山区河流引水式电站水库泥沙淤积及电站引水防沙问题研究

'重庆交通大学硕士学位论文山区河流引水式电站水库泥沙淤积及电站引水防沙问题研究姓名：左光栋申请学位级别：硕士专业：水力学及河流动力学指导教师：张绪进;刘亚辉20090401 ABSTRACTThemountainriversofsouthwestChinaflowquickly,wherethecourseofsettinganddiffusingflowisrapid，thefloodrisessuddenlyandfallsfiercely,ShuiluoRiverisa邯icalmountainousfiveraswellasMinzhiRiver,whoseslopesaresteep，channelsarenanDw．covennglayerdeep，andriverbedslopesteep．Inthispaper,basedonShuiluoRiverZuan’genandBaoxingRiverMinzhiHydropowerStationHydraulicmodelexperimentalstudy,weusethereservoirsiltationandthedischargeofsiltruleandcombiningwithpracticalprojectseffectivlylleviateandcontrolreservoirsedimentation，andusereasonablemeasurestodischargesedimentonwaterpowerstation．Keyaimsatschemeof“usingreservoirinsteadofpond”forkeyprojectofhead、vorkofMinZhihydropowerstationofBaoxingRiver,thesandeffect，cardesonaccordingtomedesigningdepartmentdigital-analogcomputation’Sstorehousedistrictsiltationterrainandt11ebedsandcompositionshopsandlosesthesandexperiment，intheresearchofdi毹remcurrentcapacitysituation，thereservoirstorehousedistrictflushesthesandeffectincludingthereservoirwashoutlength，thewidth，thedepthandthewashloada11dsoon．UsingrelevantreserVolrsedimentresearchandsystematicanalysisoftheone．dimensionalunsteadyflowsedimentmathematicalmodel’shistoryandstatusquo，weestimatethecapacityofreservoirsedimentationprocessesanditstotalamountofsiltation．Theestablishmentofaone‘dimensionalsedimentmathematicalmodeltosimulateriversedimentationprocessinthereserv01rarea-ananalysisofreservoiroperationfor10yearsand20yearsafterthedepositionofthesituation．Therealesixchaptersinthispaper,asfollows：Chap1：Thepresentresearchsituation，amoresystematicexpositionoftheexistenceofsedimentationinthereservoirareaandresearchtheissueofthestatusquo，andonthisbasisinlightoftheactualengineeringapplicationstudyofproposedcontentofthisarticle．andthemainworkofthepaperisputforward．Chap2：Providesanoverviewofhydraulicdesignandtheproductionofphysicalmodelsofthesituation，thesystemintroducedthefirstofthetwopowerstationhubdesignandmodeling，surfacemodelvalidation，theadjusteddistancebetweenroughnessandgrainsizeofpebblestothemodeltheriverwaterlinewiththeprototypeoftheriverwaterarebasically thesamelineonaprototypemodeloffiverandriverisbasicallysimilartoachieveresistancerequirements．Chap3：Providesanoverviewofpowerplantwaterintakemeasuresusedsandonsituationofbasinsedimentyieldonarrangementofpowerplantwaterintakeandanalysisofsandconditions，andtypicalwaterandsedimentinprocessofgeneralization．Chap4：Introducedbypeopleinpowerplants“usingreservoirinsteadofpond’’programonbasisofsettlingtestscardedoutinreservoirarea,experimentsshowthatopenventinreservoiraftersandisrunninglate，whengatesbeforeriverafterdepthofdeep—hongreducedtoacertainheight，thebartopfrompartofShaChauIslandnearsurfaceelevationTopelevationbar,thehubforChinatobeopensand．Chap5：Inverificationconductedonbasisofsedimentationinreservoirarea，establishmentofaone-dimensionalmathematicalmodelofsedimem，andanalysisofreservoiroperationforlOyearsand20yearsafterdepositionofcross—section．Finally,sumsupwholepaperandfurtherresearchworkisprospected．KEYWORDS：mountainriver；diversion-typehydropowerstation；experimentalstudy；sedimentdeposition；physicalmodeling 重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：右步厶孑前1日期：2中年口月9日重庆交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并进行信息服务(包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等)，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。学位论文作者签名：在拈幸章日期：>矿tf牢q月RH指导教师签名：日期：沙尸年●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊(光盘版)电子杂志社CNKI系列数据库中全文发布，并按《中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程》规定享受相关权益。学位论文作者签名：右炒事彳，日期：2·矽年≯月夕日指剥撇：易够窘日期：坷年肇月莎日 第一章绪论1．1问题的提出及选题的意义随着我国国民经济的持续快速发展和人口的增长，人类对水资源的需求日益增加，在众多的河流上修建水利工程来调节水量、开发利用水资源，其在国民经济中的重要地位日益显现。这些工程为人们创造了防洪抗旱的有利条件，提供了可靠的供水和洁净的电能，促进了内河航运、水库渔业、水上休闲等事业的发展，其效益是十分显著和直接的。然而，这些工程，特别是大江大河上的骨干工程，改变了河流的自然形态和水文泥沙的天然过程，导致新的河床冲淤变化，水库泥沙淤积，河道萎缩，滩地、湿地与河口三角洲的消长演变，以及河流水生态系统的失衡等等。1．1．1水电站的一般开发方式水电站的开发方式一般是按集中落差的方式区分的，可分为坝式、引水式和混合式三种基本开发方式。在河流上建造拦河坝，在坝址处形成水头差以便发电，称为坝式水电站。坝式水电站一般修建在坡降较缓或流量较大的河流上，是最广泛采用的一种水能丌发方式。世界上大中河流的水能资源，普遍采用坝式开发，如巴西和巴拉圭两国合建的伊泰普水电站和委内瑞拉建成的古罩水电站，装机容量分别为1260万kW和1030万kW，均为巨型坝式水电站。坝式水电站，按厂房与坝的相对位置，可分为河床式、坝后式、坝内式、厂房顶溢流式、岸边式和地下式等。坝式水电站主要特点为：①依靠坝的高度取得水头，同时形成调节径流的水库。坝越高，水头就越大，水库调节能力也就越强，从而可以充分利用水能资源，增加枯水期保证出力；②坝式水电站具有同调节以上性能时，适宜担任电力系统的调峰、调频和事故备用等任务，可扩大装机容量，获得最佳动能效益；③坝式水电站的建筑物布置集中，有利于运行管理，但选定坝的高度，通常要考虑坝址地形、地质条件，水库淹没损失的容许程度以及工程技术的可行性和工程经济的合理性【2】；④坝式水电站由于坝高库大，具有良好的调节性能，能发挥巨大的综合效益，一般具有防洪、航运、灌溉、供水、养殖等综合利用效益。中国的三峡水电站就是典型的“高坝大库”，装机容量达1820万kW。首先，仅防洪一项，就呵使中游堤防防洪水平由10年一遇提高到100年一遇，若遇到千年一遇洪水，配合其他分洪工程，可降低下游超过12万km2的7000多万人口的洪水淹没损失；其次，年发电量可达800多亿kW·h，改善宜昌至重庆段的650km航道，且有利于南水北凋工程的实施，效果十分显著。 2第一章绪论在河道坡降较大的地段，可修建低坝引水，或无坝引水，然后在河岸上建造坡度较缓的人工水道，将水引到水位较低的下游，建造电站厂房发电，这种主要靠引水道集中水头的电站叫作引水式电站。引水式电站有两大类型，一种是无压引水式水电站，即引水道是明渠或无压隧洞，其上有水位一般比较固定，否则就会损失一些水头，北京京郊的模式口电站就是典型的无压引水式水电站。另一种叫有压引水式水电站，即用压力隧洞或压力管道来引水，其可适应上游水位有一定变化范围的情况，尤其适合于跨流域引水式发电和截弯引水发电。引水式电站一般造价较低，施工难度较小，工期短。由于引水式电站没有大的水坝，调节性能较差，多半是径流是电站，即来多少水发多少电。移民淹没搬迁的工作量较小，但泥沙问题通常比较严重，河道坡降越陡，引水道越长，河段越是蜿蜒曲折，集中的落差也就越大。引水式水电站集中的水头相对较高，比如意大利劳累斯引水式水电站的水龙头高达2030m，我国广西天湖引水式水电站的水头为1064m。我国西南地区，山高坡陡，雨量丰富，是建造引水式水电站较理想的地区，一般300一-"400m的落差较易得到，很适合建立中、小型水电站。当流量不是很大，水位较固定，地形、地质条件比较适宜，或者就是利用灌溉渠道跌水，则往往可以建造无压引水式电站。当流量中等或较大时，引水道穿越山体，水库水位略有变化，或者是跨流域引水，水道要穿过分水岭，则往往适宜建造有压引水式水电站。在高山地区的中小河流上修建引水式水电站，其工程特性是：①利用河流的天然有利条件，没有必要兴建很高的坝即可获得很高的发电水头。建筑物一般由首部引水枢纽(低坝或闸坝及进水口)、沉沙池、引水渠道或隧洞、前池或调压室、高压管道及厂房、尾水明渠或隧洞等组成，其中土建工程投资占全部投资的绝大部分；②引水式水电站一般无调节或只有日、周调节水库(水池)，属径流式水电站，在有条件时在上游修建大的水库可以提高其动能效益；③发电运行条件不及坝式水电站灵活，在电力系统中适宜担任基荷，同时常受引水建筑物经济性的限制，装机容量不能过大，水能利用效率较低。由于各项建筑物布置分散，管理上也不及坝式水电站方便。世界上已建成的最大引水式水电站为1974年建成的加拿大丘吉尔瀑布水电站，装机容量合计542．8万kW，年发电量345亿kW·h，其利用哈密尔顿河上高75m的丘吉尔瀑布以及上下游急滩的集中落差，通过2．