呼圖壁河渠首工程水庫泄空沖沙研究

2024年3月6日發(作者：太倉博物館)

第39卷第5期2017年5月人民黃河YELLOW

RIVERV〇1.39 ,No.5May,2017【水文泥沙】呼圖壁河渠首工程水庫泄空沖沙研究申增云、侍克斌2,康鋒1(1.河南省豫北水利勘測設計院，河南安陽455000;2.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊830052)摘要:對于多沙河流上水庫的排沙方法，前人已有較多研究，但通過模型試驗來模擬水庫高淤積后的排沙研究較少。

通過水工動床模型試驗，對呼圖壁河渠首擬建水庫高淤積狀態下的泄空沖沙進行了研究，根據沖淤前后的斷面變化情

況，對泄空沖沙過程中的溯源沖刷和沿程沖刷進行了分析，找出了泄空沖沙的規律及運用原則。通過對泥沙沖淤的數值

分析，建立了溯源沖沙的概化圖形，推導出了一套適合該水庫的泄空沖沙公式。經驗證，建立的泄空沖沙公式可以用于

呼圖壁河渠首工程水庫排沙形態預測及排沙量的估算。關鍵詞：模型試驗；溯源沖刷；泄空沖沙；渠首工程；呼圖壁河中圖分類號：TV145

文獻標志碼：A doi:10.3969/.1000-1379.2017.05.006Study on Rervoir Empty-Relea Flushing in Headwork of Hutubi RiverSHEN Zeng^^un1，SHI Kebin2，KANG Feng1( Conr^^ancy Sur^^ey^ and Design Institute of North Henan，Anyang 455000，China；ute of Water Conrvancy and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，China)Abstract

：

For diment river predecessors make a lot of studies on diment delivery method in rervoir，but it is ldom studied on di-ment deliver^^ in highly deposited rer^^oir by model test. The study of empty-relea flushing in high deposition state of the propod rer^^oir

in headwork of Hutubi River was implemented through hydraulic movable bed model test. According to the diment variations before and

after the flushing，the rules and principles of empty-relea flushing were found out by analy^zing the retrogressive and on-way erosion in the

process of empty-relea flushing. The general graphs of retrogressive erosion "were established and a t of formulas of empty-relea flushing

which suited for the ren，oir were deduced by longitudinal numerical analysis of diment deposition. The results show that the empty-relea

flushing fomiulas can be ud to predict rervoir diment morphology and estimate diment in headwork of Hutubi

words：

model test；

retrogressive erosion；

empty-relea flushing；

headwork；

Hutubi River多沙河流上水庫建成后都存在泥沙淤積嚴重的問

題。為了延長水庫使用壽命,使水庫充分發揮作用，根

據水庫不同的淤沙類型采取了不同的排沙方法。例

如:對于大型水庫,采取控制汛期防洪限制水位的方法

進行排沙調度，控制水庫有效庫容的年損失率[|];對

于高淤積水庫,采取泄空沖刷等方法，選好泄空時機,

分階段降低水位，通過控制出流量來控制排沙[2];對

于地形陡峭的庫區，在回水末端修建攔沙堰阻止泥沙

淤積上延，采取滯洪排沙、調水調沙運用方式來減少淤

積[3];對于入庫水流含沙量較高的水庫，采用異重流

排沙，在馮家山水庫取得了良好的排沙效果[4];對于

水庫橫向淤積較多的水庫，采用高渠泄水沖灘及管道

拉淤水庫橫向沖蝕技術[5]。本文通過模型試驗研究呼圖壁河青年渠首水庫建

成后泄空沖沙的效果，以期更直觀地反映水庫建設的

可行性，避免水庫建設的盲目性，為水庫排沙提供新

思路。收稿日期=2016-05-05基金項目：新疆維吾爾自治區水利水電工程重點學科資助項

目（XJZDXK-2002-10-05)。作者簡介：申增云（1966—)，男，河南林州人，高級工程師，研

究方向為水利水電工程設計及施工。E-mail

：shzy1966@ 1工程概況呼圖壁河發源于天山北坡,是一條順坡發育的多

沙山溪性河流，多年平均徑流量為2.39億m3,多年平

均輸沙量為87.8萬t[6]。呼圖壁河青年渠首年久失

修，渠首下游段泥沙淤積比較嚴重，已經不能滿足正常

的引水、灌溉要求，因此擬建呼圖壁河青年干渠渠首樞

紐工程。該工程由上壩和下壩兩套建筑物體系組成,

其中上壩體系由上壩、泄洪沖沙閘和溢流堰組成，下壩

體系由下壩、下壩沖沙閘和進水閘組成。上壩體系與

河道左岸高地形成外庫，下壩體系與上壩河道右岸形

成內庫[7]。泄洪沖沙閘用來攔截推移質和部分懸移? 21 ?

