曹列凱，劉春晶，任海濤，段炎沖，谷蕾蕾，劉 飛

（1.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

1 研究背景

我國(guó)北方大多數(shù)河流含沙量高、泥沙粒徑粗，水庫(kù)建設(shè)必然要面臨嚴(yán)重的泥沙淤積問題。據(jù)水利部2012年調(diào)查統(tǒng)計(jì)，山西省731座水庫(kù)總淤積量達(dá)16.20億m3，占水庫(kù)總庫(kù)容47.65億m3的34.00%；陜西省1019座水庫(kù)總庫(kù)容40.43億m3，淤積庫(kù)容13.75億m3，總淤損率34.00%［1］；此外1992—2002年陜西省共有222座水庫(kù)因泥沙淤滿而報(bào)廢，總庫(kù)容合計(jì)超過4億m3［2］。泥沙淤積嚴(yán)重影響了水庫(kù)防洪、供水、發(fā)電等各項(xiàng)效益的發(fā)揮。長(zhǎng)期以來，來自工程設(shè)計(jì)、管理和研究單位的大量學(xué)者致力于水庫(kù)減淤、清淤措施的研究和探索，提出了包括蓄清排渾、泄空排沙、旁側(cè)管道排沙、繞庫(kù)排沙、自吸式管道排沙、排沙洞、挖泥船抽沙和挖掘機(jī)挖沙等多種措施［3］，但已有措施和方法均具有一定適用范圍，受建設(shè)條件、技術(shù)工藝、投資造價(jià)、運(yùn)維成本等方面所限，難以在現(xiàn)有已建在多沙河流上的小型水庫(kù)中大規(guī)模應(yīng)用，水庫(kù)庫(kù)容恢復(fù)和淤積控制依然是未來維護(hù)水庫(kù)正常運(yùn)行需迫切解決的重大問題之一。

排沙廊道是建設(shè)在水庫(kù)底部，利用水庫(kù)上下游水頭差將廊道所及范圍內(nèi)的泥沙排出，其設(shè)計(jì)初衷為一旦建成則可以長(zhǎng)期持續(xù)使用，維護(hù)費(fèi)用較低，與其他方式相比具有一定優(yōu)勢(shì)。近年來，排沙廊道受到越來越多的關(guān)注，針對(duì)排沙廊道的水力學(xué)問題［4］、排沙效果［5］等方面開展了部分室內(nèi)試驗(yàn)工作，甚至有學(xué)者提出設(shè)想［6］，在三門峽水庫(kù)中布置長(zhǎng)達(dá)數(shù)十公里的排沙廊道，將泥沙清出庫(kù)區(qū)，以達(dá)到降低潼關(guān)高程的效果。水庫(kù)中的排沙廊道是將水庫(kù)設(shè)置的排沙洞進(jìn)口用廊道向庫(kù)內(nèi)延伸，延伸方向可垂直于壩面或有一定的偏斜角度。在廊道前端設(shè)置單一進(jìn)沙孔或在沿程按一定間距分別設(shè)置進(jìn)沙孔，進(jìn)沙孔開口向上或在廊道的一側(cè)或兩側(cè)開孔。當(dāng)沿廊道布置多個(gè)進(jìn)沙孔時(shí)，排沙范圍增大，對(duì)清淤擴(kuò)容具有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，現(xiàn)有排沙廊道中多個(gè)進(jìn)沙孔設(shè)置為順序排列，各進(jìn)沙孔入?yún)R處的局部水頭損失較大，處于廊道下游的進(jìn)沙孔會(huì)對(duì)上游的進(jìn)沙孔造成影響，室內(nèi)試驗(yàn)研究表明，排沙廊道距出口越遠(yuǎn)，水流流速越?。?］；且當(dāng)各排沙孔全開時(shí)存在著不同進(jìn)沙孔排沙能力不均現(xiàn)象［8］，甚至?xí)斐蛇M(jìn)沙口阻塞，只能通過復(fù)雜調(diào)度達(dá)到近似均勻的排沙效果。針對(duì)現(xiàn)有排沙廊道存在的問題，王興奎提出了樹杈型沖沙管道系統(tǒng)［9］，該系統(tǒng)由多個(gè)進(jìn)沙孔按樹杈型結(jié)構(gòu)排列，以每個(gè)進(jìn)沙孔匯流至總管道出水口的阻力相等為設(shè)計(jì)原則，確保水流從每個(gè)進(jìn)沙孔至出口總管道的水頭損失相等，從而可使各個(gè)不同的進(jìn)沙孔具有相同或相近的抽沙效果，實(shí)現(xiàn)大面積均勻排沙；同時(shí)由于各個(gè)進(jìn)沙孔相互獨(dú)立，即使遭遇個(gè)別進(jìn)口阻塞，也不會(huì)對(duì)其他進(jìn)沙孔造成影響。本文按等阻力樹杈結(jié)構(gòu)多級(jí)管道自動(dòng)排沙系統(tǒng)原則設(shè)計(jì)開展了室內(nèi)水槽試驗(yàn)，對(duì)其排沙效果進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)開展了傳統(tǒng)廊道順序排列進(jìn)沙孔對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)一步研究樹杈型排列方式的可行性和實(shí)用性。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 等阻力樹杈型排沙系統(tǒng)（樹杈型Branch，試驗(yàn)簡(jiǎn)稱Br組）等阻力樹杈型排沙系統(tǒng)布置見圖1，由內(nèi)徑分別為36 mm、68 mm和102 mm的進(jìn)口管、支管和干管，以及進(jìn)口管四通匯流口和支管二通匯流口等組成；其中干管用于模擬水庫(kù)壩前排沙管出流，為試驗(yàn)出口下游段；各進(jìn)口管模擬設(shè)置在水庫(kù)上游排沙孔，為試驗(yàn)入口上游段。

