中图分类号：TV135 文献标识码：A 文章编号：0559-9350（2011）01-0056-05
Effect of submerged sediment diversion structure in two-outlet channel
DONG Xian-yong1，3，DONG NIan-hu2，4，CAO Wen-hong1，FANG Chun-ming1
Abstract：Through physical model experiments of double-outlet waterway of low water structure， according to practical works demand，silt separation effect of silt training works in different types and scale on double-outlet waterway is researched. The result indicates both the circular-arc or linear silt-training submerged dam constructed in UPStream of the outlet section and desilting sluice set up in the outlet can influence the silt separation effect，the silt separation rate is direct proportional to length and height of silt-training submerged dam and number of desilting sluice. Silt separation effect of circular-arc submerged dam is better than that of linear dam，changes of length and height of submerged dam influence the increase speed of silt separation rate. When the desilting sluice increases to a certain number，the increase speed of silt separation rate is small，the increase of silt separation rate is not significant.
Key words：Sediment control dam；Desilting sluice；Flow ratio；Sediment ratio；Low water structure
1 引言
在多沙河流上修建水利枢纽， 其排沙效果直接影响枢纽工程的防洪运用。单出口水利枢纽工程，在我国大中小河流上为数众多，是水利科技工作者常研究的课题之一，且研究成果目前比较多［1-5］。而对于多出口的水利枢纽，由于来流和出流河道及边界条件的差异以及枢纽控制运用的不同，因而其分水分沙比较复杂，必须结合其具体的条件进行研究。有关双出口及多出口水道的分水分沙研究［6-9］表明，其分水分沙与天然条件的来水来沙和河道地形边界条件有关，同时还与不同的导流导沙工程措施［10］等有关。
本文结合沭河大官庄低水头水利枢纽，研究了不同型式和尺度的导沙工程对双出口水道的分沙效果。所研究的双出口水道枢纽平面布置如图1所示。在两条出流河流上，出流1河道宽度80m，设置8孔节制闸，每孔宽度10m，闸底板高程47.0m。出流2河宽240m，设置18孔泄洪闸，闸底板高程46.5m。由于出流2直接注入下游水库，其水道的分沙效果直接影响下游水库的使用寿命，因而要求尽可能地减少进入出流2河道的泥沙。如何利用工程措施增大泄洪河道的排沙效果是该枢纽工程控制运用设计的关键技术问题，为增大出流1分沙效果，拟采用将出流1的节制闸改建为排沙闸，并在其上游设置导沙潜坝的工程措施。因而，必须研究导沙潜坝的布置型式和尺度以及排沙闸的数量对分沙效果的影响，为该工程的控制运用方案提供科学依据。
图1 枢纽平面布置
2 试验方案
研究通过模型试验进行，参考相关模型设计准则［11］，采用1∶100的正态模型,模型流量比尺λQ =10 000，流速比尺λv =10，模型沙选用河南密县精煤加工而成，根据模型沙的水力特性研究成果［12］，确定了悬沙粒径比尺λd =1.715，床沙粒径比尺λD =15.9，悬沙含沙量比尺λs =0.529，床沙输沙率比尺λp =529。来流和出流均采用直角量水堰控制及量测。原型悬沙和床沙中值粒径分别为0.0 245mm和0.5mm。输沙率采用特制的光电热感应测沙仪量测，分流比和分沙比均按全断面计算。