人民黃河2017年第5期質泥沙并將其排到下游。泄洪沖沙閘上游右岸修建溢

流堰，通過溢流堰將清水引入內庫，沉積部分懸移質泥

沙，再通過引水渠進行引水、灌溉。泄洪沖沙閘閘底板高程為762.00

m，孔口單寬為

6m，共6孔（從左岸向右岸編號依次為1?6號孔）。

粗，因此經比較和選配，推移質模型沙中值粒徑心0 =

0.32?0.53

mm，即推移質粒徑比尺A, = 85;懸移質模

型沙中值粒徑40 = 0.006 3?0.014 4

mm，即懸移質粒

徑比尺A'= 3.2。根據模型沙中值粒徑范圍，推移質采

用中細沙作為模型沙，懸移質采用粉土和沙漠細沙作

為模型沙。在模型沙選擇過程中，已經考慮到泥沙起

動相似、河床阻力相似、河床變形相似、泥沙沉降相似

等有關泥沙的相似條件。根據錢寧動床模型相似公式

可知，阻力比尺A? =

A” =

2.1，泥沙沉速比尺Aw =

A。=

9.22,懸移質含沙量比尺As = 1。泥沙沉降相似采用靜

溢流堰堰頂高程為778.45

m，設計堰上水頭為1

m，過

水寬度為45

m，設計流量為95

m3/s。2模型試驗2.1模型試驗理論基礎模型設計所依據的相似條件包括水流重力相似、

阻力相似、挾沙力相似、泥沙懸移相似、河床變形相似、

泥沙起動及揚動相似[8]。同時，為了確保模型試驗的

準確性，應使模型與原型之間具有幾何相似、運動相似

和動力相似，模型和原型的初始條件和邊界條件也應

保持相似。2.2模型試驗方法為了驗證水庫建設的可行性，對規劃中的水庫系

統進行了動床模型試驗，模型采用正態模型。首先，根

據選定模型比尺（比尺=原型尺寸/模型尺寸）制作河

工模型;其次，布設測量流量、水位、地形等的儀器測試

系統;接著，用已有資料驗證模型水流是否與原型相

似;然后，通過試驗選定模型沙，根據河工模型相似準

則確定動床各比尺，并驗證各比尺的合理性;最后，對

水庫高淤積狀況進行水庫泄空沖沙模型試驗。模型試驗按照《河工模型試驗規程》（SL99—

2012)[9]進行，流量的測量采用三角形量水堰，流速測

量采用LGY-H型智能流速儀，水位的測量采用水準

2儀和鋼板尺。.3模型比尺及模型沙的選定本次試驗中模型的長度比尺心=85、垂向比尺

= 85，根據該段實測資料，按比尺關系對該河段進行

模型布置，保持模型與原型之間的幾何相似。同時，要

保持水流運動相似，需滿足弗勞德數相等，根據重力相

似準則導出各比尺關系[9] :

A。=

Af，A〃 =

Af，A盧

Af。由A，85可知，流量比尺A^66 611，流速比尺

A^9.22,時間比尺

A，9.22。動床泥沙模型試驗中模型沙的選擇十分重要，呼

圖壁河渠首段實測推移質泥沙中值粒徑心〇 = 27.1?

45.0

mm，懸移質泥沙中值粒徑40 = 0.020?0.046

mm。

《河工模型試驗規程》（SL99—2012)中規定推移質動

床模型的模型沙可選用天然沙或輕質沙，懸移質動床

模型的模型沙應采用輕質沙。由于該河段泥沙顆粒較

?

22 ?水沉速測定，用實驗室專用玻璃沉降管對單顆粒模型

沙沉速進行測定，與實際沉速進行比較后確定沉降

2比尺。.4模型合理性驗證按照泥沙模型試驗的要求，筆者驗證了模型與原

型相似比尺的正確性，按原形河流以往地形資料制作

模型，然后根據原形河流的水文泥沙資料，按照要求的

各種模型比尺在模型內復演，經歷一段時間后測定模

型地形，結果與實測地形基本相似。這證明了所選模

型沙及各比尺關系合理，可滿足試驗要求。3泄空沖沙試驗3.1泄空沖沙試驗布置根據呼圖壁河來水挾沙情況以及以往的淤積狀

況，模擬出規劃水庫運行多年后的淤沙情況，并對其高

淤積情況進行多種排沙方案的模型試驗。根據泥沙運

動理論以及運行多年后泥沙淤積情況分析，懸移質泥

沙一般淤積在沖沙閘進口段，推移質一般淤積在河道

上游段。離沖沙閘較近段按照懸移質與推移質的質量

比為1 :