每個(gè)進(jìn)沙口設(shè)置防沙罩，如圖2所示，防沙罩設(shè)計(jì)成倒扣鐵鍋型，外直徑為D，用4根圓管支撐在進(jìn)口管上。設(shè)進(jìn)口管內(nèi)徑為d，防沙罩下緣與管口的高差為h，則：

其中α遠(yuǎn)小于泥沙在動(dòng)水下的休止角β，避免泥沙淤積至管口，并確保防沙罩下部可存留一定體積的清水。

每個(gè)進(jìn)口管的長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)相同，多個(gè)進(jìn)口管匯集在一個(gè)匯流口后從下進(jìn)入支管，并逐級(jí)向下一級(jí)管道匯流。圖3為4個(gè)通道的匯流口，匯流口直徑為DH，應(yīng)不小于2倍的進(jìn)口管直徑d，進(jìn)口管的水流從匯流口的切線流入，多股切向匯入的水流沿匯流口的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并向下進(jìn)入下一級(jí)管道進(jìn)口，各個(gè)進(jìn)口管不同的方向加速度將因水體的旋轉(zhuǎn)摻混而趨于均勻，實(shí)現(xiàn)各個(gè)進(jìn)口管到支管的流動(dòng)阻力相等。

圖1 等阻力樹杈型沖沙管布置

圖2 防沙罩設(shè)計(jì)圖

圖3 四通道匯流口設(shè)計(jì)圖

4個(gè)進(jìn)口管一組按“X”型布置，橫向間隔40 cm，進(jìn)口管中心距邊壁20 cm。沿水槽方向布置2組，間距100 cm，匯入支管匯流口后進(jìn)入干管。

2.2 進(jìn)口管順序排列的沖沙廊道布置（Sequence，簡(jiǎn)稱Se組）對(duì)比試驗(yàn)類似于現(xiàn)有水庫(kù)常用的沖沙廊道布置，進(jìn)口管順序排列，依次連接于主管道中。為與樹杈型排沙系統(tǒng)直接對(duì)比，順序排列型排沙系統(tǒng)同樣布置了8個(gè)進(jìn)沙口，如圖4所示。

廊道型管道的內(nèi)徑分別為36 mm、57 mm、82 mm、102 mm的塑料管連接安裝，每級(jí)管道安裝2個(gè)進(jìn)口管，相鄰進(jìn)口管的間距210 mm。水泵流量4.17 L/s，假定各進(jìn)口管均勻進(jìn)流，每個(gè)進(jìn)口管的流量為0.521 L/s，據(jù)此可以計(jì)算各級(jí)廊道內(nèi)的流速（見表1），變化范圍0.447～1.02 m/s，均大于試驗(yàn)沙的起動(dòng)流速，泥沙在各級(jí)管道內(nèi)不會(huì)淤積。值得指出的是，在實(shí)際運(yùn)行中由于不同進(jìn)口管的沿程阻力不同，各進(jìn)口管入流量必然會(huì)存在一定差異，導(dǎo)致實(shí)際流速與設(shè)計(jì)流速不符。

