输水渠首工程水闸泥沙淤塞试验研究

输水渠首工程水闸泥沙淤塞试验研究
作者：邹志华
来源：《西部论丛》2017年第10期
摘要：在分析工程设计院提供的相关资料基础上，本研究以某无坝引水枢纽的渠首工程为例，通过河工物理模型试验，来对渠首位置选择以及设计的合理性进行评估，并找到设计中河道水流水力的特性，文章最后根据试验结果，找出已有设计在哪些方面存在不足。

关键词：渠首工程水闸泥沙淤积引水工程
本文利用物理模型试验，对某水利枢纽渠首工程进行分析，找到进水闸前泥沙产生严重淤积的主要原因，针对原因提出合理性的建议[7-9]。

1、基本概况
项目处于我国偏远的西部区域，取水的用途为发电。

电站主要由渠首枢纽、引水体系、厂房等组成，其中渠首枢纽包括取水口、泄水渠道、泄洪闸以及引水渠道，首部枢纽运用的是无坝引水方案。

该工程所在河流属于常年性河流，也是西部地区年平均径流量最大的河流，根据1957-2013年的数据该河流的年平均径流量为14.52×108m。

河流水源来自于降雨和冰山融雪，因此降雨量在各个月份很不很不均匀。

6月到8月是该河流的汛期，汛期的水量達到了年径流量的将近百分之七十。

2、试验过程
在该工程所在河段的下游一万米有一处水文站，观测数据表明在洪水期该河段的最大输沙率为8898 m3/s。

由于当河段在百年一遇洪水时，渠道取水口前的淤积更能够反应问题，因此探讨闸前泥沙形成淤积的原因时本实验选取的是百年一遇试验结果，共选取在洪峰时段
56.21L/s、66.01L/s、82L/s、96.8L/s、120.15L/s、129. 75L/s六个流量来进行不同的放水试验，结果发现发生百年一遇洪峰时，进水口位置严重的泥沙淤积现象出现在各个流量的洪峰过后，阻碍水的流动，干扰明渠引水的正是这些泥沙。

3、分析试验结果
3.1 水流与河床的相互作用
水流和河床的共同作用形成了河道，在河床作用于水流运动的同时，河道里水的流动也会影响河床的边界情况，矛盾中的二者相互作用。

在河床边界条件、来水、来沙的相互作用下，本文所研究的工程所在河道呈现弯曲形态，主要的作用力来自于水和沙，起最终决定作用的是
河床边界条件。

将取水口的边界取直后，山体凹型的河岸形态发生转变，导致水流对于取水口上游河道对岸直接冲刷，造成凸岸滩地坍塌的后果。

而且由于现状地质属于粗泥沙颗粒，会使河流型态转变的速度增加，降低河道的稳定程度。

此外，因为该河段上游的断面比较窄，使得右侧的凸岸受到冲刷，在河流形态逐渐稳定的趋势下，断面继续变窄，左岸淤积程度加重。

试验显示河道的右侧凸岸受到冲刷，在河道左侧人工取直的护坡前形成近似直线的淤积带，这种状态说明该河段的河型从弯曲转变为相对稳定的顺直状态。

3.2闸前断面加宽产生的影响
修建该工程时，与原始河道相比进水闸前的河道过流断面宽度增加，当来水的总量稳定时，水流的挟沙能力随着流速的减小而降低，导致泥沙落淤更容易。

水闸前的河道宽度大但深度浅时，关闸时出现累计性、沉淀性淤积的可能性更大，在水压以及重力的双重作用下，下部淤泥的密度逐渐加大加，当淤泥稳定时被冲走的可能性更小，这也加大了沙难冲淤的难度。

以进水闸前的一点为样本测量水的流速，按照流量2年和5年一遇洪水的常放流量进行两次试验，相关数值如下图：
（a）2年一遇（b）5年一遇
图1修改闸前断面前后典型点的水流流速变化
根据上图1得知随着时间的变化水流流速以及流量级呈抛物线型，与修改后相比断面修改前水流的流速数值要大，并且二者的变化形式基本一致，当然由于人工、设备等因素也会出现误差，出现个别的点不吻合的情况。

图中两条直线为水流流速的均值线，线的趋势表明当洪峰期开始时，在第一级流量下（开始时）水流的流速比较小时，与均值线的偏离程度比较大，之后随着水流的流速增加，在第四个流量级时，与均值线的偏离程度达到最大值，和来水流量呈正相关的关系。

洪峰期结束后，随着流量的降低水流的流速也有所降低，意味着闸前断面存在的泥沙淤积影响了水流的流速，间接降低了水流的携沙能力，减弱了泥沙的输沙能力，加速了泥沙的落淤，最终形成淤积循环。

所以在工程设计时应当拓宽闸前断面，增加闸前水流的流速。

4、解决措施
该河段的水流方式呈螺旋型，按照弯道环流的常理，底沙流向弯道的凸岸，清水流向弯道的凹岸，最终水沙分离。

在实际工程中取水口的对岸（左岸）地质为便于冲刷的颗粒状粗泥沙，如果调整山体的凹岸结构，将取水口进行取直，会损坏该河段弯道的结构。

所以必须将左岸的地质材料替换成不易被冲涮的石体，此外还可以在闸前设置拦沙坎。

5、结论
流速和输沙率呈正相关，随着流速的降低水流的输沙能力也会减弱，导致泥沙在闸前淤积。

因此，无坝闸前取水口应该布置在河流弯道顶点稍偏的下游位置。

本文认为只要破坏弯道
的结构，取水口的位置不满足上述条件时，就会导致泥沙在闸前淤积，该研究能够对国内引水工程的实施提供科学、合理的参考依据。

参考文献
[1] 刘荣华，魏加华，陈志祥，等.塔里木河流域水量调度优化模型研究.南水北调与科技水利，2009； 7.（ 1）： 26～30
[2] 赵井东，王杰，刘时银.天山木扎尔特河流域的冰川地貌与冰期.地理学报，2009；64（ 5）： 553～562。