3進行配比鋪沙，且懸移質鋪于推移質上;離

沖沙閘較遠段按照懸移質與推移質的質量比為1 :

7

進行配比鋪沙，懸移質與推移質混合后鋪沙。模型布置按規劃水庫進行布置，外庫順水流方向

每隔1

m設置一個特征斷面，外庫上游段共劃分9個

斷面。水庫模型布置見圖1。

人民黃河2017年第5期在進行泄空沖沙試驗前，先模擬水庫運行多年后

的淤積情況，將外庫按地形鋪設至高程778

m，模擬高

淤積情況。為了更精確地模擬泥沙淤積狀況，進行了

80、100、120

m3/S三次年流量的沖沙過程試驗。另夕卜，

還模擬了一次30

a —遇洪水（洪峰流量524

m3/S)的

洪水過程，由人工撒沙來模擬洪水期水流挾沙進庫的

情況，以更精確地模擬泥沙在河床上的動態變化過程，

使泥沙淤積更具隨機性和真實性。從泥沙淤積多年后

770

769

768

767

置m/圖4

D7斷面沖淤情況的模擬情況來看，不僅外庫庫容大幅減小，而且淤沙已

將沖沙閘大部分淤死。這種高淤積狀態不僅影響到閘

3門的開啟，.2而且對內庫引低含沙量水不利。泄空沖沙試驗分析在外庫高淤積狀態下，米用80

m3/s流量（1

a 一

遇洪峰流量）進行泄空沖沙試驗，先將六孔閘門全部

打開，當外庫泄空至水位高于河底1

m左右時，僅開啟1、2、3號閘門進行泄空沖沙。此時，水流在閘門進口

前緣產生強烈的沖刷，并隨著水位下降產生溯源沖刷。

水位降到淤積面以下越多，溯源沖刷強度越大，向上游

發展的速度越快，沖刷末端發展得越遠。經過一段時

間的泄空沖刷后，僅開啟4、5、6號閘門進行泄空沖沙，

通過不斷變換開啟的閘門，使得閘門前形成多個溯源

沖刷基點。從沖刷基點開始，沖刷呈扇狀輻射形式向

上游發展，通過這種泄空沖沙方式可將沖沙閘前大量

泥沙排出庫外。圖2?圖5為泄空沖刷試驗前后橫斷

面沖淤情況，圖中橫坐標代表距離上壩中心線的模型

距離，縱坐標代表泥沙實際沖淤高程。s/f7641------■-------■------------------------------------0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0距離/m圖5

D8斷面沖淤情況從圖2至圖5淤積橫斷面線可以看出，泥沙淤積

形態基本符合“淤積一大片，沖刷一條線”的特點。圖

4和圖5中虛線部分為D7和D8的淤積橫斷面，可知

泥沙在橫斷面上分布較為均勻，橫斷面上不存在明顯

的灘槽。圖2和圖3中虛線部分為D3和D5斷面的

淤積橫斷面，可知D3斷面在距離2.2、2.6

m處有明顯

的沖刷槽，這是1

a—遇流量所產生的沿程沖刷造成

的深槽，這就是所謂的“沖刷一條線”，從而形成有灘

有槽的復式橫斷面。另外，從圖2可知，距離壩軸線

1.6

m范圍內有一段較高的淤積面，根據試驗觀察，此

段形成了抗沖性能較強的黏土層且淤積高程較高。小

流量時水流繞開此段下行，造成D3斷面左岸有明顯

的沖坑;大流量時漫灘于此段的水流水面較寬且流速

小于此段的沖刷流速，最終造成外庫泥沙淤積量不斷

增大，庫容不斷減小。同時，從圖2和圖3可以看出，泄空沖沙試驗后外

庫上游段形成了沿程沖刷比較明顯的凹槽。由圖4和

圖5可以看出，外庫下游段強烈的溯源沖刷作用使得

泥沙淤積厚度降低了 4?5

m，大量泥沙被帶出水庫。

由于溯源沖刷向上發展及外庫上游段沿程沖刷的相互

作用，因此上游段淤積泥沙不斷發生滑塌和崩塌，最終

使難以恢復的較強黏土層也大幅度減少。而且，根據

泄空沖沙試驗時對流速的測定，發現流速從模型上游

端至閘前逐漸增大，由上游端的1.70

m/S增大至閘前

的4.35

m/S，流速的驟然增大造成閘前大量泥沙快速

起動，從而產生了強烈的溯源沖刷。?23.

