王芳芳,吳時強,高 昂,薛萬云

(1.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210029; 2. 河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

1 水庫壩前排沙防淤研究現(xiàn)狀

在多沙河流上修建水庫或引水工程,會因壩前或取水口前流速降低,水流挾沙能力減弱而造成淤積。隨著泥沙淤積的發(fā)展,將降低水庫有效庫容和引水質(zhì)量,并造成水輪機和泄流建筑物的磨損。為減緩水庫泥沙淤積,減少粗沙過機,保證電站等取水口“門前清”,防止淤積造成閘門或孔口堵塞等,工程上一般在引水口附近設置拉沙底孔或排沙廊道等排沙設施。在排沙洞口上游附近,流線急劇收縮,流速迅速增大,大量泥沙起動,發(fā)生沖刷;隨著沖刷深度增加,水沙分界面的水流流速處于泥沙起動臨界值以下時,沖刷基本穩(wěn)定,形成以引水口為頂點,向上游及兩側發(fā)射的錐形沖坑,形似漏斗,亦稱“排沙漏斗”。排沙漏斗是一種經(jīng)濟、高效、節(jié)水的防沙和排沙設施[1],其形成、形態(tài)及范圍深受泄水、排沙及取水建筑物設計者的關注。

水庫排沙設施排沙漏斗的成因、形態(tài)及模擬均十分復雜,涉及三維水流結構、淤積物的水下休止角以及模擬的相似率等。目前,研究排沙漏斗的手段多種多樣,但對于水庫排沙漏斗形態(tài)的預測及排沙洞布置方案的優(yōu)選,還是以模型試驗為主[2-3]。徐國賓等[4]對壩前局部排沙漏斗模型相似準則進行了研究,考慮了包括壩前水流條件、淤積物黏結力、水下休止角及級配等因素,提出正態(tài)模型是滿足排沙漏斗形態(tài)相似的必要條件,認為要實現(xiàn)泥沙在水平及傾斜床面上的起動相似,除了要滿足水平床面上的起動相似條件外,還需滿足模型沙與原型沙水下休止角相同的條件。王英偉[5]對影響壩前排沙漏斗形態(tài)的因素進行了歸納,認為壩前淤積泥沙特性及庫前水位對排沙漏斗坡度的影響較大,排沙漏斗的坡降和沖深是決定排沙洞底坎高程的主要因素。然而,崔承章等[6]認為壩前水位和泄流量是影響排沙漏斗縱坡的主要因素,水位較高時縱坡接近模型沙的水下休止角,且縱坡隨壩前水位下降而變緩非常明顯。歸納而言,排沙漏斗的形成主要受壩前泄流條件、壩區(qū)地形、來水來沙條件、水庫運行方式及壩前淤積物特性等因素的影響,并具有以下基本特征[7]:①不同水深和進水方式下,漏斗平面形態(tài)差異很大。深水條件下漏斗坡度基本與淤積物水下休止角保持一致,淺水狀態(tài)下縱坡緩于橫坡;正向進水時平面形態(tài)接近于半圓形,而側向進水時漏斗平面形態(tài)呈“匙”形。②漏斗范圍一般不會很大,原型中一般限于壩前約500 m范圍內(nèi)。③漏斗縱坡一般由坑底段和坡面段組成,前者短而緩,后者長而陡,后者的坡度即為縱坡坡度,不同條件下取值為水下休止坡降的10%～100%。此外,一些研究基于工程實測及模型試驗資料,給出了沖坑深度的估算公式[8-9]。熊紹隆[8]結合室內(nèi)水槽試驗,解釋了在深水條件下坡角接近于水下休止角以及淺水中較緩坡度漏斗的形成原因。然而，這些結論還不足以為實際工程設計提供充分條件，由于實際工程地質(zhì)條件、水流條件復雜，往往需要較大比尺的模型試驗加以驗證[10-11]。

在模型試驗中,模型沙的選取十分關鍵，大多采用天然沙和輕質(zhì)沙,常見的輕質(zhì)沙有粉煤灰、電木粉、塑料沙等。對于無黏性不同粒徑天然沙及塑料沙,其漏斗坡度均接近于泥沙的水下休止角,漏斗坑底也不存在坑底平段,僅孔口附近坡度有所減緩[8]。由此可知模型沙的選取與其物理特性關系十分密切。室內(nèi)試驗的結果與原型觀測相差很大,得到的漏斗邊坡坡度較原型陡,因此漏斗范圍也偏小,這種結果偏于保守,因此對于工程安全是有利的[2]。