1km的隧洞取得322m的最大水头。如果水电站的一部分落差由坝集中形成，而另一部分落差则由引水道来形成，则称其为混合式水电站。混合式水电站既有莆水水库，可以凋：1j．径流，又具有引水道，可以兼顾坝式水电站和引水式水电站的优点，蓄水水库造成的移民、淹没、环保、生态等方面的问题可得到一定的缓解。混合式丌发要求比较苛刻的地形条 第一章绪论3件，河段下游段还要求较陡的河床坡降，例如有急滩或大的湾段。比如，我国云南的鲁布革水电站有一座103．8m高的土石坝，开凿了一条长9．387km的压力引水道，由于河道天然比降很大，引水道又集中了327．7m的水头(最大372．5m)，因此鲁布革水电站装机容量达60万千瓦之多【3l。1．1．2西南山区河流及泥沙特性我国西南山区河流通常河谷狭窄弯曲，两岸地质构造发育，岩石风化破碎，构成河床的床沙多为砾石、卵石挟沙物质，颗粒粗，级配分布宽。这种宽级配床沙中的一部分，在水流作用下，沿床面滑动、滚动或在近床面跃移而形成推移质，这种卵石宽级配推移质输移具有与一般沙质推移质不同的输移特性，其输沙率与水流强度、来沙特性和床沙组成之间，形成相互反馈、错综复杂的关系。天然河道中的泥沙都是非均匀沙，尤其西南山区的河道具有坡度陡、流速大、河床质级配宽的特点，床沙的最大最小粒径相差达数千倍。在这种宽级配卵石河槽中，床面粗糙不平，大小颗粒相互影响，使推移质泥沙运动与均匀沙相比具有更加复杂的物理图景。在模型试验设计中，为了进一步提高试验数据的准确性，减小试验误差，其推移质级配一般采用张绪进公式【41：％：』兰孥型L式(1．1)孝(1一砭，)∑易殇蟛j=i式中：Di一床沙中第i组泥沙的平均粒径；PDi一第i组泥沙在推移质中所占的百分比；PDi’一粒径为D的泥沙冲刷外移概率；N一床沙中可动部分泥沙的分组数；PDi”一平均粒径为Di的一组泥沙在床沙中所占百分比；孝c[Do∽‰】，其中％为床沙最小粒径，靠ax’为最大起动粒径。该公式根据西南山区河流特点，用理论推导和水槽试验相结合，并用较大量的野外实测资料进行了检验，证明与原型河道具有很好的一致性，根据工程河段实测床沙级配资料与水力要素进行计算。1．1．3选题意义本文结合水洛河钻根水电站和宝兴河民治水电站水工模型试验研究，利用水库淤积和排沙规律，并结合实际工程有效地缓解、控制水库泥沙淤积，采用合理的排沙措施进行电站引水排沙。对山区河流引水式电站的引水防沙效果进行了系统研究，并针对宝兴河民治水电站首部枢纽“以库代池”方案冲沙及沉沙效果进行分析。论文与实际工程结合紧密，具有一定的理论意义和。莺要的二I：程实用价值，为工程设计提供了科学依据。 4第一章绪论1．2水库泥沙淤积研究现状水库淤积所造成的主要问题如下：(1)使防洪库容和兴利库容减小，影响水库效益的发挥；(2)淤积向上游发展，造成上游地区的淹没和浸没以致盐碱化，带来一系列生态环境问题；(3)水库变动回水区的冲淤对航运会带来某些不利影响；(4)坝前泥沙淤积会在一定程度上影响枢纽的安全运行；(5)水库下泄清水对下游河道冲刷和变形的影响；6)附着在泥沙上的污染物对水库水质的影响等等。大约在20世纪20年代以后，由于综合利用水库大量修建，水库淤积问题逐渐显得严重。美国在20年代以后开始修建的综合利用水库总库容为5000x108m3。其中1935年以前兴建的水库中，完全淤废的占10％，损失库容3／4"-一1／2的占14％，损失库容1／2～1／4的占33％。日本河流较短，坡降较大，含沙量虽不大，但由于库容～般较小，淤积速率仍较快。据统计(1912"-"1972年)，库容大于106m3、坝高15m以上的水库265处，已平均损失库容20．63％，有5座水库已淤满。至于气候干旱、暴雨强度大、水土流失较严重的国家和地区，水库淤积尤其严重。例如，据前苏联4l座中亚地区灌溉及发电水库统计，坝高6m以下的灌溉水库，淤满年限为1～3年，坝高7"---30m的发电、灌溉水库，淤满年限为3～13年。再如，据1960年统计，阿尔及利亚的大型水库库容损失率(年淤量比总库容)约为1．2％，中型水库(库容0．1×108～O．5x108m3)库容损失率为1．8％。据1969年统计，印度大于10x108m3的水库共21座，总蓄水量为1260x108m3库容损失率平均为0．5％～1．0％，有的可达2．0％。中国水库泥沙淤积严重，全国水库因淤积总库容损失达40％。因此在多沙河流上修建大型水利枢纽工程，水库泥沙淤积问题是面临的关键技术问题，甚至决定着工程的成败。这方面的经验教训是非常深刻的。黄河干流的三门峡水库，设计时以防洪发电为主，没有认识到泥沙淤积的重要影响。水库运行两年后，泥沙在库区大量淤积，潼关高程急剧抬升，使得汇入库区的支流渭河尾闾水位不断抬高、泄水不畅，八百罩秦川遭受洪水和盐碱化的严重影响，不得不对工程进行大规模改建，增加排沙洞排沙。多年来，我幽在水库淤积方面歼展了大量的工作，取得了一系列的研究成果，并成功地提出了能在多沙河流上长期保持水库有效库容的“莆清排浑”运行模式，这些举世瞩目的成就得到了国际同行的公认。据统计，我国七大江河的年输沙量高达23亿t，特别是西北、华北地区的一些河流，含沙量非常高，甘肃祖厉河的多年平均含沙量可达600kg／m3，实际测到的最大含沙量可达l600kg／m3左右。即使是长江，含沙量虽然不算高，仅0．54kg／m3，但由于水量丰沛，年沙量也近5亿t⋯。在河流-卜修建水库后，由于 第一章绪论5水位抬高，流速减小，必然造成泥沙在水库中的淤积。到1972年为止，全国己建成坝高在15m以上的水库12517座。初期运行时，由于缺乏经验，造成水库的严重淤积。山西省43座大、中型水库的总库容22．3亿m3，到1974年已损失31．5％，即7亿m3，平均每年损失0．5亿m3【13~15】。陕西省全省库容大于100万m3的水库192座，总库容15亿1113，到1973年已损失31．6％，即4．7亿ln3，其中1970年以前建成的120座水库库容已损失53．3％，有43座水库完全被泥沙淤满【161。1990～1992年黄河流域进行了一次全流域的水库泥沙淤积调查。至1989年全流域共有小(I)型以上水库601座，总库容522．5亿m3，已淤损库容109．0亿m3，占总库容的21％；其中干流水库淤积79．9亿m3，占其总库容的19％；支流水库淤积29．1亿m3，占其总库容的26％117J。据1992年的调查资料，长江上游地区共建水库11931座，总库容约205亿m3。其中大型水库13座，总库容97．5亿m3。水库年淤积量约为1．4亿m3，年淤积率约O．68％，其中，大型水库年淤积率为0．65％。对水库淤积的有关问题进行深入研究是摆在泥沙工作者面前的非常重要的课题。多年来，我国在水库淤积方面开展了大量的工作，取得了一系列的研究成果，摸索出了一套使水库淤积大大减缓，甚至不再淤积的行之有效的运行模式，即“蓄清排浑”。其中较典型的有对闹德海、红领巾、黑松林、直峪、恒山等水库的研究。这些多为中小型灌溉水库，有颇为有利的排沙条件，坡陡，库短，有时允许泄空，甚至坝fj{『水位完全不壅高。与此同时，从理论上研究大型水库的淤积控制也在一些研究者中间展开。大型水库的特点是库长、坡缓而且常年蓄水。正是因为常年抬高侵蚀基面而导致水库的坡度减缓。这些不利排沙的因素，限制了中小型灌溉水库排沙经验的照搬。从20世纪60年代开始，唐日长、林一山根据闹德海水库和黑松林水库的成功经验，提出了水库长期使用的设想和概念，在三门峡水库1973年改建完成前的1964"--"1966年，就预见了它能做到水库的长期使用，并且认为如果水库建在峡谷中(八里胡同坝址)，长期使用的指标更为优越。后来韩其为进一步从理论上阐述了水库长期使用的原理和根据，并给出了保留库容的计算方法。与此同时，一些单位也开始对三门峡水库保持有效库容的问题进行了探索。三门峡水库改建并运行成功，从实践上证实了大型水库长期使用的可能性。黄河上的一些大型水库如青铜峡、三盛公等，在采取这种运行方式后水库淤积也得到了控制。至此在我困泥沙界，对水库的长期使用，无论在理沦上或实践上均获得了共识。在坝区船I、甲J和引航道的淤积和水流条件控制方面，张瑞瑾等提出了“静水过船，动水冲沙”的原则，通过在上、下游修建隔堤分丌引航道与排沙泄洪道来实现。 6第一章绪论这项措施己在葛洲坝水库运用，三峡水库已予仿效。对坝前的引水防沙和排沙设施，除排泄异重流排沙底孑L#I-，还进行了坝前漏斗尺寸及排沙涡管等研究。在野外观测、资料分析以及水库淤积和下游河道变形理论研究的基础之上，我国工程泥沙研究也取得了很大进展。特别是举世瞩目的三峡水利枢纽工程和小浪底水利枢纽工程的水库淤积与下游长江和黄河的冲刷研究成果，集中表现了我国解决水库与下游河道工程泥沙问题的成就和先进水平。1．3本文的研究方法及内容1．3．1研究方法本文作者依据收集的原型资料，进行理论分析，采用物理模型试验与一维泥沙数学模型相结合的研究手段，通过研究主要解决：山区引水式电站取水口取水防沙及库区泥沙淤积。利用水库淤积和排沙规律，并结合实际工程有效地缓解、控制水库泥沙淤积，采用合理的排沙措施进行电站引水排沙。1．3．2主要研究内容①对现有的泥沙淤积理论及相关资料进行整理和分析，为本文建立物理模型选取合理的比尺，进行电站取水口引水防沙及泥沙冲淤试验所需的数据资料和相关公式做好准备，对其中可能遇到的的某些关键性问题提出相应的处理办法。②进行水洛河钻根电站和宝兴河民治电站模型的相似性验证，通过已有的资料对河段糙率进行率定，并利用水文站实测的流量水位资料对水工模型进行验证，在确认模型与实际情况误差在容许的范围内的基础上，再进行河段修建电站前后水位变化计算。以保证试验数据与原型实测数据相吻合，使物理模型能够较好地反映原型运行工况。在此基础上，对工程方案优化，为相关决策提供参考依据。③按设计拟定的前述两个电站的水库运行方式进行中水代表年系列输沙试验，根据闸前泥沙淤积情况适时敞泄冲沙，观测电站首部枢纽取水口的引水防沙效果，包括进沙比和泥沙颗粒组成情况。④通过对宝兴河民治电站“以库代池”方案进行输沙试验，待泥沙淤积达到一定规模后，关闭电站，将泄洪闸和冲沙闸全部开启泄洪拉沙，形成溯源冲刷，确保一定调节库容及沉沙库段，满足电站日调节发电的良好效果。研究不同流量情况下水库库区的冲沙效果，包括水库冲刷长度、宽度、深度及冲刷量等，进一步验汪“以库代池”方案的可行性及有效性。⑤在结合民治电站库区泥沙冲淤试验的基础上，建立一维泥沙数学模型，计算库区河段纵断面淤积量，并分析了水库运行lOa及20a断面淤积情况。 第二章模型设计与相似性验证7弟一早俣型阪丌匀个日1⋯I土叛址2．1物理模型试验的主要特点随着港口及航道工程建设事业的迅速发展，越来越多的工程技术问题需要人们去认识、研究和解决。很多结构复杂的建筑物的建造和河口治理措施耗资巨大、技术复杂，一旦失事，其损失将无法估量，甚至引发灾难。由于水利工程的复杂性和面临的种种新问题，也有许多自然现象及其内在机理，因而在现阶段，水利工程师们仍不得不凭借试验手段来解决某些实际工程问题，特别在重大工程中，试验研究更被认为是不可缺少的环节【91。在实际工程中，水流现象非常复杂，动现象。虽然有时原始方程组正确可靠，难以建立适当的方程组来描述液体的流但因过分复杂，求解这些方程在数学上常常遇到难以克服的困难，只能采用其他途径和试验方法来解决。物理模型试验比较直观，能够真实地模拟和复原复杂物理现象。随着新建水利工程规模越来越大，出现的问题越来越复杂，需要研究的内容越来越多，使得物理模型试验越来越具有实际的工程意义。物理模型试验是水利工程问题的重要手段，它能把工程结构与周围建筑作为统一体考虑，能较好地反映水工结构特征，不必建立复杂的数学关系，可直接通过测试给出结果，这就省去了数学、力学上的麻烦【lo】，试验研究通常是在比原型小的模型上进行的。相比较数学模型，物理模型具有以下优缺点：物理模型面对河段或建筑物有较直观的感觉，能够明显表示出水流的各项特性，但制作物理模型时问较长，成本较大。2．1．1物理模型的相似准则物理模型试验必须遵守以下几条准则：几何(长度、面积、体积比尺)相似、水流(速度、加速度、流量比尺)相似，动力(质量、力比尺)相似，重力相似(即原型与模型沸汝德数应保持相等)。常规物理模型解决了很多现实设计中的问题，已比较成熟。近年又发生了明显变化，主要是大量采用信息技术和最新的精密测量技术，以快速采集和处理数据；一些特殊试验，如河工模型试验中高含沙工况、结构物流激振动的模型相似问题以及一些受非重力影响而产生作用等问题都有待于进一步研究【Il】。进行模型设计要考虑枢纽河段河势特点和试验任务要求，在枢纽上、下游留有足够长的调整过渡段，以确保水流要素的相似性，使研究河段的水流流态及流速分布达到相似。 8第二章模型设计与相似性验证2．1．2模型的基本比尺关系在物理模型研究中，首先要选取模型比尺。模型试验首先要解决模型与原型各种比尺的选择问题，即所谓的模型律。无论采用何种模型律，均需要以保证几何相似为前提，因而长度比尺的选择是最基本的【121。几何比尺是指原型和模型两个流动的几何形状相似，要求两个流场中所有对应长度都维持一定的Lk,例关系，即五=L,,／Lo式(2．1)，式中Lp是原型某一部位的长度，Lm是模型相应部位的长度，h是长度比尺。各种比尺关系如下：(1)流量比尺：如=乃五五=五2·5式(2．2)(2)流速比尺：凡：以％式(2．3)㈣料岷铲允文甜北∽(4)比降比尺：名．，=≥=1式(2．