为研究不同型式和尺度导沙工程对双出口水道的分沙效果，开展以下3种方案的分沙效果试验研究。
方案一：圆弧型和直线型导沙潜坝分沙效果。
方案二：导沙潜坝长度和高度变化对分沙比的影响。
方案三：排沙闸数量对分沙比的影响。
上述3种方案在相应具体试验条件下的试验成果分述如下。
3 圆弧型和直线型导沙潜坝分沙效果
考虑出流2的分洪要求，导沙潜坝高度设计为0.6m，其上端位于左岸A 点，下端B 点设置在出流1控制断面上游150m处，分别研究从A 至B 布设圆弧型和直线型导沙潜坝时其分沙效果。导沙潜坝的位置选择主要是考虑要让导沙潜坝把底部含沙量较大的水流导向出流1，因此B 点位于出流1左边线延长线附近。圆弧型布设时其设计半径450m，对应中心角50°（见图1）。为达到较佳的分沙效果，同时在出流1的节制闸右岸2孔布设排沙闸。在上述条件下对比研究了圆弧型和直线型导沙潜坝，在分流比一定时来流流量与分沙比关系，在来流流量一定时分流比与分沙比的关系。分流比定义为Q1/Q2，代表出流1和出流2过流断面的总流量比值，分沙比定义为G1/G2，代表出流1和出流2过流断面的床沙和悬沙之和，下同。
3.1 圆弧型和直线型导沙潜坝来流流量与分沙比关系对比
上游来流为1 500~8 500m3/s，控制来流含沙量50kg/m3，分流比Q1/Q2 =0.5。试验结果见图2。可以看出：
图2 来流流量与分沙比关系
（1）圆弧型和直线型导沙潜坝均反映出, 在分流比一定时当来流量小于4 500m3/s时，分沙比G1/G2随来流流量的增大而减少，当来流流量大于4 500m3/s时，分沙比G1/G2趋近于一个常数而不随来流流量的改变而变化。
出现这种现象的原因应与含沙量的垂线分布有关。导沙潜坝是把底部含沙量相对较大的水流导向出流口1，当流量越小时，含沙量垂线分布越不均匀，底部含沙量相对越大，因而分沙比G1/G2 随来流流量的增大而减少。当来流流量大于4 500m3/s后，含沙量的垂线分布已较均匀，流量的进一步增大后垂线分布变化不大，因而表现为分沙比G1/G2 趋近于一个常数，而不随来流流量的改变而变化。
（2）分流比一定时，圆弧型导沙潜坝的分沙效果优于直线型导沙潜坝。
出现这种现象的原因应与导沙潜坝使底部含沙量较大的水流运动方向改变程度不同有关。圆弧型导沙潜坝使底部水流运动方向改变较多，运动方向直指向出口1。而直线型导沙潜坝使底部水流运动方向改变少些，运动方向与出口1方向有所偏离。因而，分流比一定时，圆弧型导沙潜坝的分沙效果优于直线型导沙潜坝。
3.2 圆弧型和直线型导沙潜坝分流比与分沙比关系对比
上游来流流量7 600m3/s（50年一遇设计洪水），控制来流含沙量50kg/m3，试验结果见图3。分流比与分沙比具有如下变化性质和关系：
图3 分流比与分沙比关系
（1）圆弧型和直线型导沙潜坝均反映出, 在来流量一定时分沙比随分流比的增加而增大， 且分沙比大于分流比，说明两种型式的导沙潜坝均可不同程度增大分沙效果；
（2）上游来流流量一定时，相同分流比条件下圆弧型导沙潜坝的分沙比大于直线型导沙潜坝；
（3）通过分析得出圆弧型和直线型导沙潜坝的分流比与
分沙比具有如下关系：
圆弧型导沙潜坝：G1/G2=1.23（Q1/Q2）
直线型导沙潜坝：G1/G2=1.08（Q1/Q2）
上述试验结果进一步表明，相对于直线型导沙潜坝，圆弧型导沙潜坝在各分流比下都更能增大出流1的分沙效果。
4 导沙潜坝长度及高度变化对分沙比的影响
上述研究说明圆弧型导沙潜坝的分沙效果优于直线型导沙潜坝，针对圆弧型导沙潜坝，进一步研究了当其长度和高度变化时，其分沙效果的相应变化。
4.1 导沙潜坝长度变化对分沙比的影响
将方案1圆弧型导沙潜坝的长度L0定为潜坝的最大长度（潜坝圆弧半径450m，L0对应的中心角为50度），当潜坝的长度L 变化时，定义L/L0为潜坝变化的相对长度，试验条件为：潜坝高度0.6m,上游来流为定常流，分流比Q1/Q2=0.5，出流1节制闸右岸2孔布设排沙闸。上游来流定常流量Q 按一般年份和特殊年份两种情况选取，分别选取Q=2 100m3/s和Q=4 250m3/s，其中Q=2 100m3/s为一般年份汛期洪峰平均流量，Q =4 250m3/s为1950年以来实际发生的洪峰最大流量。