為保證大古水電站安全運行,消除水庫淤積對電站引水、防洪安全帶來的潛在威脅,本文以大古水電站為例進行排沙漏斗的模擬試驗研究。采用模型試驗方法對排沙設施的可行性和可靠性進行驗證,并研究排沙漏斗形態(tài)與水流條件和淤沙特性之間的關系。

2 排沙漏斗模型試驗

2.1 工程概況及試驗組次

大古水電站[12]于西藏自治區(qū)山南地區(qū)桑日縣境內(nèi),是雅魯藏布江中游桑日縣至加查縣峽谷段的第2級電站。電站從左至右分別為左岸溢流壩段、底孔壩段、右岸廠引壩段,在溢流壩段與廠引壩段之間布置泄洪沖沙底孔。發(fā)電廠房為壩后式廠房,布置在主河床右側岸坡,電站裝機容量為660 MW,安裝4臺單機容量為165 MW的混流式水輪發(fā)電機組,結合電站進水口、沖沙底孔布置,在進水口下部共設2個排沙廊道,排沙廊道支管與主管間采用非對稱“Y”形岔管,主管緊靠底孔布置。

壩址處多年平均懸移質(zhì)年輸沙量為1 580萬t,多年平均含沙量為0.526 kg/m3,多年汛期平均含沙量為0.708 kg/m3,多年平均推移質(zhì)輸沙量為39.5萬t。輸沙量年際變化較大,最大年輸沙量為多年平均輸沙量的3.3倍,為最小年輸沙量的17.0倍。輸沙量年內(nèi)分配不均勻,主要集中在汛期(6—9月),占全年輸沙量的96.1%,其中7月、8月兩月占全年的74.4%。從實測資料分析,壩址處推移質(zhì)與懸移質(zhì)之比為2.5%,表明懸移質(zhì)是庫區(qū)淤積的主要來源,但由于推移質(zhì)顆粒大,基本上淤積在庫區(qū)。根據(jù)庫區(qū)泥沙淤積計算結果,運行15年后庫區(qū)基本達到?jīng)_淤平衡(排沙率超過90%),淤積高程為3 406.4 m,壩前淤積泥沙以懸移質(zhì)為主,約占92.9%。大古水電站水庫庫容小,正常蓄水位3 447 m以下庫容與沙量之比僅為4.4∶1,水庫泥沙淤積速率較快,淤積洲頭將很快抵達壩前,存在較嚴重的淤積問題,需要進行庫區(qū)壩前拉沙的研究。

圖1 底孔及排沙廊道布置

排沙設施包括1個排沙底孔和2個排沙廊道,如圖1所示。底孔進口段向上游懸出壩面6 m,采用矩形斷面三面收縮的喇叭口體型,底板高程為3 376.00 m,有壓段出口斷面為5 m×8 m(寬×高)。排沙廊道2個進口設置于電站進口下方,進口底板高程為2 383 m,1號排沙廊道進口以喇叭口形接矩形斷面,再漸變?yōu)橹睆?.5 m的圓管斷面,之后接坡度為1.77%的斜管斷面。2號排沙廊道進口形式與1號排沙廊道相同,漸變段后以斜坡為9.1%的斜管與總廊道以“Y”形岔管形式相接,排沙廊道有壓段總長152.2 m,其中斜坡段長113.2 m,之后圓管斷面漸變?yōu)榫匦螖嗝?再接一壓坡段,有壓段出口斷面為2.8 m×3.5 m(高×寬),工作閘門為弧形閘門,后接平坡明渠,長87.29 m。根據(jù)調(diào)度運行方式,庫區(qū)排沙水位為正常蓄水位3 447 m和死水位3 442 m這2種工況,由于2個廊道過流量相互影響,試驗中考慮2個廊道的開啟次序,試驗組次及排沙運行組合安排如表1所示。

表1 試驗組次

2.2 模擬方法

模型以重力相似準則設計,采用正態(tài)模型(比尺為1∶60),這有利于原型與模型排沙漏斗的相似[4]。模型上游庫區(qū)模擬至壩前400 m,由于該河段泥沙以懸移質(zhì)為主,庫區(qū)15年沖淤平衡后的淤積高程為3 406.4 m,模型懸移質(zhì)按揚動相似設計,懸沙揚動流速按照竇國仁公式計算:

(1)

式中:Uc為懸沙揚動流速;h為水深;d為中值粒徑;Kε為床面平整度,當d≤ 0.5 mm時,取Kε=0.5 mm,當d> 0.5 mm時,取Kε=d;δ為薄膜水厚度，δ=0.213×10-4cm;εk為黏結力，εk=2.56 cm3/s;g為重力加速度，g=9.8 m/s2;ρs為泥沙密度，ρs=2.65 t/m3；ρ為水體密度，ρ=1 t/m3。