5)(5)水流运动时间比尺．扣等2．1．3悬移质泥沙运动相似比尺关系式(2．6)①悬移质粒径比尺对于悬移质泥沙，其沉速的计算采用适合于滞流区，过渡区和紊流区的武汉水电学院公式计算：国=[(13．95考)2+1．09竽gd]％-13．95号加m式中：国为泥沙沉速，d为泥沙粒径，7、几分别为水、沙比重，v为动力粘滞系数。泥沙扬动校核采用沙玉清公式： 第二章模型设计与相似性验证9Us=16．73睁∥灿％式中国为泥沙沉降速度，h为水深，d为泥沙粒径。②悬移质挟沙能力比尺：疋：÷L^rs—r③悬移质输沙时间比尺：以c悬，=专老2．1．4推移质泥沙运动相似比尺关系①推移质粒径比尺由推移质起动流速公式：州污可爿式(2．8)式(2．9)式(2．10)IRy=；1，为达到推移质运动相似，水流和泥沙运动一致，应满足k=五=彬的要求，因此推移质粒径比尺：h推，5争几r：一r②推移质输沙率比尺由推移质输沙率比尺：一以可声3l¨甜。树一成比尺形劫：％2袅五≯③推移质运动时间比尺由河床变形方程：式(2．12)式(2．13) 10第二章模型设计与相似性验证堕+％生：0Ox”Ot可以得到推移质泥沙运动时间比尺关系如下：“矿等2．2钻根电站模型的设计与制作式(2．15)式(2．16)2．2．1钻根电站的基本情况①水洛河流域概况水洛河系金沙江中游左岸的一级支流，其上源亦称为稻城河(老林口道班至同霍附近的拉青曲汇口)。发源于甘孜州境内著名的海子山，源头海拔高程4600m以上。老林口道班以上由正北向的巴隆曲、西北向的其他宗和东北向的木楠哈三条支流汇合后始称为水洛河。水洛河干流流经稻城县城、东朗乡、水洛乡、宁朗乡、依吉乡，在捷可附近与东义河、尼汝河汇合后注入金沙江。水洛河河全流域面积13720kmz，干流老林口道班至河口长273．8km。水洛河支流众多，但两岸发育不对称。左岸除尼青曲(1364km2)较大外，其余如拉曲、习绒河、群英河、全马拐河、依吉沟等均较短小。而右岸大支流较多，如赤土河(1794km2)、东义河(2971km2)、尼汝河(1153km2)，其余支流如巨龙河、白水河、拉排贡沟、拉根瓦河等均小于1000kmz。水洛河水量丰富、河床坡降陡、自然落差大。干流老林口道班至河口，河道长273．8km，落差为2547．9m，平均比降为9．31％o。水洛河河段河势图见图2．1。②电站简介钻根电站枢纽工程由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽等三部分组成，系以发电为主的引水式丌发水电站。钻根电站首部枢纽主要由泄洪闸、冲沙闸、电站取水口及左右岸当水坝等建筑物组成，见图2．2。本工程采用“侧向进水，工F向泄洪、冲沙和排污”的方式进行表层排污、中层取水、底层冲沙的布置形式。电站的取水口顺河侧向布置于河床右岸，与闸坝轴线平行，泄洪冲沙闸布置在取水口的下游，泄洪冲沙闸布置成潜孔式，为了保证拉沙效果，所有：r况下的洪水都保持堰流状态。水库正常蓄水位2527．OOm，死水位2524．OOm，水库消落深3．0m。进水口设置一道拦污栅和-：fL事故闸门。拦污栅闸底板高程2507．OOm，比泄洪冲沙沙底板高27．Om；拦污栅高21．90m、宽8．OOm，闸顶高程2528．90m。一孔进水闸，宽6．4m、高6．4m，底板高程2507．OOm，建基高程2504．5m。进水闸后通过一长12．OOm的方圆渐变段与引水隧洞相接。 潞㈠．章§阔懑瞳漭卑灯姆{正圃№．．I辞茹丰区凿茸船凿路沼悄副卦呻囹喇ig．¨．_刃eg～暑oo，ri《oI．誊厶一ooat～o=暑∞口o，NcanNo；勺。善oI．∞_atio暑．ⅥIlc寸 回％H1‘雌套础固口j二∞．co一苗p∽．Io，≯o山口。比．口四T1N-oI{△皂锄oII霄一山N．N．∞一‰匝旧阡总靶聚粗若脚嘹撂■N匦吣．_l^砭圈旧牛愚桀帚粗瞄禽奸基魁聋辎尉器褂¨捺 第二章模型设计与相似性验证13钻根电站为长引水式电站，拦河大坝建成后，下游长约16．53km河段将会形成减水河段，考虑生态环境用水的需要，在右岸非溢流坝段上专门设置了生态输水管。生态输水管采用圆形钢管，管径为0．9m，无闸门控制。进口布置于右岸非溢流坝段内，进口高程2520．0m；管长20m，纵坡10．0％。设计生态用水量为7m3／s。③水文基本资料为了合理开发水洛河的水电资源，西昌电力公司于2003年10月在水洛河中游木里县水洛乡三村设立了水洛水文站，该站控制集雨面积7936km2，占水洛河全流域面积的57．9％。另外相邻流域木单河流域现有濯桑和呷姑2个水文站，濯桑水文站位于理塘县雄坝乡易久村，控制集水面积3104km2，占木里河全流域面积的33．O％。呷姑水文站位于木里县后所乡呷姑村，控制集水面积9162km2，占木罩河流域面积的97．3％。(1)不同频率洪水流量资料见表2．1。表2．1钻根水电站闸址处不同频率洪水流量表洪水频率0．2O．330．51．02．O3．335102050P(％)流量165015701500139012701180ll10976836617Q(m3／s)(2)钻根电站尾水水位流量关系曲线见图2．3。图2．3水洛河尾水水位流量关系曲线Fig．2．3CurveofwaterlevelandflowingonShuiluoRiver’Stailwater(3)钻根电站坝址处丰中枯典型年逐同平均流量资料根据动能计算要求，按年和时段平均流量控制的原则，在水洛站捅补延长后的径流系列中，选择年和年内计算时段流量接近设计值的年份，作为典型年。根据以上原则选出了丰、中、枯三个典型年如下： 14第二章模型设计与相似性验证丰水年(P=lO％)：1974年6月～1975年5月。中水年(P=50％)：1997年6月"--,1998年5月。枯水年(P=90％)：1976年6月～1977年5月。各典型年年内月平均流量见表2．2。表2．2钻根水电站典型年月平均流量表(-0--位：m3／s)＼《678910l112l234512～5年项趴丰水年20l43737838314375．845．331．328．227．829．732．6152中水年12028718919712362．O36．523．520．020．730．138．228．396．2枯水年91．217694．411l78．240．225．416．418．122．O17．819．459．3三年平均13830022l23ll1559．335．723．721．522．227．329．526．8102多年平均10l23226l24012964．038．524．721．922．826．736．628．6100④气象资料水洛河地处青藏高原与云贵高原过渡地带，稻城高原是由横断山系的贡嘎雪山和海子山组成，域内地形地貌复杂，群山起伏、重峦叠嶂。受其复杂多样地貌类型的影响，气候的垂直变化十分明显，从低到高出现了暖温带、温带、亚寒带及永久冰雪带等气候类型。高空西风南支气流、西南印度洋季风和东南太平洋季风是影响该流域的主要天气系统。各环流系统随着不同的季节变化交替地起着不同的作用：冬半年(11月至翌年4月)受高空西风南支气流所控制，因西风急流来源于阿拉伯、伊朗高原，经特别干旱的印度西北塔尔沙漠流来，而北方西伯利亚冷空气南下又受到北部青藏高原和重重叠叠的高山等天然屏障的阻挡，使该流域冬半年天空晴朗，云层不多，气候干燥，降水极少，日照充足，形成了明显的干季。夏半年(5～10月)高空西风急流北移，南支急流逐渐结束，而相应的印度洋与太平洋副高北上加强，流域上空转为深厚、温暖、潮湿的西南气流控制，带来充沛的水汽，此气流与西北不断南下的冷空气相遇，形成大量降水，成为该流域的雨季。稻城县气象站海拔高程3728m，钻根水电站闸址河底高程约2500m，两者直线距离约80km，因此，稻城县气象站的气象观测资料可作为工程设计的参考。根据稻城县气象站1961～1990年资料统计，多年平均气温为4．2℃，极端最高气温27．9℃(1983年7月)，极端最低气温为．27．6℃(1983年12月)。多年平均年降雨量为622．8mm，最大一E1降雨量44．5mm，多年平均年蒸发量1783．3mm(20cm蒸发皿观测值)，多年平均相对湿度56％，最小相对湿度接近于0，多发生在春季。 第二章模型设计与相似性验证15多年平均风速2．4m／s，最大风速16m／s，历年最大积雪深度20．Ocm。稻城县气象站气象要素统计见附表2．6。⑤泥沙资料水洛河水量丰富，河床坡降陡，自然落差大。河流泥沙主要来自流域地表冲蚀、支沟冲刷、滑坡及河床补给。日霍以上为抬升的高原区，海拨3500～4500m，河谷较宽坦，水流较平缓，日霍至麦日为高原与高山的过渡区；麦日以下为高山深切割区，河流强烈侵蚀下切，两岸时有悬崖绝壁，河谷多呈‘‘V”型，流域出露的地层以区域浅变质地槽型沉积建造为主，沿河出露岩石主要为白云岩、大理岩、板岩夹千枚岩、板岩夹砂岩、千枚岩、灰岩等。两岸岸坡以坡、残积堆积物为主，部分为崩坡堆积物，洪积堆积物零星分布于各支沟沟口，沿河以冲积为主。水洛河流域上游植被较差，主要为荒坡，但气候寒冷干旱，降水量小，雨强不大，人类活动少，水土流失较轻。流域中下游植被相对较上游好，两岸坡耕地较少，水洛乡以上10多公里河段采沙淘金现象普遍，使河床及岸坡受到严重破坏，加重了该区域的水土流失。据水洛水文站2004和2005年两年实测泥沙资料统计，年平均输沙量82万t，年平均含沙量0．200kg／m3，平均输沙模数为lOlt／km2，最大断面平均含沙量为2．91kg／m3(2005年7月16日)。钻根电站干流水洛河库区多年泥沙淤积纵断面图见图2．4。图2．4钻根电站库区泥沙淤积纵断面图Fig．2．4VerticalSectionofsedimentdepositioninthereservoirareaofZuangenhydropowerstation(1)悬移质：钻根水电站闸址位于水洛水文站上游约4．3km处，闸址以上集水面积为6804km2，水洛水文站集水面积为7936km2，两者相差l132km2，占水洛水文站的集水面积的14％。根据《水电水>ll：J-程泥沙设计规范》(DL／T5089．1999)规定，区问输沙量可采用区间输沙模数计算。经计算，钻根水电站闸址处恳移质年平均 16第二章模型设计与相似性验证输沙量为135万t，年平均含沙量为0．428kg／m3。输沙量年内分配不均匀，主要集中在汛期(6---10月)，其输沙量占全年输沙量的98．3％，其中7、8、9三个月的输沙量占全年输沙量的88．8％。本工程闸址处多年平均年内沙量过程见表2．3、图2．5，水沙特征值见表2．5，悬移质颗粒级配见表2．6。表2．3电站多年平均年内沙量过程表(单位：输沙量：万t；含沙量：kg／m3)＼U孤1．456789101112全年输沙革O0．738．2048．140。830．94．6l1．580135占年沙阜O0．546．0835．630．322．93．421．17O100白1分数含沙量00．0750．3150．7730．5850．4980．1340．09600．428图2．5钻根电站月平均输沙量、含沙量Fi醇．5MonthlymeansendimentdischargeandsendimentonZuan’genPowerStation表2．5钻根水电站水沙特征值表项目数量单位年平均输沙量135万t年平均输沙率42．8kg／s年平均流量100m3／s年平均含沙量0．428kg／m3汛期(6～10月)输沙量133一觅t汛期(6～10月)输沙率101kg／s汛期(6～10月)流量192m3-／s汛期(6～10月)含沙量0．524kg／m3年平均输沙模数198t／km2 第二章模型设计与相似性验证17表2．6钻根电站悬移质泥沙颗粒级配表粒径D(ram)0．007O．Ol0．0250．05O．10O．25O．51．0中数粒径小于某粒径颗粒质量白．分数P(％)18．023．748．169．589．497．299．61000．027mm(2)推移质：根据坝下水尺断面的水力要素及H～Q关系曲线，采用三个典型年逐日平均流量进行推移质输沙量计算，得到钻根水电站多年平均推移质输沙量为20．1万t，逐月平均推移质输沙量见表2．7、图2．6，推移质级配情况见表2．8。表2．7闸址处逐月平均推移质输沙量表单位：万t月份l～456789lO112年输沙量O0．6911．904．394．934．532．441．21020．1表2．8钻根电站河床质级配成果表粒径d(mm)12510204080100200250小于某粒径颗粒质量百6．417．098．8l9．2411．018．043．457．O92．0100分数P(％)图2．6时间～推移质输沙量关系Fig．2．6Time—volumerelationshipbetweenbedloadtransport⑤水库运行方式钻根电站坝前水库正常蓄水位2527．0m，死水位2523．0m，调解库容129万m3，电站设计发电引用流量118．2m3／s，具有日调1了能力。设计拟定的水库运行方 18第二章模型没计与相似性验证式是：(1)在平、枯水期，当入库流量Q<118．2m3／s时，水库保持正常蓄水位2527．Om运行，水库进行日调节，上游来流量首先满足电站正常发电。(2)当入库流量118．2m3／s550m3／s时，电站停止发电，泄洪闸和冲沙闸全开泄洪拉沙。2．2．