合理确定泄洪排沙洞的进口高程

合理确定泄洪排沙洞的进口高程

摘要：实践经验表明，水库工程泥沙设计的关键在于合理确定泄洪排沙洞的进口高程、洞径及其平面位置。本文对陕北红柳河流域新桥水库泄洪排沙洞设计中的几个关键性问题进行了探讨，并给出了适合北方多沙河流上中小型水库泄洪排沙洞泄流曲线的计算方法。

关键词：水库泥沙；造床流量；平衡比降

１引言

我国北方多沙河流上的水库，泥沙淤积问题十分严重，直接影响水库正常效益的发挥。解决水库泥沙淤积问题的关键在于合理的设计泄洪排沙洞。

造床流量、平衡比降、终极库容曲线和泄流曲线的确定直接影响泄洪排沙洞设计的合理性。本文针对新桥水库造床流量、平衡比降的确定、泄流曲线的计算这几个关键性问题进行讨论。２新桥水库概况

新桥水库位于陕西省靖边县红柳河干流上，距靖边县城４０ｋｍ，是红柳河流域中的一座控制性骨干工程，承拦坝址以上的洪水泥沙，确保金鸡沙、巴图湾水库正常运用和无定河两岸的安全生产，同时新桥大坝还是３０７国道的咽喉工程。

新桥水库控制区间流域面积为８６１ｋｍ２，多年平均入库流量为０．１２４ｍ３炖ｓ，汛期为０．３２３ｍ３炖ｓ，多年平均含沙量２６３ｋｇ炖ｍ３，汛期平均含沙量５４５ｋｇ炖ｍ３。１９６１年坝体加高到４７ｍ，总库容为２．０亿ｍ３。经过多年运行，截止２００１年底，水库已淤积１．９１５亿ｍ３，水库防洪能力严重不足，现有库容及泄洪设施已不能满足防御１０年一遇洪水。新桥水库一旦失事，必将造成下游金鸡沙、巴图湾等水库连续垮坝等灾难性后果。因此，依据《陕西省红柳河库坝群治理工程项目建议书》及其审查意见，对新桥水库实施除险加固改造，本次除险加固的主要任务是增建泄洪排沙洞。

３几个关键性问题讨论

在新桥水库泄洪排沙洞规划设计过程中，造床流量、平衡比降、泄流曲线确定是关键问题，直接影响泄洪排沙洞的设计合理性，下面对这几个问题进行讨论。

３．１造床流量

造床流量〔１，２〕在泥沙设计中是一个非常重要的参数，理论上现在还没有一个成熟的计算方法，目前大多是据经验公式确定。有关造床流量的求法很多，一般可取三四种方法进行估算，然后比较采用两个相近数值的平均值做为造床流量。现将几种确定造床流量的典型方法加以介绍，以便比较说明。

（１）木村认为，造床流量可取为以输沙率加权的平均流量，即

式中：Ｑｉ为分级流量（ｍ３炖ｓ），Ｑｓｉ为该级流量相应的输沙率（ｋｇ炖ｓ），ｎ为分级总数。

若假定分级流量与Ｑｉ与该级流量相应的输沙率Ｑｓｉ＝ａＱｍｉ，将其代入（１）式，则得

根据许多输沙公式及天然资料，得出ｍ值为：推移质为主的河流ｍ＝１；悬移质为主的河流ｍ＝２；推移质和悬移质同等重要的河流ｍ＝１．５。

（２）造床流量保证率法。根据洪水频率统计确定造床流量。汉德森（Ｆ．Ｍ．Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎ）认为：

满槽流量为造床流量，根据美国一些河流的研究，满槽流量约等于重现期１．０７～４年（平均为１．４年）一遇的洪水。

（３）满槽流量法。在我国，一般都把满槽流量作为造床流量，由于水流满槽前，对河床作用最大的自然是满槽流量，在水位超出河槽而漫滩后，边滩流速很小，主槽流速变化也很小，其造床作用与满槽流量相近，但出现的机会却较少。