圖4 順序排列進(jìn)口型沖沙廊道布置

表1 各級(jí)廊道內(nèi)的設(shè)計(jì)流速

2.3 水槽水沙循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)在長(zhǎng)寬高分別為210 cm×80 cm×90 cm的水槽中進(jìn)行，管道系統(tǒng)居中安裝在水槽的床面上，出口安裝流量15 m3/h（4.17 L/s）、揚(yáng)程10 m、功率2.2 kW的潛水泵。在水槽上層布置花管，潛水泵出口的回流管與花管連接，花管出口設(shè)置調(diào)流板，調(diào)節(jié)出口開度以保證花管沿程出流均勻。排沙系統(tǒng)與潛水泵、回流管、花管一起構(gòu)成水流回路系統(tǒng)，可持續(xù)循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)；本次試驗(yàn)樹杈型排沙系統(tǒng)共布置進(jìn)沙口8處，水槽及安裝好的樹杈型沖沙管道系統(tǒng)詳見圖1。

選用天然沙作為試驗(yàn)用沙，D50=0.20 mm，分選系數(shù)，級(jí)配曲線見圖5。

2.4 測(cè)量?jī)?nèi)容和方法測(cè)量?jī)?nèi)容主要包括不同時(shí)段的含沙量及最終淤積地形，具體測(cè)量方法如下：

（1）含沙量：在回流管上端的彎頭上垂直打孔，引出直徑20 mm的軟管高出水面，用2000 mL量筒按一定的時(shí)間間隔接取渾水樣品約2000 mL，沉淀后測(cè)量渾水體積和泥沙體積，烘干稱重后計(jì)算含沙量。

（2）淤積地形：在水槽內(nèi)壁和上口布置10個(gè)控制點(diǎn)（Ground Control Points，GCPs）并精確測(cè)量其三維坐標(biāo)。使用智能手機(jī)按既定軌跡拍攝水槽內(nèi)的淤積地形，單張照片覆蓋面積約0.3×0.3 m2，面積重疊率大致為80%，每組試驗(yàn)拍攝照片約140張。將原始照片及GCPs坐標(biāo)導(dǎo)入Agisoft PhotoScan Professional軟件（版本1.4.0），采用運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)算法（Structure from Motion，SfM），根據(jù)多視角圖像反演出相機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和目標(biāo)的結(jié)構(gòu)信息，提取出對(duì)應(yīng)目標(biāo)的稠密三維點(diǎn)云，生成測(cè)量區(qū)域內(nèi)三維點(diǎn)云的空間坐標(biāo)值，精度約為0.005 m。

圖5 試驗(yàn)沙級(jí)配曲線

（3）測(cè)量過程：試驗(yàn)開始前水槽內(nèi)水為靜止，含沙量接近0；試驗(yàn)開始后水流穩(wěn)定2 min后開始檢測(cè)含沙量，持續(xù)至含沙量基本穩(wěn)定后結(jié)束，各組試驗(yàn)均持續(xù)約2 h。試驗(yàn)結(jié)束后首先關(guān)泵停水，緩慢將水槽中的水排出，然后對(duì)各組試驗(yàn)形成的沖刷漏斗進(jìn)行拍攝，獲取三維地形信息。

3 試驗(yàn)方案

3.1 Br組試驗(yàn)方案等阻力樹杈型排沙系統(tǒng)試驗(yàn)共進(jìn)行了4個(gè)組次（Br01～Br04）。各組次試驗(yàn)過程如下：

（1）Br01：填充試驗(yàn)沙至進(jìn)口管管口的高度，從水泵進(jìn)口加清水，使水流注滿管道后從進(jìn)口管管口溢出浸泡試驗(yàn)沙，使其密實(shí)。再加沙至防沙罩以上80 mm并大致抹平。緩慢加水至設(shè)計(jì)水位（距水槽頂部50 mm），等泥沙浸泡透以后啟動(dòng)水泵開始試驗(yàn)，渾水從花管流出進(jìn)入水槽的上部水體，泥沙沉降到沙面，試驗(yàn)開始后從水面均勻加沙約100 kg，加沙時(shí)間持續(xù)約5 min。圖6為試驗(yàn)過程照片，其中圖6（a）為樹杈型排沙孔布置情況，圖6（b）、圖6（c）分別為試驗(yàn)開始前、試驗(yàn)進(jìn)行中的情況。