2模型范围、比尺与制作①试验任务为配合钻根水电站工程的可行性研究工作，论证工程布置的合理性和可行性，特别是论证该工程的电站取水防沙条件，优化工程布置，针对存在的问题提出优化工程布置方案及措施，丌展水洛河钻根电站工程的水力学模型试验研究。其主要内容包括：(1)泄流能力试验：观测泄洪冲沙闸的泄流能力，得出闸前水位与流量、水位与流量系数之间的关系曲线；(2)电站取水防沙效果试验：观测分析电站取水口的水流条件，包括流态及流速等，分析电站取水口的取水防沙条件，优化取水建筑物的布置，提出取水口的防淤措施，以达到取水安全可靠的目的；②模型范围根据工程河段河势特点和试验任务要求，模型设计时考虑了在枢纽上、下游留有足够长的调整过渡段，使研究河段的水流流态及流速分布达到相似，确定模型范围是上游从距坝轴线以上400m丌始至坝轴线以下500m止，模型实际模拟了长900m的原型河段。③模型比尺由于本试验河段属山区河段，河道边界条件较为复杂，水流三度性强，且试验的主要任务是研究枢纽水力学问题，因此考虑选取jF态模型进行本项试验。根据模型试验任务的要求，结合模型范围和模型相似性条件等因素，综合考虑模型沙选配及场地大小，供水能力及船模试验等因素，决定选用几何比尺为1：50的正态模型。模型各参数比尺可由2．1节中介绍的水流运动相似、悬疑质运动相似、推移质运动相似等比尺关系式来计算求得，见表2．9。 第二章模型设计与相似性验证19表2．9钻根电站模型比尺一览表序号名称符号关系式比尺值l几何比尺五、以五：以502水流、沉降和起动流五、以、丸l7．07速比尺五：九：丸：弼3流量比尺如如=丸厶丑17677．674河床糙率比尺以”名∥(}]彳1．925水流运动时间比尺以(水)．^7．07以(水)2亍A6推移质粒径比尺乃(推)“推，2为}4．7l7推移质输沙率比尺％％=[母卜144．178推移质时间比尺五(推)l一亢，oAi52．9l7。，(推)一，几gb④模型制作本模型试验是在西南水运工程科学研究所水工试验厅内进行的，模型全长约20m，占地接近100m2(见图2．7、2．8)。河道模型采用水泥砂浆摸面，枢纽模型泄洪冲沙闸及电站取水口等主要建筑分别由塑料板(聚氯乙烯)和有机玻璃制作。河道模型制作以断面板法为主，平面上用三角网和主、副导线进行控制，断面间距32．54m(原型值)，对局部地形变化较大的河段和部位加密断面，以能准确控制河床地形为准。 第二章模删设计与相似性验证图27钻根电站枢纽模型整体(闸前)Fig27Theupstreamofsluicegatesmodel图2．8钻根电站枢纽模型整体(闸下Fig2．8ThedownstreamaCCeSSmodel2．2_3模型沙的选择，、v橄据模型糙率比尺关系^：群f李f2求得h=192，因而模型糙率nal=O013～＼^，O019，经过比较选择后，决定采用经过专门加工处理的重庆中粱1lJ精煤作为试验模型沙。该材料不仪比苇小，而且密实度(在材料体积内固体物质所充实的程度)搜凝聚力也较小：试验洲得凝聚力C-OOlgkg／m2，内摩擦角m=35。，容重讹=l40～142kg／m3，十容重To=O46～071kg／m3，含水量为61％，Dso-O03～O05mm。囡而能保证模型河床的活动性，以适应原型河床冲淤变化幅度较人的特点。对电站取水口引水防沙试验选用重庆中梁山粘煤作模型沙，其模型沙与原型沙有关特性见表210。表210模型沙与原型沙特性表口E沙类犁悬移质推移质y,(t／m3)"／o(t／m3)7s(t／m3)№(咖f)原型沙265模型沙0652．24模型流量与尾水控制条件 第二章模型设计与相似性验证2l模型进口流量由三角形量水堰或矩形量水堰控制，模型水位采用水位测针测定，模型试验放水条件是根据已知资料坝址处的水位～流量关系进行控制。各级流量情况下模型尾水位控制水位见表2．11。采用相关法将该水位～流量关系相关到模型的8撑水尺并得出8号水尺的水位流量关系(图2．9)，据此进行所有放水试验的模型尾水位控制。表2．11模型尾水控制水位表流量Q(m3／s)550617836976l18012701650洪水频率P50％20％10％3．33％2．0％0．2％8}}控制水尺水位2487．912488．472490．172491．292492．432492．922494．89(m)图2．9水洛河尾水水位流量关系曲线Fig．2．9CurveofwaterlevelandflowingonShuiluoRiver’Stailwater2．2．5模型相似性验证试验①几何相似性验证制模地形采用2006年10月实测的l：1000河床地形图。制模结束后进行了系统检验，确保模型平面误差控制在士0．5cm以内(模型值)，高程误差控制在士1．0mm之内(模型值)，且不存在系统误差。因此，本模型能够满足几何相似性要求，模型平面布置及水尺分布见图2．。②糙率相似性验证河道糙率相似的基本实质是河道瞬时水面线相似，正式试验之前必须进行水边线验证试验。用已知流量Q=118．2m3／s、232m3／s、550m3／s、617m3／s、976m3／s、1270m3／s、1390m3／s情况下工程河段的水面线资料，作为校核模型糙率与原型河道糙率相似的依据。为满足本枢纽模型试验研究内容和相似性验证的需要，在模型河床左、右两岸布置8把水尺，见图。经模倦放水试验表明：模型河道采用水泥沙浆抓而糙牢偏小，实测模型各水 22第二章模型设计与相似性验证尺水位均偏低，因此，对模型河床采用卵石梅花型加糙，经反复调整加糙卵石的间距与粒径，达到了模型河道水边线与原型河道水边线的基本一致，模型验证试验结果见表2．12和图2．10、2．11。由表2．12可知，每个水尺水位与原型水位相差均在-4-0．10m之内，说明模型河道与原型河道基本上达到了阻力相似的要求。表2．12钻根模型试验验证成果表坝上．400m处水位坝上一270m处水位流量(m3／s)计算值(m)实测值(m)差值(m)计算值(m)实测值(m)差值(m)118．22488．202488．14．0．062487．252487．28+0．032322489．892489．85．0．042488．942488．96+O．025502493．222493．24+0．022492．272492．29+0．026172493．792493．80+O．012492．842492．82．0．029762496．362496．34．O．022495．412495．43+0．0212702498．130．002497．192497．20+0．0113902498．760．002497．812497．83+O．02坝上．90m处水位坝下+180m处水位流量(m3／s)计算值(m)实测值(m)差值(m)计算值(m)实测值(m)差值(m)118．22485．942485．88一O．062483．972484．020．052322487．630．002485．652485．68O．035502490．962490．970．012488．992488．93．0．066172491．522491．49．O．032489．550．009762494．100．002492．142492．15O．0l12702495．882495．85．O．032493．920．0013902496．512496．5lO．002494．550．00坝’V+400m处水位坝下+505m处水位流逯fm3／s)计算值(m)实测值(m)差值(m)计算值(m)实测值(m)差值(m)118．22482．372482．380．Ol2481．602481．6l0．0l2322484．042483．98—0．062483．282483．25．0．03 第二章模犁设计与相似性验证5502487．382487．400．022486．622486．660．046172487．942487．950．0l2487．182487．230．059762490．54O．002489．78O．0012702492．322492．29．O．032491．562491．570．0l13902492．96O．002492．202492．17．0．03图2．10水洛河计算水位与实测水位对比(上游)Fig．2．10DifferencesofwaterlevelbetweencomputedandmeasuredonShuiluoRiver(upstream)图2．11水洛河计算水位与实测水位对比(下游)Fig．2．1lDifferencesofwaterlevelbetweencomputedandmeasuredonShuiluoRiver(downstream)由上述模型验证试验结果可知，模型与原型相似性较好，模型设计合理，模型水流与原型水流相似程度较高，能够正确反映工程河段的水沙运动规律，因此可以在此基础上展了F对钻跟水电站取水防沙条件的相关试验研究工作。 24第二章模型设计与相似性验证2．3民治电站模型的设计与制作2．3．1民治电站的基本情况①宝兴河流域概况宝兴河位于青衣江上游，发源于夹金山南坡的三道坪，四川省宝兴县穆坪镇的两河口以上称东河，在两河口与西河相汇，全长79．48公里，流域面积1396平方公里。西河是宝兴河最大的支流，发源于永富乡西北的灯笼沟，全长56．5公里，流域面积1350平方公里，东西两河于穆坪镇两河口相汇后称宝兴河，经灵关铜头峡出境与芦山河相汇。宝兴河属典型的山区河流，岸坡陡峻，河槽狭窄，覆盖层深厚，河床比降陡。宝兴河的径流主要来自降水，其次是地下水和高山融雪补给。由于该流域植被较好，下垫面具有较强的滞蓄能力，径流丰沛稳定，年际变化小，实测丰水典型年平均流量40．4m3／s，中水典型年平均流量32．5m3／s，枯水典型年平均流量28．4m3／s。宝兴河洪水由暴雨形成，洪水流量年际变化较小，东河硗碛水文站实测年最大流量62．2～122m3Is，宝兴水文站实测年最大流量295"-"1490m3／s。宝兴河河段河势图见图2．12。②民治电站介绍民治水电站位于四川省宝兴县境内的东河上，系宝兴河干流水电梯级开发的第二级电站，电站水库上游与硗碛电站尾水相衔接，下游与宝兴电站衔接。该工程由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽等组成，是以发电为主的引水式开发水电站，电站设计水头218m，安装3台40MW机组，总容量120MW，设计发电引用流量62m3／s，水库正常蓄水位1587．Om，库容42．5万m3，调节库容21．6万m3。民治电站坝址至上游硗碛电站坝址区间流域面积为286．3km2。民治电站枢纽没计洪水流量Qp=2％=539m3／s，校核洪水流量Qp=O．2％=697m3／s。民治电站首部枢纽位于石门坎下游约600m，距硗碛水电站厂房下游约1000m，主要由泄洪闸、冲沙闸、排污道、电站进水口及右岸挡水坝等建筑物组成。民治水电站坝区河段河道较为顺直，床面坡降较陡，尤其闸下河道坡降较为集中，可达l％以上。闸址段河床覆盖层深厚，厚度一般为60,-一70m；流域内植被较好，水流中泥沙及污物含量相对较小，入库输沙量主要集中在汛期(5"---9月)，约占全年沙量的97．6％。根据工程的实际情况，设计拟定利用水库替代沉沙池，即“以库代池”的沉沙方案，同时在汛期采用不定期敝泄冲沙的调度运行方式，以保证正常取水发电和满足水库调沙库容要求。 第二章物理模型设计与验证25民治电站枢纽工程从左至右依次布置有左岸挡水坝、2孔泄洪闸、l孔冲沙闸、排污道、电站取水口及右岸挡水坝。其中泄洪闸段全长22m，冲沙闸段长6m，排污道段长5．5m，左岸挡水坝段长56m，工程具体布置见图2．13。①之图2．13民治电站首部枢纽工程平面布置图Fig．2．13RiverregimemapofMinzhiPowerStation’Shub 潞㈠懈§淄湛趟漭卑打姆随心吼圃心．_¨阳酸母上占蒿幺丑；可醛茸溶圈吲ig．N．_N刃～《oI．regi茸。日apof．7宣总争一勺o、v01．st譬～011．∞Il≯叮 第二章模型设计与相似性验证27③水文基本资料不同频率洪水流量资料见表，坝轴线下游346m处水位流量关系曲线见表2．13和图2．14。表2．13不同频率洪水流量表洪水频率P(％)O．2O．5l23．335102050流量Q(m3／s)697613593539502475354272166图2．14坝轴线下游346m处水位流量关系曲线Fig．2．14Department346mdownstreamofdamaxisstage—dischargecurve④流域泥沙资料(1)悬移质硗碛～民治区间悬移质多年平均输沙量19．I万t，多年平均含沙量O．696kg／m3，汛期(5．9月)多年平均输沙量18．7万t，占全年输沙量的97．9％，悬移质颗粒级配见表2．14。表2．14悬移质颗粒级配表Tab．2．14Gradationtableofsuspendedsedimentparticles粒径D(mm)0．0Cr70．010O．0250．050．100．250．501．03．0小于某粒径颗粒26．731．141．553．872．687．993．397．3100质嚣白．分数P(％) 28第二章模型设计与相似性验证(2)推移质推移质多年平均输沙量为5万t，床沙最大粒径为300mm，中数粒径46mm，河床质颗粒级配见表2．15。表2．15民治电站坝址河段床沙颗粒级配表粒径d(mm)0．51．02．05．0102050100200300小丁二某粒径颗粒7．