降低損失量，全斷面襯砌混凝土，厚度為0.1 m。引水渠取水口口門的剖面結構，如圖1所示。

圖1 引水渠取水口口門剖面

考慮第5年、第10年、第15年及第20年4項條件，計算引水渠的泥沙淤積量，分別確定淤積沿程分布的具體情況，如圖2—3所示。

圖2 計算渠道的淤積沿程分布

圖3 計算渠道進水口處的淤積沿程分布

由圖2—3可知，在當前計算水沙條件下，隨著時間延長，渠道最大淤積厚度逐步增加，分別為第5年0.75 m、第10年1.19 m、第15年1.56 m、第20年1.74 m。從淤積發(fā)展速度來看，隨時間延長而逐步放緩。但相較于歷史階段而言淤積量依然增加，所產(chǎn)生的淤積體具有向下游推進趨勢，該結果與水沙運動規(guī)律具有高度的一致性。

此外，渠道淤積最厚的部分并非發(fā)生于口門最前端，而是與之具有特定距離。這表明淤積的發(fā)展并非僅停留在單向層面，而是具有復雜的沖淤相互交替特性。究其原因，這是來水條件中的大水年起到了主導作用。渠道在前期形成淤積體后，遇大水年時出現(xiàn)明顯沖刷。據(jù)此，要解決引水渠泥沙淤積問題，突破口在于創(chuàng)造合適的沖刷時機，并以合理的方式最大限度縮短淤積時段。

采取上述糙率系數(shù)取值，分別展開計算，通過對比分析后發(fā)現(xiàn)：在糙率系數(shù)增加的條件下，渠道口門的淤積厚度呈現(xiàn)增加趨勢。至第20年時，糙率為0.016、0.019和0.023時，所對應的最大淤積厚度分別為1.74、1.90和2.06 m。出現(xiàn)此現(xiàn)象原因在于糙率有所增加，其阻水作用愈發(fā)顯著，水深加大，流速降低，水流挾沙力削弱，從而出現(xiàn)大范圍的淤積。

6 引水渠道口門泥沙淤積的解決措施

七八月份洪水比較大，可采取水力清淤排沙方式，關閉進水閘，昌馬水庫下泄流量達到400 m3/s時進行排沙，閘前沙石可清理90%以上。

6.1 具體步驟

采取“聽、看、查”減少了泥沙入渠，保證了灌區(qū)的正常灌溉。

（1）利用8、20時，每天2次組織對進水閘前后的沙石進行測量登記。

（2）利用耳聽、眼看，通過進水閘攔污柵沙石入渠的碰撞聲音判斷進沙石多少。

（3）進水閘前沙石若高過攔沙坎20 cm后，及時上報信息，確定是否排沙。

（4）若水庫下泄量在150 m3/s以內(nèi)，則沙石很少進入進水閘。

（5）水庫下泄量200～300 m3/s時，若持續(xù)時間長，則河道沙石推移質速度加快，以1～3 m/d速度推移到進水閘前。若不安排排沙，沖沙閘第2、3孔閘門不啟閘，只啟動第1孔閘門，啟閘20、25 cm來調(diào)控閘前水位，多余流量從第7孔泄洪閘排出。

（6）6、7、8月是灌區(qū)引水灌溉高峰期，進水閘引水55～65 m3/s，若要排沙會影響灌區(qū)農(nóng)作物灌溉及各級電站發(fā)電。若沙石進入進水閘，總干渠樁號0+100處有二次排沙閘排出一部分，還可從樁號0+980處的第一排沙道排出沙石，不會發(fā)生沙石進入渠道情況。

6.2 具體措施

（1）通過壅高水位緩流引水，讓沙石沉淀在距昌馬渠首進水閘較遠位置，以此減少閘前沙石堆積量。

（2）正面排沙和側向引水相結合，由于泄洪閘距進水閘較遠，開啟泄洪閘可以讓部分沙石沉淀在距進水閘較遠的地方。

（3）定期停水排沙，但會對經(jīng)濟效益有影響。

（4）一旦少量沙石進入，可以通過二次排沙閘攔截排出或第一排沙道排出。

7 結語

引入一維非恒定流水沙數(shù)學模型，對引水渠道口門泥沙淤泥量進行計算與分析。結果表明，該模型結果與實際情況具有高度的一致性，所提措施可用于渠道口門引水防沙設計，同時可以為類似工程提供借鑒。