（2）Br02：在Br01組試驗(yàn)形成的沙面上，從水泵進(jìn)口向管道內(nèi)充水，至每個(gè)進(jìn)口管均有水流冒出，說明管路系統(tǒng)通暢無堵塞。將Br01組試驗(yàn)的試驗(yàn)段沙面抹平（上下游端的淤積泥沙未搬動(dòng)），緩慢加水至設(shè)計(jì)水位，啟動(dòng)水泵運(yùn)行；運(yùn)行約37 min時(shí)調(diào)整花管出口調(diào)流板，將花管出口的高含沙水體導(dǎo)向上游進(jìn)沙孔A2處，觀測(cè)局部進(jìn)沙孔遭遇高含沙情況下的系統(tǒng)運(yùn)行情況。

圖6 試驗(yàn)過程照片

（3）Br03：根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)，當(dāng)高含沙水流集中流向A2進(jìn)口時(shí)，該出口被泥沙阻塞。Br03組試驗(yàn)是在Br02組試驗(yàn)基礎(chǔ)上開展，將被阻塞的A2進(jìn)水口疏通，花管出口按Br01布置，即高含沙水流分散導(dǎo)流，其余條件與Br02組相同。

（4）Br04：試驗(yàn)初始條件與過程與Br02組試驗(yàn)相同，花管按分散式導(dǎo)流，起動(dòng)水泵后從水面均勻加沙80 kg，加沙時(shí)間持續(xù)約5 min。

3.2 Se組試驗(yàn)方案

（1）Se01：完成管道布設(shè)后用試驗(yàn)沙填充至略低于進(jìn)口管口的高度，從水泵出口端往管道內(nèi)注水，使水面高出防沙罩約50 mm，仔細(xì)填充試驗(yàn)沙，防沙罩邊緣與進(jìn)口管之間形成泥沙水下休止角的坡度。當(dāng)完全掩埋防沙罩后，繼續(xù)加沙至防沙罩以上沙厚80 mm抹平。繼續(xù)從水泵出口端充水，可見各進(jìn)口管位置的沙面有水泡外溢，說明管道內(nèi)注滿了清水、各進(jìn)口管通暢。當(dāng)水位達(dá)到設(shè)計(jì)水位時(shí)停止加水。啟動(dòng)水泵運(yùn)行開始試驗(yàn)；試驗(yàn)中花管按分散式導(dǎo)流，與Br01組相同。

（2）Se02：清空管道內(nèi)的淤積泥沙，按照Se01組試驗(yàn)在水槽中部形成的漏斗橫切面形狀填充泥沙。從水泵出口注水，各進(jìn)口管均有水流溢出，表明廊道內(nèi)通暢，進(jìn)口管無堵塞。充水至設(shè)計(jì)水位后啟動(dòng)水泵，試驗(yàn)開始后從水體上層均勻加入80 kg泥沙，加沙時(shí)長(zhǎng)約5 min，加完沙后開始試驗(yàn)；試驗(yàn)中花管按分散式導(dǎo)流，與Se01組一致。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 Br組試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)觀測(cè)表明，泥沙從各個(gè)漏斗進(jìn)入管道、通過潛水泵后從花管均勻噴出，在水體中自然沉降落淤到沙面，再?gòu)穆┒菲旅婊溥M(jìn)入進(jìn)口管往復(fù)循環(huán)。在實(shí)際水庫(kù)運(yùn)行中，水庫(kù)上下游的落差驅(qū)使水流運(yùn)動(dòng)，代替本文的水泵的抽水循環(huán)，高含沙水流可自動(dòng)排至壩下游。系統(tǒng)中穩(wěn)定循環(huán)的含沙水流與水庫(kù)中近底運(yùn)動(dòng)的含沙水流相似，表明本系統(tǒng)在水庫(kù)應(yīng)用中亦能排出高含沙水流。

由圖像提取的三維點(diǎn)云生成原始地形，Br01組試驗(yàn)結(jié)束后形成的地形見圖7（a），進(jìn)口管編號(hào)從左上到右下依次為A1—A8。從圖中可以清晰地看出8個(gè)進(jìn)口管形成的三維漏斗形態(tài)，形狀基本一致，說明每個(gè)進(jìn)口管的進(jìn)流均勻，沒有產(chǎn)生堵塞淤積。根據(jù)三維地形資料生成的等高線圖見圖7（b）。