（４）黄委会水利科学研究所分析了一部分河流平滩流量和汛期平均流量的实测资料后，采用如下造床流量计算关系式

式中：Ｑ造为造床流量，Ｑ-汛为汛期平均流量。

（５）长江科学研究院提出可按流量级累计的冲刷量达到５０％时的对应流量为确定水库横向形态的造床流量。

上述经验方法中，其中（１）、（４）、（５）均是在对较大型的水库进行研究总结出来的，适用于较大型水库。（２）、（３）可适用于大型水库也可适用于中小型水库的情况，新桥水库属于大Ⅱ型水库，用上述几种方法分别计算后，相差在１０％～２０％；根据新桥水库的特点，最后采用造床流量保证率法，求得造床流量为１２３ｍ３炖ｓ，计算结果表明是符合实际的。

３．２平衡比降

河槽的平衡比降〔１，２〕也是泥沙设计的一个非常重要的参数，它的取值对计算结果影响较大，和造床流量一样，理论上也没有一个成熟的计算方法，实际当中也用经验公式推求。新桥水库采用以下３种经验方法估算库区河槽的平衡比降，最后分析确定合理的取值。（１）Ｊ/Ｊ０～ＨＪ０.２０之间的经验关系

文献〔２〕中，根据不同水库的实测数据，点绘出了Ｊ/Ｊ０～ＨＪ０.２０之间的经验关系曲线。Ｊ为库区河槽槽底平衡比降，Ｊ０为原河道比降，Ｈ为坝前平均淤积面高程与原河床高程差。对于新桥水库，Ｊ０＝２‰，依据此法得出的库区河槽平衡比降为１．５２‰。

（２）陕西省水科所经验公式法〔２〕

根据陕西省水科所的分析，计算河槽冲刷平衡比降的经验公式为

由式（４）可得，库区河槽比衡比降为Ｊ＝１．４７‰。

（３）清华大学水利系经验公式法〔２〕

清华大学水利系提出的计算公式为

式中，ｋ，ｍ分别为经验系数和指数；其它符号同前。

对于新桥水库的情况，ｋ＝１．２，ｍ＝０．２４。将有关数据代入计算可得Ｊ＝１．１‰。上述３种方法得出的平衡比降平均值为１．３６‰，计算结果表明新桥水库的平衡比降取为１．３６‰是合理的。

３．３排沙洞泄流曲线

本文根据新桥水库泄洪排沙洞的设计形式（见图１），应用水流连续方程和能量方程对新桥水库的泄流排沙洞的泄流曲线计算公式进行了推导，得出在闸门全开情况下的泄流计算公式。

图１新桥水库泄洪排沙洞纵剖面示意图

新桥水库泄流曲线求法如下：

（１）有压流时的泄流曲线〔３，４〕当水库坝前水位较高时，泄洪排沙洞内水流为有压流（满库）此时，泄洪排沙洞泄流量计算公式如下

式中，Ｑ压是有压流时的泄流量；Ａ是泄洪排沙洞断面积，Ａ＝（１炖４）πｄ２，ｄ是洞径；Ｈ是水头，取

水库水位与泄洪排沙洞进口高程之差；μ是流量系数，计算公式如下

式中，Δｚ是排沙洞进口高程与排沙洞闸门底板高程之差；λ是排沙洞的沿程水头损失系数，λ＝８ｇｎ（ｄ炖４）－１/３，其中ｇ是重力加速度，ｎ是糙率；∑ζ是排沙洞进口至闸门出口断面局部水头损失系数之和；Ａ０是坝前断面的面积；ｌ是排沙洞进口至闸门出口的长度。一般情况下Ａ/Ａ０很小，可以忽略不计。

利用式（６）、（７）可计算出不同库水位时，泄流排沙洞的满流泄流量。

（２）明渠流时的泄流曲线〔３，４〕当库水位较低时，泄洪排沙洞内的水流为明渠流（非满流），此时，泄洪排沙洞泄流量计算公式如下

式中，Ｑ明为一定库水位时的排沙洞泄流量；ｍ是无坎宽顶堰流的流量系数，据工程实际取值；ｂ＇相当于堰顶宽度，对圆形排沙洞近似取等效宽度