按照拉沙運行方式,庫水位分別為3 447 m和3 442 m時開啟排沙底孔或底孔,15年后壩前淤積高程為3 406.4 m,即壩前水深分別為40.6 m和35.6 m。由此可以確定懸沙揚動流速分別為1.89 m/s和1.75 m/s,按照模型比尺,模型沙揚動流速應分別為0.24 m/s和0.23 m/s。為保證泥沙休止角相似,模型沙仍然采用天然沙,由此模型水深分別為0.677 m和0.593 m,按照竇國仁公式,得到在模型水深條件下泥沙中值粒徑與揚動流速的關系,如圖2所示。由圖2可見,接近模型起動流速的模型沙中值粒徑約為0.21～0.28 mm,揚動流速約為0.32～0.33 m/s,比相似性要求的中值粒徑略高,即試驗結果偏于安全,由于是非黏性沙,此時,深水條件下排沙漏斗的形態(tài)主要與模擬沙的水下休止角有關[8],粒徑影響相對較小。據(jù)此,模型沙中值粒徑取0.271 mm,泥沙顆粒級配如圖3所示,與原型混合物粒徑級配基本一致。

圖2 不同模型水深條件下泥沙中值粒徑與揚動流速關系

圖3 模型沙顆粒級配曲線

試驗前先預鋪模型沙至高程3 406.4 m,庫水位為實際運行水位;試驗中發(fā)現(xiàn)模型沖刷水流挾沙量很快趨于穩(wěn)定,當出口水流含沙濃度與來流基本一致時,認為泥沙沖淤處于平衡狀態(tài),此時停止試驗,待庫區(qū)水抽干后量測排沙漏斗形態(tài)。模型排沙漏斗輪廓采用水準儀測量,精度可達1 mm。

圖4 排沙漏斗縱向形態(tài)

2.3 試驗現(xiàn)象及結果

通過多組試驗對比發(fā)現(xiàn):①在庫水位分別為正常蓄水位和死水位情況下均未觀測到底孔及排沙底孔的淤塞現(xiàn)象,3個排沙洞的進口前均能形成相對穩(wěn)定的排沙漏斗,電站取水口泥沙淤積高程均在攔污柵底板以下,能夠保證電站取水口“門前清”。②如圖4所示,底孔排沙漏斗半徑比較大,達60 m左右,坡降約為1∶1.73～1∶1.82;雖然2個排沙廊道位置偏離壩中線距離不同,但流量和開啟方式對沖刷穩(wěn)定后的漏斗形態(tài)影響不顯著,漏斗半徑約為40 m,坡降約為1∶1.47～1∶1.59。③底孔和廊道的排沙漏斗在平面上有重疊,但仍然相互獨立,其中底孔漏斗半徑比較大,底孔與其旁邊的排沙廊道形成的排沙漏斗有較大的重疊,說明3個排沙洞可以覆蓋電站進水口區(qū)域,具備保證電站“門前清”的條件。④ 2個排沙廊道形成的漏斗有較小重疊,同時開啟時靠岸側廊道分流較小,但仍能形成較完整漏斗,且漏斗形態(tài)變化不大,不同運行組次下漏斗范圍均可達到岸邊。

圖5 不同試驗組次下排沙漏斗形態(tài)

表2 不同工程庫區(qū)排沙漏斗形態(tài)模擬結果比較

無論是底孔還是排沙廊道,試驗中均能形成穩(wěn)定的排沙漏斗,而且在深水條件下,排沙漏斗的穩(wěn)定形態(tài)受排沙運行方式及流量大小影響不明顯。本工程2個排沙廊道相互連通,相同水位同時開啟情況下,流量分配比約為3.8∶6.2,然而最終形成的排沙漏斗形態(tài)及范圍基本一致,如圖5(d)及圖4所示。圖中底孔漏斗較2個廊道漏斗范圍和深度較大,坡度稍緩,是由于進口高程底孔相對較低,流量大得多的原因。底孔進口位于溢流壩段與廠引壩段之間,從漏斗范圍看，右岸對電站進水口影響很小,左岸影響溢流壩中部3號表孔軸線位置;2個排沙廊道漏斗范圍均可達到岸邊，基本可以保證電站進口“門前清”。因此,在排沙運行時,正常情況下開啟2個排沙廊道即可,底孔可在泄洪時配合排沙清淤使用,以增大有效庫容。在實際運行時,若排沙洞長久不運行,淤積物容易在進口落淤并板結,因此建議排沙洞要經(jīng)常運行,以防淤死。