109．2012．O17．023．532．552．276．099．0100质量百分数P(％)⑤水库运行方式民治电站坝前正常蓄水位1587．Om，死水位(汛限水位)1584．5m，调节库容21．6万m3，电站设计引用流量62m3／s，具有日调节能力。设计拟定的水库运行方式是：(1)在平、枯水期(每年10月～次年4月)坝前水位控制在正常蓄水位1587m至死水位(汛限水位)1584．5m之间，电站发电，水库按日调节运行。(2)在汛期(每年5月～9月)，水库坝前水位降低至汛限水位1584．50m运行，电站发电。其间，不定期停机全闸敝泄冲沙4～5次。当闸前140m左右沉沙库段的平均深泓水深小于约4"--5m时，泄洪冲沙闸敞泄冲沙，每次冲沙时间约6小时；当硗碛电站～民治电站的区间入库含沙量较大时，电站停机避开沙峰。2．3．2模型范围、比尺与制作①试验任务试验研究的主要任务是：研究论证民治电站首部枢纽“以库代池”运行方案中电站取水防沙能力。其具体内容是：(1)冲沙试验：根据已知库区淤积地形资料及床沙组成铺沙，研究不同流量情况下水库库区的冲沙效果包括水库冲刷长度、宽度、深度及冲刷量等；(2)沉沙试验：研究库区在敞泄冲沙结束后的地形基础上，以及坝前水位抬高至汛限水位1584．5m情况下，库内沉沙初期及后期的悬移质沉降率及对电站引水发电的影响；(3)中水代表年输沙试验：按设计拟定的水库运行方式进行系列输沙试验，根据 第二章模型设计与相似性验证29闸前泥沙淤积情况适时敞泄冲沙，观测电站取水口的引水防沙效果，包括进沙比和颗粒组成以及库区泥沙冲淤变化情况；(4)针对存在的问题提出优化工程布置方案及措施，优化枢纽引水防沙布置。②模型范围为了保证模型上游有足够长的调整过渡段，以确保水流要素的相似性，满足大坝以下满足模型坝下游消能防冲等问题研究的需要，以及可充分利用坝轴线下游346m处天然实测的水位流量关系控制模型尾水位。模型范围选定上游从距坝轴线以上1．0km开始至坝轴线以下600m止。③模型比尺根据试验任务的要求，模型范围和模型相似条件，综合考虑模型场地大小，供水能力因素，决定选用几何比尺为舻h=40的正态模型，根据前一节的比尺关系，将几何比尺LL=久,Ia=40代入前面章节的关系式即可计算得到模型各有关比尺值见表2．16。表2．16民治电站模型比尺一览表Tab．2．16ListofmodelscaleofMinzhihydropowerstation序号名称符号关系式比尺值备注1几何比尺九、以五=以40l2埘氚潲起动窳拙l二尺丑、．九、九丑=九=死=镌6．323流量比尺％砧=乃厶丑10“94河床糙率比尺乃五=彭(鲁]必1．85．乃5水流运动时间比尺五(水)4(水)2子6．32Aj一九6推移质粒径比尺乃(推)^以撕一石3．77 第二章模州设计与相似性验证采IIJ校正后推移质输沙率比尺kb褂103的比尺122悬移质粒径比尺^㈨d=005turn^：—二L悬移质拄沙力比尺丑0459悬移质时间比K^(§1‰=瓦2,oA，推移质时间比尺4㈣^m：乌墨采朋校正后的比尺40④模型制作河道模型采用水泥砂浆摸面，枢纽模型泄洪冲沙闸及电站取水口等主要建筑分别由塑料板(聚氯乙稀)和有机玻璃制作。河道模型制作以断面板法为主，平面上用j角网和主，副导线进行控制，断面间距35m(原型值)，对局部地形变化较大的河段和部位加密断面，以能准确控带4河床地形为准。水试验是在西南水运丁程科学研究所港航试验厅内进行的，模型全长；约40m，占地接近120m2(见图215、2．16)。为满足本楸纽模型试验研究和验证的需要，在模刑河床的左右两岸分别对称布趾7对共14把水尺(见图212)。图215宝兴河民浩电站水工模型图216民治电站首都枢纽河道模型Fi9215HydraulicmodelofMinzhiPowerStationFiI醇16ChannelmodelofMinzhJPowerStation 第二章模型设计与相似性验证3l2．3．3模型沙的选择根据模型糙率比尺关系五：彭f互r求得k=1．85，因而模型糙率am=0．014"-"L以／0．018，经过比较选择后，决定采用经过专门加工处理的重庆中梁山精煤作为试验模型沙。该材料不仅比重小，而且密实度Dr及凝聚力也较小：试验测得凝聚力C=0．018kg／m2，内摩擦角0=350，容重弧=1．40"-"1．42kg／m3，干容重丫o=0．46"--O．71kg／m3，含水量为61％，D50=0．03""0．05mm。因而能保证模型河床的活动性，以适应原型河床冲淤变化幅度较大的特点。民治电站库区冲沙与沉沙试验选用重庆中梁山精煤作模型沙，模型沙与原型沙有关特性见表2．17。表2．17原型沙与模型沙特性表Tab．2．17Listofthepropertyofmodelsedimentandprototypesediment悬移质推移质泥沙类型％(t／m3)70(Vm3)％(t／m3)1／o(Vm3)原型沙2．651．452．651．80。模型沙1．4O．51．4O．592．3．4模型流量与尾水控制条件模型进口流量由三角形量水堰或矩形量水堰控制，模型水位采用水位测针测定，河道水流流速采用西科所自行研制的HD．4B型电脑流速仪进行观测。模型试验放水条件是根据国家电力公司成都勘测设计院提供的坝下游346m处(14#水尺)的水位～流量关系进行控制。各级流量情况下模型尾水位控制水位见表2．18和图2．17。表2．18民治水电站模型尾水控制水位表(右14#水尺)Tab．2．18WatertlevelgaugeofthemodeltailwatercontrolofMinzhiPowerStation流量(m3／s)166354475502539593697洪水频率P50％10％5％3．33％2％1％O。2％右14#控制水尺水位(m)1571．651572．601573．041573．121573．241573．401573．69 32第二章模型设计与相似性验证图2．17宝兴河尾水水位流量关系曲线Fig．2．17CurveofwaterlevelandflowingonBaoxingRiver’Stailwater2．3．5模型相似性验证试验①几何相似性验证制模地形采用2002年7月施测的1：1000河床地形图。制模结束后进行了系统检验，确保模型平面误差控制在士1．0cm以内(模型值)，高程误差控制在士1．0mm以内(模型值)，且不存在系统误差，模型平面布置见图2．。为满足本枢纽模型试验研究和验证的需要，在模型河床的左右两岸分别对称布置7对共14把水尺(见图2．)。②糙率相似性验证河道糙率相似的基本实质是河道瞬时水面线相似，正式试验之前必须进行水边线验证试验。用实测Q：24．6m3／s、80m3／s和166m3／s三级流量情况下工程河段的水面线资料，作为校核模型糙率与原型河道糙率相似的依据。水边线验证试验结果表明：模型河道采用水泥沙浆抹面糙率偏小，实测模型各水尺水位均偏低，因此，对模型河床采用卵石梅花型加糙，经调整加糙卵石的问距和粒径，达到了模型河道水边线与原型河道水边线的基本一致，模型验证试验结果见表2．19和图2．18、2．19。由表2．19可知，除了个别水尺水位与原型水位相差O．17m外，其余各水尺相差均在士0．1m左右，说明模型河道与原型河道基本上达到了阻力相似的要求。 第二章模型设计与相似性验证袭219明治水电站模型水位验证表1砧219MingzlaiHydropowermodelvalidationlevel与捌轴Q=246m％Q-gOm3^Q：-166m’／s水尺线距离模型水原型水差值模犁水原型水差值模型水原型水革值编号(m)位(m)位rml(m)位(m)位fml(m)位(m1位(m)(m)0—8270l57696158092158078l5788l157800157574157660l57729l57539157627157621l】#、12#)57m42备注1、模型水尺编号中，单号位于左岸、敢号付r右岸；2、丧中同一断面的模型水位取左岸、有岸实测值的平均值。水位～流鼋芙累d／I绒曦}缮O3678m模型值x0—24m模型值——0640tⅢ原型值流犀(m3／s)图218宝兴河上游设计计算水位与试验实测水位对比Fig28DifferencesofwaterlevelbetweencomputedandmeasuredonBaoxingRiverupstream 34第二章模型设计与相似性验证图2．19宝兴河下游设计计算水位与试验实测水位对比Fig．2．19DifferencesofwaterlevelbetweencomputedandmeasuredonBaoxingRiverdownstream③泥沙运动相似性验证民治电站各种粒径泥沙扬动流速比尺同时列于表2．20。由表2．20可以看出，模型沙选用煤屑可基本满足悬移质泥沙沉降和扬动同时相似的条件。表2．20民治电站悬移质粒径比尺计算表Tab．2．6ListofthescalecomputationofsuspendedsedimentsizeofMinZhihydropowerstation原型沙粒径dp(mm)0．050．10．250．51．0沉降流速比尺九6．32聪蝴郧彻卢(cm／s)O．1560．6123．076．9811．94楔l燃缈。(cm／s)0．0250．0970．481．101．89模型沙粒径dm(mm)0．0400．08l0．18l0．2850．396粒径比尺以1．241．231．381．752．53扬动流速比尺～5．815．796．066．677．722．4本章小结①模型沙选择是模型设计中的关键技术，模型沙的物理特性、模型沙选择标准、模型沙特性相似准则、模型沙材料研制与制作工艺等都是需要深人研究的课题。②改进和完善模型试验量测仪器和量测技术仍然足未来研究工作的重点之～。通过模型测量仪器和自动测控系统的改进和完善、新仪器的研制，以提高试验成果的精度和可靠性，提高试验量侧仪器的使用率，降低仪器的使用成本等。 第二章模型设计与相似性验证35③通过对模型河床采用卵石梅花型加糙，根据试验数据调整加糙卵石的问距和粒径，达到了模型河道水边线与原型河道水边线的基本一致，使模型试验数据与原型值相吻合，提高了试验精度。 36第三章电站取水口引水防沙研究3．1电站取水口引水防沙概述3．1．1引水防沙概述在引水式电站引水发电过程中，泥沙问题显得更加突出，故在引水枢纽的规划布置中妥善解决防沙、排沙问题，常成为枢纽运行成败的关键【18~2们。取水口引水防沙应遵循以下原则：取水口引水顺畅，保持良好的水流流态，拦沙坎布置应合理，一方面起到挡沙防沙的作用，另一方面可以保证能够顺利引水。水利枢纽工程大都采取了拦沙坎、沉沙池、冲沙廊道、冲沙洞、排沙底孔等工程措施，有的还采取汛期降低水位、汛后抬高水位或每年汛前、汛中安排1～2天停机清洗的运用方式挖泥船疏浚等，才得以保证“门前清”和水轮机磨损不致严重发生。有的水库在设计上未考虑设置排沙设施：有的虽有排沙设施，但未进行异重流排沙，以致水库泥沙无法排泄，造成有效库容严重损失。3．1．2常用引水防沙措施对水电站进沙尤其是进粗泥沙的控制措施，有利用弯道环流作用，凹岸取水，减少粗泥沙或砾卵石推移质进入引水口；有上层引水，下层排沙，避免粗泥沙推移质和异重流进入水轮机；有选择排沙底孔高程，使孔口异重流排沙，排泄异重流的排沙底孔要有适当的泄流规模(可按大于汛期平均流量要求)，避免因不能及时排泄异重流而在坝区形成浑水水库，导致在坝前普遍升高泥沙淤积面，增加过机泥沙，增加孔口淤堵的威胁，增加闸门启门力的风险【21~221。设置和利用底孔泄流排水设施，形成和维持比较大的冲刷漏斗，通过粗泥沙在坝区大漏斗域沉降以减少粗泥沙过水轮机，并在一定的水流条件下将沉积在大漏斗域的粗泥沙冲起，通过底孔排泄出库。(1)山区河流推移质沙量较多，颗粒较粗的河段，水电枢纽取水防沙宜采取修建沉沙池的方法。譬如映秀湾水电站的引水防沙采用方案是：在电站进水口前形成一个人工弯道，利用ful岸表层清水，底部泥沙采用增大流速、束水冲沙，由冲沙闸排向下游。引入电站取水口后的水流通过修建较大尺度沉沙池的方法，通过降低流速、沉沙、分沙等一系列措施，使水沙分离，清水被引入引水隧道进入电站，泥沙则排向下游河床。(2)在山区河流河道地形特别狭窄的地方，库容量较少，一般在几十万方到几百万方之问，由于基建投资较高等原因，较大尺度的沉沙池的合适位置较难找到。为节省投资，从减小水库泥沙淤积，保持电站所需|1调节库容，以及控制电 第三章电站取水口引水防沙研究37站引水含沙量及含沙粒径等方面考虑，除采用人工弯道束水攻沙以外，目前流行的一种方法是利用水库替代沉沙池，即“以库代池”的沉沙方案，水库成为电站更大的沉沙池。在淤积洲头设置泥沙淤积预报系统，并加强库区淤积预报，以达到取水防沙的目的。一般中小流量情况下，在枢纽壅水运行时，大量泥沙淤积在库内，当泥沙将水库淤积达到一定程度时，推移质淤积洲头，推进质电站取水口一定位置，影响取水，需适当控制闸前泥沙淤积形态以及推移质泥沙洲头位置和高程，才可避免粗沙进入电站取水口。此时需要关闭取水口，迅速全部开启泄洪冲沙闸，使库区大量水体连同泥沙排向下游。在闸上游库区一定距离范围内形成较大水面坡降，产生朔原冲刷，可达到有效地排泄库区淤沙，降低淤积洲面高程，恢复调解库容的目的。如四JII省木里河沙湾水电站【5】和宝兴河民治水电站，便是采用“以库代池”的方法来满足电站取水防沙的要求。