试验结果见图4，可以看出：（1）分沙比G1/G2 随潜坝相对长度L/L0 的增大而增大；（2）在相同L/L0 条件下，分沙比G1/G2 随上游来流流量Q 的增大而减小；（3）当潜坝相对长度L/L0 在0.5＜ L/L0＜ 0.75范围时，随着L/L0 的增大分沙比G1/G2的增大速率较大，其它范围分沙比G1/G2的增大速率则较小。
上述试验结果表明，增大导沙潜坝的长度可以有效增大出流1的分沙效果。其原因是，增大导沙潜坝长度后，使底部含沙量相对较高水流更接近导向出流1，从而增大出流1的分沙效果。但也可以看出，导沙潜坝的长度增大到一定长度后其分沙比例增大已不明显，潜坝相对长度L/L0取值在0.75以上都相对较优。
图4 分沙比G1/G2与潜坝相对长度L/L0关系图
4.2 导沙潜坝高度变化对分沙比的影响
为了弄清导流潜坝不同高度对分沙效果的影响，对导流潜坝高度与分沙效果的关系进行了试验，试验条件为：上游总来流流量分别为4 000m3/s、5 000m3/s 和8 500m3/s，控制来流含沙量50kg/m3， 控制出流分流比Q1/Q2=0.43，导流潜坝高度分别取0.6m、0.9m、1.2m、1.5m和1.8m五种高度。导流潜坝高度与分沙比关系见图5。
图5 导流潜坝不同高度与分沙比关系图
由图5可以看出，在总来流流量小于8 500m3/s，分沙比随着导流潜坝高度的增加而增大。同时还可以看出，在同一导沙潜坝高度情况下，上游总来流流量与分沙比成反比关系，即来流流量愈小，分沙比愈大，来流流量愈大，分沙比愈小。因此，在总来流流量小于8 500m3/s时，从分沙的效果来看导流潜坝高度宜较高。但当来流流量达到8 500m3/s时，导流潜坝的高度对分沙比则几乎没有影响。
上述试验说明，增加导流潜坝高度和长度都能增加分沙比。但为了保证出流2的分流量，控制工程规模，导流潜坝高度和长度受到限制。实际工程设计时，在保证出流2的分流量的前提下，综合考虑导流潜坝高度和长度对分沙比的影响，通过两者优化组合，确定导沙潜坝的最佳高度和长度。
5 排沙闸数量对分沙比的影响
上述对分沙效果的研究是在设置导沙潜坝并且在出流1同时设置2个排沙闸的情况开展的。排沙闸由原节制闸改建而成，闸孔宽度不变仍为10m，底高程由47m降低1m至46m。当在出流1增多排沙闸数量时，其分沙比G1/G2 如何变化，是工程优化设计关心和考虑的重要问题。为此相应开展了排沙闸数量与分水分沙的关系试验。试验条件为：圆弧型导沙潜坝的长度L=L0，潜坝高度0.6m，上游来流定常流量取Q=2 100m3/s和Q=4 250m3/s，分流比Q1/Q2=0.5。
试验结果见图6，可以看出：（1）分沙比G1/G2 与排沙闸数量成正比关系；（2）在相同排沙闸数量条件下，分沙比G1/G2 随上游来流流量Q 的增大而减小；（3）当排沙闸数量n<5时，随着n 的增加分沙比G1/G2 的增大速率较大，n>5时，相应分沙比G1/G2 的增大速率缓慢。说明排沙闸数量达到5时，其排沙效率基本达到最高值。排沙闸数量继续增加时，分沙比的增大效果不明显。
图6 分沙比G1/G2与排沙闸数量n 关系图
上述试验结果表明，增加排沙闸数量可增大出流2的分沙效果，排沙闸数量的增大，加大了断面过流面积，增大了泥沙的输沙率。但当排沙闸增加到一定数量时，分沙比的增大效果并不明显增大，其原因是弯道推移质运动向凸岸偏移，而排沙闸数量的增加是向凹岸方向增加的。因而设计排沙闸数量时，应综合工程成本与排沙效果的关系，使得工程的综合排沙效果达到相对最佳状态。
6 结语
通过对上述特定双出口水利枢纽和试验条件下的试验成果，得出结论如下：
圆弧型和直线型导沙潜坝，均可不同程度增大分沙效果，圆弧型导沙潜坝的分沙效果优于直线型导沙潜坝。
上游来流流量小于4500m3/s 时，分沙比随来流流量的增大而减少，当来流流量大于4 500m3/s时，分沙比趋近于一个常数而不随总来流流量的改变而变化。
导沙潜坝的长度和高度直接影响导沙效果。潜坝相对长度在0.5＜L/L0＜0.75范围时，其分沙比的增大速率较大；导沙潜坝高度与分沙比成反比关系，当来流流量达到8 500m3/s时，导沙潜坝的高度对分沙比则几乎没有影响。
分沙比与排沙闸数量成正比关系，当排沙闸数量达到5时，其排沙效率基本达到最高值。排沙闸数量继续增加时，分沙比的增长速率较小，分沙比的增大效果不明显。
实际工程设计时，应全面考虑分沙效果和工程投资的关系，使工程达到相对最佳的综合效益。
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作者简介：董先勇（1977-），男，山东人，高级工程师，主要从事水电工程水文泥沙管理与研究工作。