3 討 論

為了便于比較分析,將不同工程庫區(qū)排沙漏斗的相關研究列于表2。由表2可見,國內(nèi)眾多大型水利樞紐均建有排沙設施,如底孔、排沙廊道等;其布置形式、工程地質(zhì)條件和水力條件等差異很大。根據(jù)已有研究結果,排沙漏斗形態(tài)具有一定的相似性和規(guī)律性。熊紹隆[8]將深水條件下的排沙漏斗的特性進行了總結,認為無黏性不同粒徑天然沙及塑料沙,其漏斗坡度均接近于泥沙的水下休止角,漏斗坑底不存在坑底平段,僅孔口附近坡度有所減緩。

如表2所示,眾多模型試驗結果表明在深水條件下,排沙漏斗的縱坡和橫坡相差不大,其坡度一般在1∶1～1∶5之間,深水、小流量條件下坡降一般在其淤積物的水下休止角附近。然而,隨著流量的增大,水深的降低以及運行條件的變化,也會導致漏斗坡降小于水下休止角的情況,比較明顯的是縱向坡度緩于橫向坡度,如紫坪鋪、三峽等工程。很多實測資料顯示,實測排沙漏斗的坡降要緩得多,一般在1∶5～1∶36之間。一般原型觀測到的排沙漏斗形態(tài)與模型試驗結果相差很大[2]:龔嘴水庫排沙漏斗坡降模擬結果為1∶1.6,而實際觀測縱坡坡降為1∶10[13];碧口電站[14]排沙漏斗設計邊坡為1∶1.6,而實際觀測中側向邊坡在1∶3.3～1∶7.1之間,縱坡在1∶10.6～1∶17之間?？梢?原型漏斗的坡降比模型緩得多,平面范圍大得多。分析其原因,主要是由于水槽試驗中選用的泥沙顆粒較粗,泥沙主要以推移質(zhì)方式輸移,有悖于水庫淤積平衡前壩前泥沙淤積主要以懸移質(zhì)和異重流挾沙為主的實際情況[9]，模型試驗難以模擬實際工程中泥沙真實的物理成分、淤沙變化過程以及化學反應等;此外,對淤積泥沙的開始啟動狀態(tài)模擬失真,如試驗中很難準確模擬排沙洞的淤堵狀態(tài)。一般來說,在只考慮壩前淤積平衡和排沙洞不被淤死的情況下,模型試驗得到的排沙漏斗的坡度及范圍一般是偏于保守的。

本工程漏斗坡降均在1∶1.5～1∶1.8之間,接近于模擬沙的水下休止角,與阿爾塔什壩研究結果[15]相近,而相對于其他水庫坡降略陡,可能源于模擬沙粒徑的選取偏粗,啟動流速偏大。從安全角度考慮,在模型試驗滿足設計要求的情況下,實際工程偏安全。由于原型觀測結果普遍緩于模型試驗結果,大古水電站排沙漏斗設計邊坡可按照1∶3設計,來估算排沙洞進口位置及排沙漏斗范圍。

在深水條件下,排沙漏斗形態(tài)主要由淤積物物理化學特性及進口高程決定,受水流條件及排沙運行方式影響不明顯,其漏斗坡降一般約為淤積物的水下休止角,漏斗規(guī)模由漏斗深度即進口高程決定。因此,大古水電站采用2個進口連通的排沙廊道布置方式是可行的,且開啟順序?qū)吻白罱K形成的漏斗形態(tài)影響不大。

4 結 論

a. 大古水電站庫區(qū)排沙洞的開啟順序?qū)吻奥┒沸螒B(tài)影響較小;2個排沙廊道同時運行可滿足電站進口“門前清”的要求;底孔壩前排沙漏斗的范圍大于廊道進口漏斗,可在汛期泄洪時排沙,增大有效庫容;3個漏斗在平面上有部分重疊,認為此排沙洞布置方案具備保證電站進水口“門前清”的條件。

b. 在正常蓄水位及死水位下,壩前壅水較高,此時排沙漏斗形態(tài)受排沙運行方式影響較小,漏斗縱坡和橫坡坡降均接近于淤積泥沙的水下休止角。盡管2個排沙廊道及底孔所分配流量差異很大,但所形成的漏斗坡度基本一致,因此在深水條件下,無黏性沙排沙漏斗坡度主要由淤積泥沙的水下休止角決定,受水深的影響較小。

c. 在僅考慮壩前達到淤積平衡狀態(tài)、排沙洞可正常運行情況下,模型采用非黏性的天然沙或輕質(zhì)沙對排沙漏斗形態(tài)及范圍的模擬均偏于保守,漏斗坡度陡于實際觀測值。因此,設計時可在模型試驗的基礎上,類比已有實測資料,酌情確定漏斗坡度以更加經(jīng)濟合理地布置排沙設施。