(3)嘉陵江等河流上水电站的引水防沙，通常采用设置拦沙坎，配合平底闸、泄洪冲沙闸在电站前池内电站取水口前设置冲沙拦道的方法，达到电站取水防沙的目的。电站前面的拦沙坎与冲沙闸形成倒沙。例如嘉陵江小龙门电航工程枢纽【6J，由于电站进口位于紧靠上游沙洲尾端河道，左侧副槽出口附近，从上游沙洲尾端向下游输移的泥沙经副槽斜过电站取水口前池，沿斜向拦沙坎方向向下游输送，对电站正常取水造成一定威胁。通过采取了一定的工程措施：在上游加设一道拦沙坎，在电站与冲沙闸之间设分水隔墙。由于电站前池上游的斜向拦沙坎方向与水流流向保持较为一致，使该拦沙坎的拦沙和导沙作用明显，分水隔墙进一步加强了冲沙闸的冲沙效果，泥沙大部分沿冲沙闸前的顺坝以右位置通过闸坝向下游输送，在电站一侧基本无泥沙淤积存在，可见由两斜向拦沙坎与冲沙闸共同构筑的拦沙和排沙系统是有效的，电站的防沙效果好。渠江风洞子电航枢纽工程【『¨，上游来沙主要是沿河道中部左岸边滩滩唇附件经泄洪闸较顺直地向下游输送，当上游来流量较大全闸敞泄情况下，有少部分粗颗粒泥沙翻入电站前池，对该电站的取水防沙带来一定的影响。通过调整电站分水隔墙和拦沙坎高程，在拦沙坎上游再增设一道拦沙坎，外侧开挖拉沙槽等工程措施，进一步改善该电站的引水防沙条件，取得明显的效果。3．2水洛河钻根电站取水口防沙研究3．2．1水洛河流域来水来沙概况水洛河水量丰富，河床坡降陡，自然落差大。河流泥沙主要来自流域地表冲蚀、支沟冲刷、滑坡及河床补给。日霍以上为抬升的高原区，海拨3500～4500m，河谷较宽坦，水流较平缓，同霍至麦同为高原与高山的过渡区；麦日以下为高山深切割区，河流强烈侵蚀下切，两岸时有悬崖绝壁，河谷多呈“V”型，流域出露的 38第三章电站取水口引水防沙研究地层以区域浅变质地槽型沉积建造为主，沿河出露岩石主要为白云岩、大理岩、板岩夹千枚岩、板岩夹砂岩、干枚岩、灰岩等。两岸岸坡以坡、残积堆积物为主，部分为崩坡堆积物，洪积堆积物零星分布于各支沟沟口，沿河以冲积为主。水洛河流域上游植被较差，主要为荒坡，但气候寒冷干旱，降水量小，雨强不大，人类活动少，水土流失较轻。流域中下游植被相对较上游好，两岸坡耕地较少，水洛乡以上10多公里河段采沙淘金现象普遍，使河床及岸坡受到严重破坏，加重了该区域的水土流失。据水洛水文站2004和2005年两年实测泥沙资料统计，年平均输沙量82万t，年平均含沙量0．200kg／m3，平均输沙模数为lOlt／km2，最大断面平均含沙量为2．91kg／m3(2005年7月16日)。钻根电站干流水洛河库区多年泥沙淤积纵断面图见图3．1。图3．1钻根电站库区泥沙淤积纵断面图Fig．3．1VerticalSectionofsedimentdepositioninthereservoirareaofZuan’genPowerStation①水洛河流域悬移质1)水文站泥沙测验及资料整编情况距水洛河河口77km处设有水洛水文站，水文站控制集水面积7936km2，占全流域集水面积的57．9％。该站于2004年开始施测悬移质泥沙，单沙测验位置固定在基本水尺断面起点距25m处，测验方法主要采用双程积深法。年内单沙测次为440次左右，基本控制了河流含沙黾变化过程。含沙量资料采用近似法整编，至今 第三章电站取水口引水防沙研究39仅有两年悬移质泥沙实测资料。2)水洛水文站悬移质泥沙特征值的推求由于水洛水文站仅具有两年悬移质泥沙实测资料。为了推求水洛水文站悬移质泥沙输沙量和含沙量，分别采用以下方法进行计算。方法一：建立本站实测日平均流量与日平均含沙量相关关系。分析水洛水文站2004、2005年实测流量、含沙量资料，河流含沙量随流量增大而增加，水沙过程基本相应。根据水洛河来水来沙过程及特点，建立了5"--"11月日平均含沙量与日平均流量相关关系，由丰(1974"--1975年)、中(1997"--1998年)、枯(1976一-．1977年)代表年逐日平均流量推算出相应年份(5～11月)逐日平均含沙量。由于12月～翌年4月水流清澈，河流含沙量甚小，当做“0”处理。经计算，水洛水文站丰、中、枯代表年悬移质泥沙年平均含沙量为0．428kg／m3，年平均输沙量157万t，代表年汛期(6～10月)平均含沙量O．524kg／m3，汛期(6～10月)平均输沙量155万t，年平均输沙模数为198t／km2。方法二：采用金沙江干流区问输沙模数推算。水洛河是金沙江中游左岸一级支流。在金沙江干流水洛河河口下游设有金江街水文站，该站控制集水面积244489km2；在水洛河河口上游设有石鼓水文站，控制集水面积214148km2；金江街～石鼓区间控制集水面积30305km2，其中水洛河集水面积为13720km2，占金江街～石鼓区问集水面积的45．3％。金江街、石鼓两水文站均开展了悬移质泥沙测验，根据金江街与石鼓水文站1940"-"1991年同步悬移质泥沙资料计算成果，推算金沙江干流金江街～石鼓区间多年平均输沙模数为676t／km2。由此输沙模数计算水洛水文站悬移质泥沙多年平均输沙量为537万t，多年平均含沙量为1．455kg／m3。因方法一和方法二推算的水洛水文站悬移质输沙量成果差异较大，为此拟采用相邻流域的泥沙实测资料进一步分析成果的合理性。邻近流域木里河、卧落河及小金河流域与水洛河流域仅隔一道分水岭，气候和下垫面条件相似，开展泥沙测验的水文站有卧落河沙拉地水文站、小金河列瓦水文站。由于还未收集到列瓦水文站的实测泥沙资料，因此仅点绘了水洛水文站～沙拉地水文站同步月平均含沙量相关关系，由于点据散乱，无法延长水洛水文站资料系列。又根据《四川省水文手册中》的多年平均悬移质年输沙模数等值线图查得，水洛河流域的多年平均悬移质年输沙模数在150～200t／km2之间，与方法一计算结果较为接近。综合以上计算成果分析，由于水洛河在金沙江干流金江街～石鼓区间未控面积 40第三章电站取水口引水防沙研究达55％，根据流域产沙状况分析，区间产沙主要来自金沙江干流，采用干流区间输沙模数推算的水洛河悬移质泥沙输沙量成果可能偏大。因此水洛水文站悬移质泥沙输沙量采用方法一的计算成果，即水洛水文站代表年悬移质泥沙年平均输沙量为l57万t，年平均含沙量为0．428kg／m3。由于水洛水文站仅具有两年实测泥沙资料，资料系列太短，还有待进一步积累资料后复核本成果。建议今后继续开展水洛水文站悬移质泥沙测验。3)钻根电站闸址处悬移质泥沙分析计算钻根水电站闸址位于水洛水文站上游约4．3km处，闸址以上集水面积为6804km2，水洛水文站集水面积为7936km2，两者相差1132km2，占水洛水文站的集水面积的14％。根据《水电水利工程泥沙设计规范》(DL／T5089．1999)规定，区间输沙量可采用区间输沙模数计算。经计算，钻根水电站闸址处年平均输沙量为135万t，年平均含沙量为0．428kg／m3。输沙量年内分配不均匀，主要集中在汛期(6～lO月)，其输沙量占全年输沙量的98．3％，其中7、8、9三个月的输沙量占全年输沙量的88．8％。本工程闸址处多年平均年内沙量过程及水沙特征值见表3．2、3．3表3．2电站多年平均年内沙量过程表单位：输沙量：万t；含沙量：kg／m3Tab．3．2ProcesstableofyearlymeansedimentsOilZuan’genPowerStation＼月1～45678910l12年项目＼输沙量O0．738．2048．140．830．94．611．58O135占年沙星百分数(％)00．546．0835．630．322．93．421．170100含沙量O0．0750．315O．7730．58504980．1340．096O0428 第三章电站取水口引水防沙研究4l图3．1钻根电站月平均输沙量、含沙量Fig．3．1MonthlymeansendimentdischargeandsendimentonZuan’genPowerStation表3．3钻根水电站水沙特征值表项目数量单位年平均输沙量135万t年平均输沙率42．8kegs年平均流量100m’／s年平均含沙量0．428kg／m3汛期(6～10月)输沙量133万t汛期(6～10月)输沙率10lkegs汛期(6～10月)流量192m3／S汛期(6～10月)含沙量0．524kegm3年甲均输沙模数198t／km24)悬移质泥沙颗粒级配及矿物成分悬移质泥沙颗粒级配采用水洛水文站2004年实测的三次沙峰过程中的10组单样(干沙包)分析成果。最大粒径1．Omm，中数粒径O．027mm，平均粒径O．050mm，粒径大于0．25mm的沙重占2．8％，颗粒级配成果见表3．4，颗粒级配曲线见图3．2。 42第三章电站取水口引水防沙研究表3．4水洛水文站悬移质泥沙颗粒级配表粒径D(mm)0．0070．0l0．0250．05O．100．250．51．0中数粒径小于某粒径颗粒18．023．748．169．589．497．299．61000．027mm质量百分数P(％)图3．2钻根电站悬移质颗粒级配曲线Fig．3．2GradationtableofsuspendedparticlesofZuan’genPowerStation悬移质矿物成份中以莫氏硬度小于5的软矿物为主，绿泥石、绢云母、黑云母、碳酸盐、钛铁矿等占了98％以上，莫氏硬度大于5的硬矿物为石英、长石，约占1．肚乏．O％，悬移质各粒径组莫氏硬度大于5的硬矿物含量见下表：表3．5悬移质各粒径组硬矿物含量表粒径组(mm)1．Ⅷ．50．5——0．250．25—_0．10O．1咖．05<0．05硬矿物含量(％)微量1．02．O2．01．0②水洛河流域推移质1)年输沙量由于没有推移质泥沙实测资料，本阶段推移质泥沙采用沙莫夫推移质输沙率计算公式(非均匀沙)计算推移质输沙率。计算公式为：铲3舶。；旷州钞≯加∽ 第三章电站取水口引水防沙研究43l其中：％=3．83d3h6式中：g。一推移质单宽输沙率，kg／s·m；D、d一河床质颗粒最粗一组及平均粒径，m；矿、昨一断面平均、起动流速，m／s；办一断面平均水深，m；根据坝下水尺断面的水力要素及H～Q关系曲线，采用三个典型年逐日平均流量进行推移质输沙量计算，得到钻根水电站多年平均推移质输沙量为20．1万t，逐月平均推移质输沙量见表3．6。表3．6闸址处逐月平均推移质输沙量表单位：万t月份1～456789101112年输沙量00．69l1．904．394．934．532．441．21O20．1图3．3时间～推移质输沙量关系Fig．3．3Time-volumerelationshipbetweenbedloadtransport推移质输沙量主要集中在汛期，其中，6～10月输沙量为18．2万t，占全年输沙量的90．5％；7--一9月输沙量为13．86万t，占全年输沙量的69．0％。2)河床质级配水洛河无推移质泥沙实测资料，钻根电站推移质多年平均输沙量为20．1万t。经现场查勘取样分析，钻根水电站河床质中数粒径为75．6mm，平均粒径为85，1mm，最大粒径为250mm。其分析成果见表3．7，河床质颗粒级配曲线见附图3．4。 第三章电站取水口引水防沙研究表3．7钻根电站河床质级配成果表粒径d(ram)l25lO204080100200250小于某粒径颗粒质量百6．4l7．098．819．2411．O18．O43．457．092．0100分数P(％)图3．4钻根电站推移质颗粒级配曲线Fig．3．4Gradationdistributioncurveofbed—loadgrainsonZuan’genPowerStation3．2．2钻根电站典型年水沙过程概化水沙过程的概化原则是既尽量反映水峰和沙峰的变化过程，使水沙同步变化，同时又照顾到试验操作的条件和可能性。钻根电站试验的水文系列年资料采用工程河段典型年日平均流量和沙量过程进行概化(见表3．8～3．10)。由于水洛河水沙变化的特点是汛期与枯季流量相差相对较小，但沙量相差较大，汛期沙量占全年的97．6％，因此将汛期作为重点，尽量将时段分细，以便研究水库冲淤变化及对电站进水口引水防沙的影响，按照水量平衡原则将中水中沙年水沙过程分为18个时段，概化后的各典型年水沙变化过程见图3．5～3．7。表3．8丰水丰沙年资料 第三章电站取水口引水防沙研究45Tab3．8Dataofmore—water-more—sandyears丰水丰沙年序起止日期历时天数流量平均含沙量平均号(m3／S)(kg／m3)l1月1日12029．69O．0025月1日3129．690．0936月1日2138．000．1546月3日3244．33O．2856月6日14141．07O．1666月20日ll277．090．3477月1日3581．001．1987月4日8396．63O．6097月12日7581．141．18107月19日16337．250．47l8月4日3535．671．03128月7日19259．420．32138月26日4602．001．27148月30日3908．OO2．75159月2日2666．001．52169月4日5470．600．8l179月9日20323。300．43189月29日63113．980．141912月1日3145．270．00模型从铺设地形、淤积干容重、床沙级配等方面严格控制模型初始边界条件；根据水沙变化过程控制时段步长，尽量减少水沙过程概化的影响。通过对验证试验观测结果初步分析表明，库区上段冲刷形态与下段淤积地形及水库排沙过程与原型基本一致。表3．