简化计算方法在泥沙分析中的应用

简化计算方法在泥沙分析中的应用

陈光洪李学通

（四川省水利水电勘测设计研究院规划设计分院，德阳618000）

【摘要】大中型水利水电工程泥沙分析计算通常采用二维或三维数学模型，对资料要求较高，计算较为复杂。根据工程特点和资料条件，可通过简化计算方法进行泥沙分析。本文以撒鱼沱电站水库的泥沙计算分析为例，结合与数学模型计算成果的对比，分析了简化计算方法的可行性。

【关键词】电站；水库；泥沙分析；简化计算；应用

1 概况

撒鱼沱电站是横江干流六级河床式开发的第一级，上距盐津新县城3.5km。坝址处控制集雨面积13339km2，多年平均流量240m3/s。电站正常蓄水位414.0m，死水位411.6m，日调节库容267万m3，装机容量60.0MW，多年平均发电量2.84亿kW·h。

电站闸坝最大壅水高约28.0m，布置3孔8m宽的冲沙闸和6孔12m宽的泄洪闸，泄洪总宽度96m，采取汛期来流量大于分界流量900m3/s时电站停机拉沙的运行方式。

电站水库为河道型水库，库区天然河道比降约为2.27‰，回水长度约10.6km，平均水面宽约96m，库区河道断面形态以“V”型为主。水库多年平均入库悬移质输沙量1125万t（合803.6万m3），推移质112.5万t（合51.1万m3），库沙比1.22，工程泥沙问题较严重。

2 泥沙分析简化计算

2.1 基本资料

2.1.1 悬移质

1 悬移质输沙量

工程河段上下游及支流具有较长泥沙资料的水文站有干流的横江、豆沙关站，支流白水江的牛街水文站。

横江水文站控制集水面积14781km2，控制了横江流域面积的98.7%，从1957年至今，除1961年～1964年缺测泥沙外，其余均有实测水沙资料，其实测含沙量在0～34.3kg/m3之间。通过横江站实测水沙系列作相关分析，得水沙相关方程（此略），用相关方程插补缺测泥沙资料后再加实测系列，得到1957～2000年横江水沙系列。

豆沙关水文站缺测1978年资料，采用本站水沙相关分析而得。白水江牛街水文站有1966～2000年实测资料。

根据三站1966～2000年同期悬沙资料统计各代表站水沙系列平均特征值和多年平均悬移质输沙量年内分配，各代表站多年平均悬移质输沙量年内分配见图1。

根据横江、豆沙关及牛街水文站1966～2000年同期悬沙资料，求得区间悬移质输沙模数，用区间面积求出区间产沙量，从而求出撒鱼沱梯级入库悬沙量为1125万t。

2 悬移质特征值

1）悬移质泥沙颗粒级配

根据横江站悬移质泥沙观测资料，横江站悬沙D50=0.0052mm，dcp=0.017mm，dmax=0.8mm，横江站悬移质泥沙颗粒级配成果见图2。

2）分界粒径dk

据造床流量（敞泄时坝前水位400.00m ）坝前流速、水深，用式（2）计算悬移质泥沙分界粒径，按计算分界粒径重新对悬沙级配进行统计，求平均粒径、中值粒径，并采用式（3）计算悬沙中床沙质沉降速度ω。计算成果见表1。

85

.0)

(052.0h v

dk = （2）

v

d rv r

r s g d 2

674

.0)(182==-ω （3）

式中：ν为浑水粘滞系数（可查表）；

γs 为沙容重； γ为水容重；

d 为悬沙中床沙质的中值粒径。 表1 建库后悬沙特征值

造床流量

流速V （m 3/s ） 2.72 水深h （m ）

7.38 分界粒径dk （mm ）

0.0223

悬沙中

床沙质 部分

平均粒径Dcp （mm ）

0.0659 中值粒径d50（mm ）

0.0435 浑水粘滞系数ν（10-6

）

1.0324 沉降速度ω 0.00124 冲泻质（%）：床沙质（%）

81.8：18.2

2.1.2 推移质

１ 库区床沙特征

根据撒鱼沱库区床沙取样分析，库区床沙d cp =133mm ，d 50=77mm ，d max =400mm ，床沙级配曲线见图3。

２ 推移质沙量 采用沙莫夫公式计算：

6

1

3

183.3h

d

V H = （4）

4

13

3

2

)

(

))(

(h

d V V V V KD

gb H

H -= （5）

式中：gb 为单位宽度的推移质输沙率；D 为

非均匀沙最粗一组的平均粒径；K=2.5。 经计算，撒鱼沱梯级库区推移质输沙量

为71.9万t （合32.7万m 3），小于悬移质输沙量的10%。参考专家意见偏安全考虑，取用悬移质输沙量的10%，即推移质输沙量112.5万t （合51.1万m 3

）。

2.2 泥沙分析简化计算 2.2.1 悬移质

1 基本参数

1）造床流量造Q 的选择

根据经验，造床流量一般相当于多年平均出现2天～3天的流量级。若按多年平均出现3天以上的日平均流量选择，为1730m 3/s ；若按多年平均出现2天以上的日平均流量，为1840m 3

/s 。即撒鱼沱梯级造床流量应在1730 m 3/s ～1840 m 3/s 左右。

若用黄委水科所公式：

3

1

85

.0907.7汛

汛

造Q Q Q += （6）

计算，则造床流量为1868 m 3

/s （汛期平均流量384.7 m 3/s ），与按经验选择的结果较为接近。因此，撒鱼沱梯级造床流量采用黄委水科所公式计算结果。

2）挟沙能力S *的确定 采用张瑞瑾公式计算： m

gR V

k S ）（

ω

3

*= （7）

式中k 、m 采用下游张窝电站成果，取k=0.2，m=0.8。

3）河相系数ε的计算 采用公式（8）计算：

h

B =

ε （8）

2 计算方法

通过联解水流阻力公式、水流连续公式、挟沙力公式（7）及河相关系式（8），按式

（9~10）求解水库淤积极限状态的平衡比降Jc 、水深hc ，计算结果见表2。