人民黃河2017年第5期泄空沖沙技術不僅使外庫上游段難以恢復的庫容

得以恢復，而且帶出了大量的沉積泥沙。通過這次泄

空沖沙試驗，換算后實際9.22

h排沙量達到4.91萬t，

取得了良好的沖沙效果，為該水庫建設的可行性提供

了理論依據。多項式形式，而泄空沖沙后的斷面符合冪函數形式。

在韓其為[10]把水庫溯源沖刷概化圖形假設為二次拋

物線的基礎上，根據水工模型試驗縱剖面實際擬合情

況，將溯源沖刷概化為圖8所示的形式。3.3泄空沖沙公式確定為了更直觀地了解整個泄空沖沙過程，選擇水庫

中間的兩個典型縱斷面進行分析，見圖6、圖7，圖上橫

向距離為模型距離，對應平面圖上的橫斷面號，縱坐標

代表泥沙實際沖淤高程。780[778:、、23456789

圖6 1.0

m處縱斷面沖淤情況7777778(777!77(7^77:6(,6:6(A^

123456789橫斷面號圖7 1.6

m處縱斷面沖淤情況由圖6可知:泄空沖沙時水位不斷下降，沖刷呈層

狀從淤積面向深層和上游發展。采用計算機軟件對泥

沙淤積（沖淤)縱斷面曲線進行數值擬合，得出擬合公

式為y = -0.103x2 +0? 09x+775.87 (1)當前期淤積有壓密的抗沖性能較強的黏土層時，

則在沖刷發展過程中庫區床面常形成局部跌水。泥沙

沖刷后縱斷面曲線與冪指數函數擬合較好，擬合公

式為y = 778.92x-0

008 ( 2)圖7為模型上距離上壩軸線1.6

m處縱斷面的沖

淤變化曲線。泥沙淤積曲線的擬合公式為y = 0.077 3x2-2.064

6%+781.35 ⑶沖刷后縱斷面曲線與冪指數函數擬合較好，擬合

公式為y = 779. 71%-0009 (4)根據水工模型試驗擬合的淤積前后的擬合公式可

以發現，呼圖壁河渠首水庫自然淤積縱斷面符合二次

? 24 ?根據圖8,假設泄空沖沙縱斷面為二次多項式與

冪函數的形式，則可得泄空沖沙剖面線方程為A

2

A

m. 人 / 一Z_Z3

=J3 2L~

Lm-1(

J3 -^2) (5)式中:Z為高程;Z3為最終下降高程;人為沖沙前淤積

面縱坡降;J3為沖沙過程中的變化坡降;Z為沖沙長

度;L為最終沖沙長度;m為變形系數，根據試驗數據

率定，m>—0.01。泄空沖沙剖面方程在％ =

L處與淤積面相交，可得

泄空沖沙后縱剖面比降3 = 22AZ

3JJ2 -

L (6)式中:AZ3為沖沙變化高程。根據沙量平衡方程及挾沙能力公式[10]，有Y

sd

WQS

0J3 -

J2也

J

2(7)式中：W為泄空沖沙量；Ys為淤積泥沙容重，取

1.4

t/m3;Q為泄空沖沙流量;5。為入庫含沙量。由式(7 )可推導出最終的泄空沖沙量公式為AW =

Q50

J33 -

J23.4Y

sJ

2At

(8)泄空沖沙公式驗證根據呼圖壁河以往資料，渠首工程水庫發生1

a

一遇洪水（洪峰流量為80

m3/s)時的入庫含沙量為

50

kg/m3。由圖6可知，橫向1.0

m處縱向排沙出口

處下降高度為3.0

m，沖沙前、后縱向坡降分別為

0.009 8、0.018 0;由圖7可知，橫向1.6

m處縱向排沙

出口處下降高度為4.6

m，沖沙前、后縱向坡降分別為

0.013 5、0.020 0。由式（6)計算在橫向1.0、1.6

m處的

J3分別為0.014、0.018,與實際比降十分接近。淤積前

后縱向坡降取兩個斷面平均值，由式（8)計算的泄空

沖沙量為5.54萬t，與實際試驗沖沙量4.91萬t十分

人民黃河2017年第5期接近。因此，式（8)可以用于呼圖壁河渠首工程水庫

排沙形態預測及排沙量估算。人民黃河，2009,31(12) :31-35.4結語通過動床泥沙模型試驗對泄空沖沙進行深入研

究，更直觀地反映了泄空沖沙的規律，為進一步研究泄

空沖沙機理提供了依據。同時,通過模型試驗來研究

擬建水庫的淤積情況及沖沙措施的新思路，為建庫可

行性研究提供了依據，避免了盲目建設。通過對呼圖

壁河渠首工程水庫泄空沖沙中溯源沖沙概化圖形的研

究，建立了一套適合該水庫的泄空沖沙公式，為今后該

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