9中水中沙年资料中水中沙年序流量平均含沙量平均号起I七日期历时天数(m3／s)(kg／m3)l1月1日12022．26O．OO25月1日4850．36O．1036月18日11176．450．1946月29日8209．500．2357月7口1328．000．4467月8日4507．00O．9277月12日5306．2003987月17日3386．000．5797月20日2311．000．41lO7月22口7195．63O．22 第三章电站取水口引水防沙研究1l7月29日4250．00O．30128月2日19137．95O．20138月21日499．600．29148月25日lO102．850．18159月4日3284．670．35169月7日33187．36O．211710月10日5278．62O．1l1812月1日3l36．44O．OO表3。10枯水少沙年资料枯水少沙年序起止日期历时天数流量平均含沙量平均号(m3／S)(kg／m3)l1月1日12l18．24O．OO25月1日4323．96O．0936月13日1481．840．1146月27日4276．500．3457月1日2344．000．4767月3日3283．33O．3577月6日13191．23O．2187月19日4140．75O．1597月23目3186．95O．11108月23日3149．67O．1618月26日2899．290．12129月23日4174．500．19139月27日6563．71O．101412月1日3l25．460．00⋯流盈曲线一一流最慨化线一3．5禽沙岔=fflI线1000l——沙量概化线l3．o8002．5谊@富嚣苫C2·o鸯、一1．5疆1．o渔600黔!．，k—Ll、一．一一o．5蕊400200一弛￡一执』．厂。一一|．．、～～～LO。。。二—j未．。一篇i：二：石⋯一．。：。。。一⋯⋯．，。。。，。。。。：，。。。。：，。。。三。一，。。O．OI时问图3．5丰水丰沙年概化过程线Fig．3．5Generalizedprocesslineinmore·water-more—sandyears 第三章电站取水口引水防沙研究47图3．6中水中沙年概化过程线Fig．3．6Generalizedprocesslineinmiddle—water-midlle—sandyears上．q1．2qUU|||i一—1．O⋯·流量曲线一流量慨化线350⋯·台沙量曲线——沙量慨化线300命250U一瞻鑫0．8否逗200⋯慕’婶150是：；洲j＼：0．4100；：拜50一．轻弋～：!，：A～靠～＼一一～一O．2⋯，，一一fn一、U1月1日1月31口a月1日3月31日●一30目5—30目e月29口7片2口日B月2。日口舟27日lo片27日11月2。日12月26日U·U刚‘间图3．7枯水少沙年概化过程线Fig．3．7Generalizedprocesslineinless—water-less—sandyears3．2．3钻根电站首部枢纽取水口的布置钻根电站取水口布置于紧邻冲沙闸右侧岸边，顺河侧向布置于河床右岸，与闸坝轴线平行，形成“侧向进水，正向泄洪、冲沙和排污”的布置格局。该电站进水口设置一道拦污栅和一孔事故闸门。拦污栅闸底板高程2507．OOm，比泄洪冲沙闸底板高18．0m；拦污栅高21．90m、宽8．OOm，闸顶高程2528．90m。一孔进水闸，宽6．4m、高6．4m，底板高程2507．OOm，建基高程2504．5m(见图3．8)。进水闸后通过一长12．OOm的方圆渐变段与引水隧洞相接。 48第三章电站取水口引水防沙研究1，§图3．8钻根电站进水口剖面图Fig．3．8CrosssectionofintakeforZuan’genPowerStation3．2．4钻根电站取水口防沙条件在空库或泥沙冲淤平衡后，当坝前水位保持正常蓄水位2527m运行时，闸前及电站取水口前沿附近水面较为平静，流态好，可以保证该电站取水发电安全；在空库条件下，当坝前水位降低至死水位2523m运行时，库区闸前水面平缓，即使在较大流量情况下，闸前及电站进口附近河段流速较小，仍可保证电站发电引水的要求。在水库泥沙淤积平衡及敝泄冲沙后的运行初期，电站进水口附近河段水流顺畅，流速较小，无不良流念产生，电站取水口含沙量及含沙粒径小，完全满足电站取水发电要求；当水库沉沙运行一段时间后，由于床而抬高，主槽变浅，进入沉沙库段的水流流速增大，在主流左右两侧存在一定范H；l的回流流态，电站进口附近流速有所增加，含沙量及含沙粒径相应增大，此时电站应临时停机，敞泄冲刷库区淤沙，以确保电站取水条件。由予钻根枢纽所在河段河床窄深，电站取水 第三章电站取水口引水防沙研究49口布置于右岸基岩平台，该平台由于与主河床地形高差大，通过在水库不同位置较大量的投放示踪底沙，观测泥沙运动方向和运动路径，发现上游来沙主要是沿河道中部经冲沙闸较顺直地向下游输送，当上游来流量较大全闸敞泄情况下，粗颗粒泥沙很难爬上该平台进入取水口。泄洪冲沙闸闸底板高程为2489．Om，比其上游库区底部高程2482．Om高出7．0m，即使泥沙淤积达到甚至超过闸底板高程，其距拦污栅闸底板高程2507．Om还有18．Om的高差，加之定期停电全闸敞泄冲沙，库区淤积不会对电站取水口构成威胁，电站的防沙条件十分良好。考虑到为满足设计要求的调沙库容，本枢纽拟采取不定期敞泄冲沙的运行方式在模型实测了清水空库。当Q<550m3／s时，坝前水位保持正常蓄水位2527m和死水位2523m运行情况时，库区水面平缓，闸前及电站进口附近河段流速较小。当流速Q=550m3／s，电站发电，冲沙闸和泄洪闸全部均匀开启时，坝前水位按死水位2523m控制时，实测闸前附近河段的最大流速为O．56m／s，实测闸前附近河段流速均在0．5m／s左右。随着流量的增加，电站取水口及闸前附近河段的流速也随之增大，当流量Q>550m3／s时，电站停止发电，泄洪闸和冲沙闸全开泄洪拉沙。例如当流量Q=617m3／s(P=50％)和Q=I270m3／s(P=2．O％)时，此时，全闸敞泄拉沙，实测冲沙闸前最大流速分别为2．01m／s和2．20m／s，泄洪闸前最大流速分别为0．95m／s和1．87m／s。其流速流态分别见图3．9,-．-,3．16。由实测流速分布图可知，在冲沙闸和泄洪闸敝泄冲沙情况下，由于该枢纽缩窄河床较多，坝上游壅水较高，闸前附近的水流流速仍相对较小。图3．9Q=617m3／s闸前流速分布Fig．3．9velocityofSluicewhenQ=617m3／s 第三章电站墩水口引水坊沙研究图310O-I270m3／s闸前流速分布图3IlO=617m3／s敞泄闸前流态圈312Q-I270m’／s敞泄闸前流态’k囤313Q-550m3／s敞泄闸前流态图314Q-976m’／s敞泄闸前流态Fig313flowregim㈣fSIicewhenQ⋯550kFig314flowlegimeofSluicewhenQ-976mJ／s鬻霹 第三章电站取水n引水防沙研究图315Q=1180m3／s敞泄闸前流态圈316Q-1650m3／s敞泄闸前流态Fig315flowregimeofSluicewhenQ-1180m’／sFig316flowregimeofSluicewheno=1650m3／s3．3宝兴河民治电站取水口引水防沙研究31宝兴河流域来水来沙概况(1)恳移质硗碛～民治区间悬移质多年平均输沙量19I万t，多年甲均含沙量O696kg／m3汛期(5-9月)多年平均输沙量187万t，117全年输沙量的979％，悬移质颗粒级配见表311和幽317。表311悬移质颗粒级配表Tab3IlGradationtableofsuspendedsedimentparticlesl粒释D(mm)I小J谋粒径赖粘『质带白分数P(％)《1蓊f，¨If】f】lJ¨¨图317民治电站悬移质颗粒级配曲线Fig3I7GradationtableofsuspendedpalliclesofMinzhlPOWelSlalioll 52第三章电站取水口引水防沙研究②推移质推移质多年平均输沙量为5万t，床沙最大粒径为300ram，中数粒径46mm，河床质颗粒级配见表3．12和图3．18。表3．12民治电站坝址河段床沙颗粒级配表粒径d(mm)O．51．O2．05．0102050100200300小于某粒径颗粒质量百分数P(％)7．109．2012．017．O23．532．552．276．099．O100＼月、了u、于80、＼粒70一狰60一艺护一一重50一＼募40一＼数30一一＼￡20、、、、、V1^vl0001001010．1粒径d(mm)图3．18民治电站推移质颗粒级配曲线Fig．3．18Gradationdistributioncurveofbed—loadgrainsonMinzhiPowerStation③闸前入库流量～推移质输沙率～最大起动粒径关系曲线(表3．10和图3．7)；表3．13民治电站入库流量～推移质输沙率～最大起动粒径表Tab．3．13RelationshipofintakeflowandbedloadtransportrateandthemaxmiumgandsizeonMinzhiPowerStation流量Q(m3／s)6．0414．127．850．879l12129179输沙率gb(kg／s)0．09O．380．92．645．368．910．921．7最人：启动拳矗径l29437295110117147Dn。(mm) 窭_吕蠕褒第三章电站取水口引水防沙研究53图3．19闸前入库流量～推移质输沙率～最大起动粒径关系曲线Fig．3．19Relationshipcurveofintakeflowandbedloadtransportrateandthemaxmiumgandsizeontheupstreamofsluicegates3．3．2民治电站典型年水沙过程概化宝兴河水沙变化的特点是汛期与枯季流量相差相对较小，但沙量相差较大，汛期沙量可占全年的97．6％，因此将汛期作为重点，尽量将时段分细，以便研究水库冲淤变化及对电站进水口引水防沙的影响，按照水量平衡原则将中水中沙年水沙过程分为20个时段，概化后的水沙变化过程见图3．20。图3．20民治电站中水中沙年水量及沙量概化过程线Fig．3．20Generalizedprocesslineinmiddle—water-midlle-sandyearsofMinzhiPowerStation3．3．3民治电站首部枢纽取水口的布置民治电站取水口布置于闸坝上游附近的右岸岸边，紧邻冲沙闸，与坝轴线成 54第三章电站取水口引水防沙研究1100夹角，采用岸塔式进水口型式，通过渐变段与引水隧洞相连。该电站进水口宽21m，由2孔净宽7m的孔口组成，进水口底板高程1578．5m，设有2道拦污栅，取水口前沿设有防漂墙，冲沙闸左侧设有长25m，顶高程1585m的束水墙与电站进口前沿的“人”字型导(拦)沙坎和塔式进水口共同组成该电站的取水防沙系统，以满足取水口门前清，保证电站引水防沙的要求，如图3．21。I一一l一一I一一l拦污栅槽——，。。。^正常蓄水位＼71587．0防漂墙’J：盯1584．00／j孵7k佶弋—71‘Rd气n-=--≮-71585．0、雌明580．o导沙坎少V1578．5▲V1575．0涂×日15．0可t『71水J、№fI叫＼-71573．02．卜¨·’一·．．．．‘．-：．／图3．2l民治电站进水口剖面图Fig．3．21CrosssectionofintakeforMinzhiPowerStation3．3．4民治电站取水口防沙条件①民治电站取水条件在空库或泥沙冲淤平衡后，当坝前水位保持正常蓄水位1587m运行时，闸前及电站取水口前沿附近水面较为平静，流态好，可以保证该电站取水发电安全；在空库条件下，当坝前水位降低至防汛限制水位1584．5m运行时，库区闸前水面平缓，即使在较大流量情况下，闸前及电站进口附近河段流速较小，仍可保证电站发电引水的要求；例如当流量Q=166m3／s，电站发电，冲沙闸和泄洪闸分别控制开启，坝前水位按汛限水位1584．5m控制时，实测闸前附近河段的最大流速为0．71m／s，随着流量的增加，电站取水口及闸前附近河段的流速也随之增大，当流量Q=539m3／s(P=2％)和Q=697m3／s(P=0．2％)时，实测闸前最大流速分别为1．58m／s和2．18m／s。在水库泥沙淤积平衡及敞泄冲沙后的运行初期，电站进水口附近河段水流顺畅，流速较小，无不良流态产生，电站取水口含沙量及含沙粒径小，完全满足电站取水发电要求；当水库沉沙运行一段时间后，由于床面抬高，主槽变浅，进入沉沙库段的水流流速增大，在主流左右两侧存在一定范围的川流流态，电站进几附近流速有所增加，含沙量及含沙粒径相J娩增大，此时电站应临时停机，敝 第三章电站取水口引水防沙研究55泄冲刷库区淤沙，以确保电站取水条件。②电站取水口防沙条件民治水电站首部枢纽所在河段相对顺直，电站取水口布置于紧邻冲沙闸的右岸岸边。根据枢纽所在河道的水文特性，本河段常年流量较小，主要用于电站取水发电，基本不会出现电站既取水发电，泄洪冲沙闸又开启冲沙的情况，因此，一方面在枢纽壅水运行时，大量泥沙淤积于库区，需适当控制闸前泥沙淤积形态以及推移质泥沙洲头位置和高程，才可避免粗沙进入电站取水口；另一方面电站的取水防沙效果还体现于枢纽临时敞泄冲沙过程之中。