中图分类号: P333; TV882. 1 文献标识码: A do:i 10.3969 / .j issn.1000-1379. 2010.11. 021
根据小浪底水库有关设计成果, 在水库后期运用阶段且长期保持40. 5亿m3 防洪库容的前提下, 按综合利用要求, 可利用10亿m3 槽库容进行调水调沙运用[1]。随着小浪底水库拦沙初期结束、拦沙后期逐步抬高库水位运用的开始, 高滩深槽逐步形成, 小浪底水库众多支流沟口的泥沙不断淤积抬高, 拦门沙坎将逐渐形成。在拦沙后期运用阶段, 采取合适的措施来降低拦门沙坎的淤积高度及其抬升速度, 始终保持支流沟口有一条贯通主流深槽与支流之间的稳定河槽, 对于充分利用支流库容、提高水库的长期有效库容、提高发电效益是十分有益的。笔者利用现有的小浪底库区模型对该问题进行了研究。
1 模型试验
1. 1 模型概况
模型平面范围自三门峡水文站断面至小浪底大坝, 原型长124.5 km, 高程范围为155~290 m, 包括库区全部支流, 小浪底水库的主要建筑物包括拦河坝、泄洪排沙系统和发电引水系统。模型水平比尺λL = 300, 垂直比尺λH = 60[2] 。
1. 2 边界条件
结合小浪底水库拦沙后期防洪减淤运用方式实体模型试验研究, 在“逐步抬高水位拦粗排细”运用方案+20 a偏枯水沙系列试验末期的地形上, 对畛水支流沟口拦门沙坎的淤积形态进行微调, 作为试验的边界条件。
1. 3 支流来水及库水位控制条件
考虑畛水支流上游来水冲刷拦门沙坎的设想, 结合畛水支流末端的实际地形边界情况, 可在支流末端或者支流的某个支汊相应的高程范围内修建一个或者数个坝高可以升降的“小型水库”或者其他型式的挡水坝。非汛期坝高随库水位的升高而抬升, 将坝体内充满水, 库水位下降时, 坝体内的水体被拦截在支流末端暂存起来, 在主汛期干流水位降至拦门沙坎以下时,泄放合适的流量形成人造洪峰冲刷拦门沙坎, 利用自然力量将拦门沙坎以溯源冲刷方式冲开, 促使支流拦门沙坎之内的蓄水下泄, 最终贯通干流与支流。
基于上述思路, 在试验过程中控制坝前水位基本稳定在250 m, 与初始支流拦门沙坎高差为8 m。“小型水库”施放流量为130 m3 /s的清水恒定流。泄流建筑物使用原则与小浪底水库拦沙后期运用方式一推荐方案相同: 出库流量小于800m3/s时, 以电站泄流为主; 出库流量为800~2 600 m3 / s时, 原则上电站泄流量占出库总泄量的70%, 其他泄流建筑物泄流量占出库总泄量的30%, 但电站过流量不小于800m3 / s、不大于1500 m3 / s; 出库流量大于2 600 m3 /s时, 电站过流量为1500m3 /s, 其他泄流建筑物使用原则为先排沙洞再孔板洞、再明流洞[ 3]。
2 试验结果
畛水上游来水为130 m3 / s的恒定流, 漫过河口拦门沙坎顶部以溢流形式汇入干流, 同时产生自河口向支流上游的溯源冲刷。由于拦门沙坎为倒比降, 因此随着溯源冲刷的后退, 溢流部位水深逐渐加大。持续施放15 h时, 原本被拦门沙坎挡在其上游无效库容中的蓄水宣泄下来, 并且下泄流量远远大于上游130 m3 /s的来流量, 此时支流停止来流。试验过程中对拦门沙坎溯源冲刷后退的速度、拦门沙坎横向冲刷变化、支流汇入干流流量变化、支流汇入干流处沟口含沙量变化等过程进行了测量。
2. 1 溯源冲刷