圖7 Br01組次試驗(yàn)

試驗(yàn)過程含沙量測(cè)量結(jié)果表明，試驗(yàn)持續(xù)約10 min以后，含沙量已沒有大的變化，大致維持在700 kg/m3上下，說明整個(gè)系統(tǒng)已大致平衡，沖刷漏斗已基本穩(wěn)定，如圖8所示。

Br02試驗(yàn)是在Br01的基礎(chǔ)上抹平沙面后進(jìn)行的試驗(yàn)。在運(yùn)行至37 min以后，調(diào)整花管出口調(diào)流板，使高含沙水流集中流向上游A2進(jìn)水口。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，高含沙水流迅速淤積，很快堵塞A2進(jìn)口管，并在其周邊產(chǎn)生淤積，淤積形態(tài)見圖9。試驗(yàn)結(jié)果表明，如局部排沙孔周邊遭遇突發(fā)性高含沙水流，如在水庫(kù)近壩段產(chǎn)生泥石流、滑坡等形成高含沙水流，則有可能造成部分進(jìn)口管堵塞。根據(jù)系統(tǒng)含沙量觀測(cè)過程，在A2進(jìn)沙口阻塞之前，系統(tǒng)含沙量大致保持在600 kg/m3左右，A2進(jìn)口管阻塞后由于部分泥沙淤積，系統(tǒng)內(nèi)參與循環(huán)的沙量減少，含沙量明顯降低，后期約為250 kg/m3。

圖8 各組次試驗(yàn)含沙量變化過程

Br01試驗(yàn)是在水泵運(yùn)行過程中加沙，在淤積過程中形成的平衡沙面；Br02試驗(yàn)則是在平整沙面開始進(jìn)行的試驗(yàn)，是在沖沙過程中形成的平衡沙面；試驗(yàn)結(jié)果表明，在Br02組試驗(yàn)A2進(jìn)口阻塞之前，兩種工況下在系統(tǒng)中運(yùn)行的沙量（含沙量）有所差別，前者大，后者稍小一些。

Br03試驗(yàn)是重復(fù)Br02的試驗(yàn)，床面淤積形態(tài)與Br01相似，但含沙量比Br01小，見圖8。其原因一是前者為淤積平衡沙面，后者為沖刷平衡沙面；再是隨著試驗(yàn)開展，經(jīng)過兩天的時(shí)間，水槽中淤積的泥沙逐漸密實(shí)，三是水泵下游的沙面稍有淤寬，三種因素累加使運(yùn)動(dòng)水體中的沙量減小，致使含沙量降低，含沙量維持在400～500 kg/m3。

Br04試驗(yàn)在試驗(yàn)前水槽內(nèi)的沙量與前3組相同。先將沙面大致抹平后充水、啟動(dòng)水泵，從水面均勻加沙80 kg。淤積床面形態(tài)見圖10（a），等高線圖見圖10（b）。含沙量比Br03組試驗(yàn)有明顯增加（見圖8），維持在600 kg/m3上下，但仍小于Br01組的結(jié)果，這主要是由于床沙密實(shí)度差異所產(chǎn)生的結(jié)果。

在圖7—圖10淤積地形中，可以看到多個(gè)防沙罩的白色頂部，表明進(jìn)口管的運(yùn)行狀態(tài)良好。圖7中防沙罩的白色頂部出露較少是因?yàn)殚_始試驗(yàn)的沙樣中含有少量泥土，停泵后防沙罩上有一薄層淤泥。其后各組試驗(yàn)排水時(shí)排走部分泥土，停泵后保持了動(dòng)水沖淤的沙面狀態(tài)。

圖9 Br02組次試驗(yàn)的三維地形圖

圖10 Br04組次試驗(yàn)

4.2 Se組試驗(yàn)結(jié)果Se01試驗(yàn)的初始條件與Br01試驗(yàn)相同，只是進(jìn)口管按上下游順序排列。觀測(cè)表明，在試驗(yàn)開始后泥沙很快在上游端淤積，含沙量快速減小，在20 min后大致保持在100 kg/m3左右（見圖8）。圖11為淤積床面形態(tài)，在上游段有明顯的淤積，B1和B2進(jìn)口管已被堵塞，只有B3—B8進(jìn)口管保持過流，形成了一個(gè)整體的長(zhǎng)條形沖刷漏斗，最下游的B8進(jìn)口管附近沖刷最大。試驗(yàn)結(jié)果與瀾滄江大朝山水庫(kù)［7］和大渡河龍頭石水電站［8］的結(jié)論相似，均是因?yàn)殡x出口的距離越遠(yuǎn)，進(jìn)水孔的流速越小，拉沙效果越差，并逐漸淤堵遠(yuǎn)端的進(jìn)口管。