水库含沙水流倒灌支流, 自支流沟口沿程向上游泥沙淤积逐渐减少, 形成一个自然的淤积倒比降。随着拦门沙坎溯源冲刷的不断后退, 淤积面以上水深迅速增大, 流量相应增大。施放恒定流12 h之前比降相对较缓, 12 h之后比降变陡, 溢流水深由0.4m增大至1.9m。在干支流水位具有较大落差的前提下, 势能迅速转变为巨大的动能, 由支流拦门沙坎纵剖面随时间变化情况可知:试验开始7 h后, 过流水深加大, 流速增大, 使得拦门沙坎发生溯源冲刷, 坍塌后退速度加快; 随着拦门沙坎的后退, 水深进一步加大, 流量骤增, 拦门沙坎迅速垮塌; 试验结束时支流沟口形成的高滩深槽长1400m, 其床底深泓点高程比干流深槽床底高程略高, 最终待势能释放结束, 支流水位基本降到250 m与干流持平, 拦门沙坎与干流相通的冲沟形成, 试验进行到40 h结束。
图1为CS1断面在试验过程中不同时间的测量结果, 可以看出: 随着拦门沙坎溯源冲刷后退和流量的逐渐增大, 断面进一步展宽且伴随着垂直下切。畛水沟口拦门沙坎横向宽度为660 m, 最终在CS1断面将拦门沙坎冲开, 此时槽宽约330 m、最大深度约为17 m。
图1 CS1断面横向变化情况
2. 2 流速、流量变化
图2为支流汇入干流流速、流量随时间变化图, 从图中可知: 流速、流量的增大速率与拦门沙坎溯源冲刷后退的速率相同, 试验进行18 h以后流量增大的梯度很大, 从20 h 到25 h,流速由2 m/s增大到4.7 m / s, 流量由1 500 m3/s增大到3 800m3 /s左右; 而后随着畛水支流水位的降低, 支流水位与干流水位高差的减小, 流量逐渐减小, 直至支流水位接近250 m, 试验结束。
图2 流速、流量随时间变化情况
2. 3 含沙量变化
试验过程中在支流冲沟与干流交汇处进行了含沙量测量,图3为含沙量随时间变化图, 可以看出: 含沙量随流速、流量的增大逐渐增大, 特别是在试验进行20 h以后, 含沙量迅速增大,大约进行到25 h后含沙量达到约400 kg /m3的最大值, 进而支流溯源冲刷基本结束, 含沙量迅速衰减至0。
图3 含沙量随时间变化情况
3 结语
(1)通过模型试验研究, 认为在支流末端或者支流支汊河沟修建坝高可升降的“橡胶浮体坝”, 在高水位时将“小型水库”蓄满水, 在库水位降低到合适时机, 干流水位与其对应的支流拦门沙坎形成一定的高差时, 泄放一定的流量, 冲刷拦门沙坎, 可保持支流沟口与干流之间的贯通, 达到恢复支流库容的目的。
(2)畛水支流沟口拦门沙坎冲刷形成高滩深槽的试验结果表明, 开启洪峰冲刷拦门沙坎需要“小型水库”的库容大约为700万m3。随着拦门沙坎的后退和溢流水深的加大, 发生溯源冲刷的流速可达4. 7 m /s, 相应流量为3 800 m3 / s、含沙量增大至400 kg/m3 左右。
(3)小浪底库区其他支流如大峪河、石井河、西阳河、东洋河等, 均具备修建“小型水库”的条件。
(4)若在拦沙后期运用的每年进行一次相机冲刷, 其冲刷效果会更好, 对增大调水调沙槽库容、提高水库综合运用的经济效益和社会效益非常有益。
参考文献:
[1] 李景宗. 黄河小浪底水利枢纽规划设计丛书——工程规划[M] . 北京: 中国水利水电出版社, 2006.
[2] 张俊华, 王国栋, 陈书奎, 等. 小浪底水库模型试验研究报告[R]. 郑州: 黄河水利科学研究院, 1999.
[3] 安新代, 李世滢, 刘继祥, 等. 小浪底水库初期运用方式研究报告[R]. 郑州: 黄河勘测规划设计有限公司, 1999.
作者简介: 陈书奎(1952——), 男, 山东冠县人, 高级工程师, 研究方向为水库泥沙。