圖11 Se01試驗(yàn)的三維地形圖

Se02試驗(yàn)條件與Se01相似，只是在運(yùn)行初始從表層再均勻加入80 kg泥沙。沙面淤積形態(tài)如圖12（a），等高線見圖12（b）。加沙以后系統(tǒng)的含沙量很難保持穩(wěn)定，大致在40～110 kg/m3之間波動(dòng)（見圖8）。盡管加入的總沙量比Se01組試驗(yàn)多，但由于泥沙在上游段只淤不沖，同時(shí)總沙量增加使泥沙更容易淤積，參與循環(huán)的泥沙進(jìn)一步減少，造成Se02試驗(yàn)含沙量總體低于Se01試驗(yàn)的含沙量，如圖8所示。試驗(yàn)觀測(cè)表明，泥沙很快在上游段淤積，最終堵塞了上游的4個(gè)進(jìn)口管，只剩下游4個(gè)進(jìn)口管能通水運(yùn)行。當(dāng)最遠(yuǎn)處的進(jìn)口管堵塞后，排沙系統(tǒng)遠(yuǎn)端的流速減小，輸沙能力降低，會(huì)進(jìn)一步堵塞鄰近的進(jìn)口管，直到靠近出口的幾個(gè)進(jìn)口管的水流具有較高的挾沙力后才不致繼續(xù)堵塞，這種工況已接近沖沙洞的模式。與之形成鮮明對(duì)比的是，在Br02的試驗(yàn)中，A2進(jìn)口管因驟淤被堵塞后，并未對(duì)相鄰進(jìn)口管（A1和A4）的正常運(yùn)行造成任何影響。

圖12 Se02試驗(yàn)

根據(jù)大渡河龍頭石水電站的試驗(yàn)結(jié)果，每一個(gè)進(jìn)口管對(duì)其上游的來流均會(huì)產(chǎn)生局部阻力，即最遠(yuǎn)的進(jìn)口管來流受到的阻力為全長(zhǎng)的沿程阻力和全部進(jìn)口管疊加的局部阻力，在4個(gè)進(jìn)口管的條件下，下游端進(jìn)口管比上游端進(jìn)口管的流量大4.7倍，其流量分配如圖13，每個(gè)進(jìn)口管所占流量比例QN與從出口開始的序列編號(hào)N的回歸公式為：

上述試驗(yàn)結(jié)果可以作為Se組次試驗(yàn)的一個(gè)例證，限于沖沙廊道沿程設(shè)置進(jìn)口管的布置方式的水力學(xué)基本特性，離出口越遠(yuǎn)，其沿程阻力和局部阻力越大，流速越低。當(dāng)管內(nèi)流速低于泥沙的起動(dòng)流速時(shí)，泥沙將在管道內(nèi)淤積，且一旦發(fā)生淤積，主管內(nèi)的流速會(huì)更小，即遠(yuǎn)端管道的淤積趨勢(shì)是不可逆的，只有達(dá)到淤積后的管內(nèi)流速大于泥沙的起動(dòng)流速時(shí)才能維持穩(wěn)定。

根據(jù)本文Se組次試驗(yàn)結(jié)果，如果長(zhǎng)期運(yùn)行，多進(jìn)口沖沙廊道的沖刷效果僅限于靠近出口局部段，有接近沖沙洞局部沖刷的趨勢(shì)，表明順序排列的多進(jìn)口沖沙廊道難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的遠(yuǎn)距離延伸排沙效果。

圖13 進(jìn)口管流量與所在位置的關(guān)系

4.3 沖刷漏斗的體積根據(jù)各組試驗(yàn)的沖刷漏斗的等高線數(shù)據(jù)可以計(jì)算得出漏斗體積與高度的關(guān)系，以防沙罩頂部為起點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果見表2及圖14（a）（受水槽寬度所限，沖刷漏斗發(fā)展到大約0.15 m高以后即與邊壁相交，其上的計(jì)算值已不能代表真實(shí)的沖刷漏斗的體積）。由圖可見，樹杈型排列的Br組沖刷漏斗均大于順序排列的Se組試驗(yàn)；在Br組次試驗(yàn)中，Br01與Br03沖刷漏斗體積最大，Br04因沙量最大而稍微偏小，Br02因堵塞了A2進(jìn)口管而沖刷漏斗體積最?。辉赟e組次試驗(yàn)中，Se01沖刷漏斗體積較大，而Se02由于沙量加大、上段淤積更多而使沖刷漏斗較小，是所有組次中沖刷漏斗體積最小的。取Br組次和Se組次試驗(yàn)的平均值，兩者沖刷漏斗體積的比值見圖14（b），可以看出，在高度0.05～0.15 m的范圍內(nèi)，Br組次試驗(yàn)的沖刷漏斗為Se組次試驗(yàn)沖刷漏斗的1.5倍。

表2 各組次沖刷漏斗體積統(tǒng) （單位：m3）

圖14 沖沙漏斗隨高度變化情況

5 結(jié)論與展望

在多沙河流上修建的水庫(kù)因大量淤積而難以發(fā)揮綜合效益，水庫(kù)減淤增容是水利工程管理的重要任務(wù)。近年來，沖沙廊道因其清淤范圍較大而受到較多關(guān)注，但現(xiàn)有沖沙廊道在各進(jìn)口的廊道為順序排列，一方面進(jìn)口局部水頭損失大，另一方面上下游廊道互相影響，廊道遠(yuǎn)端流速小于近端流速，水流經(jīng)遠(yuǎn)端入口至出口所需水頭損失遠(yuǎn)大于近端出口，造成不同部位廊道沖沙能力極不均勻，極大影響了排沙效益的發(fā)揮。

等阻力樹杈型沖沙管道是一種新型的多進(jìn)口沖沙管道的布置方案，獨(dú)特之處在于各級(jí)管道的樹杈型布置及匯流口的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)消除不同角度的方向加速度影響，確保每一個(gè)進(jìn)口管至總出口的流動(dòng)阻力相等；在入口設(shè)置倒扣鐵鍋型防沙罩，防止進(jìn)口管被淤堵。

為驗(yàn)證等阻力樹杈型沖沙管的沖沙效果，本文在水槽在進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并開展了相同試驗(yàn)條件下的傳統(tǒng)廊道多進(jìn)口順序排列的沖刷試驗(yàn)，觀測(cè)不同初始條件下系統(tǒng)運(yùn)行含沙量變化及進(jìn)沙口沖刷漏斗情況，試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）因其遠(yuǎn)端流速小、近端流速大的水力學(xué)基本特性，多進(jìn)口順序排列的沖刷廊道在運(yùn)行過程中，處于遠(yuǎn)端的進(jìn)口會(huì)依次淤堵失效，不再具備排沙功能；在全部8個(gè)出口中，最終只有4個(gè)距出口較近的進(jìn)口能正常運(yùn)行，穩(wěn)定排沙濃度約為100 kg/m3，沖刷漏斗集中位于下游出口段。

（2）等阻力樹杈型排列方式則運(yùn)行狀況良好，正常情況下8個(gè)出口均能有效排沙，未出現(xiàn)淤堵現(xiàn)象，穩(wěn)定排沙濃度可達(dá)400～700 kg/m3；當(dāng)高含沙水流集中流向某一進(jìn)沙口時(shí)，會(huì)導(dǎo)致該進(jìn)沙口的淤堵，但不會(huì)影響其他進(jìn)口管正常運(yùn)行；除被淤堵的進(jìn)口外，樹杈型排列沖沙漏斗均勻分布于各進(jìn)沙口頂端，形態(tài)相似，表明各進(jìn)沙口水沙運(yùn)動(dòng)特性相似，排沙效率相當(dāng)。

（3）等阻力樹杈型沖刷漏斗體積約為順序排列沖刷漏斗體積的1.5倍。

根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果可知，多排沙口樹杈型排列只是其中一種形式，只要遵循每個(gè)進(jìn)口管至出口的阻力相等的設(shè)計(jì)原則即可。在實(shí)際運(yùn)用中，出口排列型式可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇其他形式，如星型、多邊型、多級(jí)樹杈型等。

總之，與傳統(tǒng)沖沙廊道相比，等阻力設(shè)計(jì)的沖沙管道具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，適應(yīng)性強(qiáng)、排沙效率高等特點(diǎn)，不失為替代傳統(tǒng)沖沙廊道的有效方式，具有一定推廣和應(yīng)用前景。