由上述库区冲沙试验成果可知，原设计方案中束水墙及导沙坎等防沙设施的布置主要存在以下问题：1)在水库泥沙冲淤平衡后，坝前主河槽位于河道中部偏左岸一侧，左右两岸边泥沙淤积洲面相对较高，尤其是电站上游导墙附近淤积洲面更加突出，其高程达到1580"--"l584m，高出主河槽4"--6m。在枢纽敞泄冲沙时，由于冲沙闸过流量小，对电站取水口附近的冲沙影响范围极为有限，加之束水墙阻隔，限制了左侧泄洪闸泄流对坝前河道右侧淤沙的冲刷能力，致使取水口上游导墙前的淤沙洲面高程难以降低，势必增加电站取水含沙量和粒径，不利于电站安全运行。2)拦沙坎上游与取水口交角偏大，阻流明显，难以起到导沙的作用。同时拦沙坎下游端为开敞布置，在枢纽敞泄冲沙过程中，受拦沙坎尾端挑流和冲沙闸右闸墩阻流作用，大量推移质泥沙通过拦沙坎下口倒灌入拦沙坎内，致使拦沙坎内侧淤积了大量粗沙。而在枢纽保持汛限水位运行的情况下，临时开启冲沙闸，也不能将这部分淤沙冲走。这表明，拦沙坎内将会出现累积性泥沙淤积，直接影响电站正常发电。试验对原设计方案防沙设施布置进行了修改，主要包括：(1)在保持束水墙尺度不变的条件下，将原束水墙移至两泄洪闸之间的闸墩前，同时在冲沙闸左侧设一短墙，长8．Om，顶高程1584．5m；(2)在保持原拦沙坎顶高程1580．Om不变的情况下，调整拦沙坎平面布置，将拦沙坎上段与进水口平面的交角由原设计的500减小为400，将两段拦沙坎之间的折线连接改为弧线连接，并增加拦沙坎长度，使之与右侧闸墩衔接；(3)为排出拦沙坎内侧可能的少量淤沙，在拦沙坎术端丌孔，开孔尺度2．Omxl．5m，孑L底高程l577．Om，同时将拦沙坎内侧区域的底板高程增大，并采用斜坡布置的方式，底板下端高程为1577．Om，上端高程1578．5m。有关详细布置尺度参见图3．22。 56第三章电站取水口引水防沙研究图3．22民治电站取水口防沙设施修改优化布置图Fig．3．22ThesedimentpreventionmeasuresforwaterintakeofMinzhiPowerStation在上述调整电站取水口防沙系统布置的基础上，进行了枢纽敝泄冲沙及中水中沙年输水输沙试验。试验观测结果表明，由于修改方案充分利用了泄洪闸泄流量大的特点，增大了对闸前河道右岸淤沙的冲刷强度和影响范围，可使电站取水口上游导墙前泥沙淤积洲面高程由冲沙前的l580．0m降低至1578．0m左右(冲沙流量为30m3／s)，冲沙后闸前河道主槽有所右移，同时在水库排沙过程中拦沙坎导沙作用明显，排沙顺畅，未出现推移质翻坎现象，达到了较好的防沙效果。中水年输水输沙试验结束后，实测电站总进沙量约占上游来沙总量的O．87％，基本为悬沙，级配列于表3．14中。表3．14民治电站中水中沙年电站进沙级配表Tab3．14TableoftheninletsedimentgradatioonMinzhiPowerStation粒径组d(mmltO．010．OltO．25O．25～0．5O．5～1．0f!J‘总量百分比(％)61．8023．6210．124．48在楸纽正常发电期，因水深较大、流速较低，悬移质泥沙可能在拦沙坎内侧落淤，为了研究拦沙坎内侧淤沙的排除情况，试验在泄洪冲沙闸敞泄冲沙的非恒定条件下，对取水II附近的水位及流速变化过程进行了观测。测点布置情况是：2 第三章电站取水口引水防沙研究57个水位测点，分别布置于冲沙闸前(拦沙坎上的孔口外)和拦沙坎内侧；2个流速测点分别设置在拦沙坎内上段和下段的底部，横向依次对应于2个进水口中线。试验观测结果如图3．23。由图可见，在泄洪冲刷闸敞开泄流时，闸前水位逐渐降低，电站取水口前底部的流速迅速增大，坎内上段底部流速可增大至l～2．Om／s，坎内下段流速可增大至0．8--一1．5m／s，持续时间约15min，在闸前水位降低至1580．Om左右时，受拦沙坎隔流作用，电站进口前的流速迅速减小至O，以后拦沙坎内水位随闸前水位的降低而逐渐降低。1585158415831582水158I位Z(m)15801579157815771576图3．23泄洪冲沙闸敞泄时电站进口附近水位流速变化过程Fig．3．23VelocityvariationprocessnearwaterintakewhenthegateisopenonMinzhiPowerStation在此基础上，试验按多年悬沙级配组成细颗粒泥沙铺于取水口前的拦沙坎内进行电站停机泄洪冲沙闸敝泄冲沙试验，进一步观测枢纽敞泄冲沙过程中拦沙坎内淤沙的冲刷情况。试验观察到，随着水流流速的迅速增大，坎内大部分泥沙被扬起，并随水流由冲沙闸排出，在水位降至1580．Om后，坎内进水口前的淤沙基本被冲走，下端残存少量淤沙，随着水位的降低，也基本上通过拦沙坎上的孔口带出，冲沙结束后，坎内淤沙甚少。通过适当调整电站取水防沙没施的布置，大大改善了本电站取水口的防沙效果。3．4本章小结水沙过程的概化原则足既尽量反映水峰和沙峰的变化过程，使水沙同步变化，同H、J‘又照顾到试验操作的条件和可能性。由于西南l【I区河流水沙变化的特点是汛流速V(m／s) 58第三章电站取水口引水防沙研究期与枯季流量相差相对较小，但沙量相差较大，汛期沙量占全年的比例很高，因此将汛期作为重点，尽量将时段分细，以便研究水库冲淤变化及对电站进水口引水防沙的影响。设计取水121引水防沙方案时，应尽量满足取水13门前清的条件，采用合理的排沙措施进行电站引水排沙，最大程度地减少进入取水13的泥沙及及时有效地排走电站取水口的泥沙。 第四章以库代池方案沉沙试验研究594．1以库代池方案概述“以库代池”是指利用水库沉沙，采用敞泄排沙的泥沙调度方式，以降低引水含沙量，确保过机含沙量在规范允许范围内。其机理为建闸壅水后，闸前流速降低，泥沙淤落，在洪水期，打开闸孔降低水位大排大泄进行溯源冲刷，把中小水期抬高水位运行时淤积在库内的泥沙排往下游，同时冲刷出库容供重新淤积之用，如此交替运用，达到长期保持调节库容的目的。在山区河流修建水电枢纽往往会修建相应的辅助设施，如沉沙池、调压井等，而民治电站则是采用以水库代替沉沙池的方案，即“以库代池"。以水库代替沉沙池进行沉沙和冲沙，则可取消地下沉沙池，大幅度降低工程造价，缩短电站建设工期。通过水库泥沙调度进行沉沙和冲沙试验，起到了传统的地下沉沙池的效剽23～2副，为工程节约了投资并且减少了工程量。宝兴河民治电站通过改变水库运用方式，合理的控制水库泥沙淤积和排泄水库中的泥沙，可保证设计所需长期有效的日调节库容，取得了良好的效果。本章重点针对宝兴河民治水电站首部枢纽“以库代池”方案冲沙及沉沙效果，根据设计单位数模计算的库区淤积地形及床沙组成铺沙进行输沙试验，研究不同流量情况下水库库区的冲沙效果包括水库冲刷长度、宽度、深度及冲刷量等。按设计拟定的水库运行方式进行中水代表年系列输沙试验，根据闸前泥沙淤积情况适时敝泄冲沙，观测电站取水口的引水防沙效果，包括进沙比和颗粒组成以及库区泥沙冲淤变化情况。4．2试验目的及方法4．2．1试验目的民治水电站是以发电为主的引水式日调节电站，电站装机120MW，发电引用流量Q电--62m3／s。根据工程河段中水中沙典型年逐日平均流量资料分析可知，全年逐同平均流量尚未出现电站满发所需的流量，在水库的运行中基本上不会出现既引水发电，同时又开启冲沙闸和泄洪闸冲沙的运行工况。因此，同调节库容的保障及电站取水几的防沙效果完全依赖于首部枢纽的临时敞泄排沙能力及敞泄前淤积洲面高程的有效控制。本试验着重研究“以库代池”方案首部枢纽电站的取水防沙能力，包括电站停机敞泄冲沙能力、恒定流库区沉沙效果以及中水中沙年的输沙试验等问题，并提出合理的水库渊度运行方式【2刨。 第四章以库代池方案沉沙试验研究4．2．2试验方法及过程在通常情况下，枢纽建成后水库水位抬高，流速减小，水流挟沙能力降低，枢纽运行初期坝前淤沙颗粒相对较细，经一定时期运行推移质逐渐达到坝前，水库发展成河道型水库，库区泥沙冲淤达到相对平衡状态。为了缩短试验时间，又能探求到库区泥沙冲淤达到基本平衡状态后电站取水1：3的引水防沙效果，冲沙试验前先按照成勘院计算的库区泥沙淤积地形及相应级配的床沙组成铺挚泥沙，然后上游施放某一流量，通过电站取水口出流，使坝前水位控制在汛限水位1584．5m，待运行稳定后，关闭电站，全部开启泄洪冲沙闸敝泄冲沙，以观测近坝段库区泥沙的冲刷情况，敞泄冲沙时间持续9分钟(相当于原型河床冲刷6小时)，最后测定冲刷地形和相关泥沙资料。在上述冲刷地形的基础上进行恒定流沉沙试验，观测库区内沉沙初期及后期的电站进水口的含沙量及颗粒级配组成，悬移质沉降率等。再按概化后的水文年进行系列输沙试验，观测库区泥沙冲淤状态及其对电站取水防沙的影响情况，并提出电站取水防沙的改进工程措施。4．3闸前水流条件考虑到为满足设计要求的调沙库容，本枢纽拟采取不定期敞泄冲沙的运行方式在模型实测了清水空库条件下，当Q=30m3／s，50m3／s，80m3Is和166m3／s四级流量时冲沙闸和泄洪闸全开敞泄情况下闸前流速分布(见图4．1～4．4)。由实测流速分布图可知，在冲沙闸和泄洪闸敞泄冲沙情况下，由于该枢纽缩窄河床较多，坝上游壅水高，闸前附近的水流速仍相对较小。例如：当流量Q=30m3Is、50m％、80m’／s和166m3／s时，实测闸前附近河道最大流速仅分别为1．55m／s，1．79m／s，2．05m／s和2．38m／s。泄洪冲沙闸敞泄冲沙时，民治电站闸前水位流速变化过程见图4．5。 第四章以库代池方案沉沙试验研究61澄滋湖冲沙嗣敬滋⋯⋯一窿挪泷速图4．1Q=30m3／s泄洪冲沙闸敞泄坝前河道流速分布图Fig．4．1VelocityofSluicewhenQ=30m3／s溘滋翘挣涉阐皱游⋯⋯一震荔滋缝图4．2Q=50m3／s泄洪冲沙闸敞泄坝前河道流速分布图F嘻4．2VelocityofSluicewhenQ=50m3／s 62第四章以库代池方案沉沙试验研究缎涣弼狰汐弼缎滚⋯⋯一巍黢搋逸图4．3Q=80m3／s泄洪冲沙闸敞泄坝前河道流速分布图Fig．4．3VelocityofSluicewhenQ=80m3／s漩浼鲷冲沙溺皴淹⋯⋯一，氍嬲流速图4．4Q=166m3／s：}|{f洪冲沙闸敝泄坝前?IIJ道流速分布图F嘻4．4VelocityofSluicewhenQ=166m3／s 第四章阻库代池方案沉沙试验研究图4．5全闸敞泄肘民治电站闸前水位流速变化过程Fig,4．5VelocityvadationprocessnestwaterintakewhenthegaleisopenonMit3zhlPowerStation4．4停机敞泄冲沙能力观测如前所述，民治电站取水口布置于紧邻冲沙闸右岸岸边，由于民治电站水库库容较小，入库沙量相对较大，水库泥沙冲淤平衡所需时间相对较短，因此不同流量情况下电站停机敞泄的冲沙效果，包括冲刷量、冲刷后的河床地形条件、泥沙的有效调节库容及对电站取水防沙的影响等问题，是工程建设单位、设计单位十分关心的。嗍。为了探索民治电站枢纽建成后的敞泄冲沙能力，根据试验任务的要求，在设计计算的库区淤积地形的基础上分别施放了三级流量Q一30m3／s、45m3／s、60m3括，观测库区冲刷地形，包括溯源冲刷的范围，冲刷深度和冲刷后的河床形态等。根据试验观察，泄洪闸和冲沙闸闸门开启次序对闸前淤沙冲刷效果影响较大，如先开启泄洪闸，后开启冲沙闸，则闸前右岸电站一侧河道的冲刷效果较差，对电站取水防沙不利，反之，则冲刷效果相对较好。这是由于泄洪闸过流量较大，冲沙闸过流量较小，受束水墙隔流影响，泄洪闸泄流对右侧电站附近淤沙的冲刷作用小，在首先开启泄洪闸时闸前淤沙被迅速冲刷，主槽首先在闸前河道中左侧形成，随着水位的降低，水流归槽，右岸电站一侧床面相对较高进一步限制了冲沙闸的冲沙效果a因此，试验确定的开门次序足，首先开启冲沙闸，再开启中孔泄泱闸，最后开启左测泄洪闸。试验分别观测了Q=30m3／s、45m3／s、60m3／s三级流量情况下，坝前水位控制在汛限水位15845m时，泄洪冲沙闸敞泄冲沙9分钟(相当于原型时间约6小时)，库区淤沙的冲刷情况，待试验结束停水后测定冲刷地形(图46-48)，计算淤沙冲刷量。模型试验结果见表41和图49。 第四章以库代池方案沉沙试验研究表41电站停机敞泄冲沙库区冲刷情况表敞泄冲沙流量与坝轴线距离Q-30m：bQ=45m3／sQe60m"／s(m)冲刷深泓冲刷铎泓冲刷深泓宽度深度高程宽度深度高程童度深度高程(m)(113)(m)】5726D．n87】577630-129246157964157904158012l5799315796739215811236．4158068236255-1．73158208158l8I158242l5821ll5835620I1582．650-604015842651l584lO851583481584481584483158436冲《帐度fml冲刷总量(万“)固4,6Q=30m3／s冲刷淤积FigA．6ScourdepositionwflenQ=30ma／s 第四章以库代池方案沉沙试验研究图4．7Q=45H，B冲刷淤积Fig47Scourdepositionwhen0=45m3／s图4．80=60m3／s冲刷淤积Pig48Scourdepositionwhen0=60m’sld4．9讹洪冲沙闸冲沙6h扁片K河道纵削而幽F嘻49Sandflushingsluicespillwayinlhereservoirarcaufier6hriverlongitudinalprofilemap 第四章以库代池方案沉沙试验研究根据试验观察和模型实测库区冲刷地形资料，枢纽敞泄冲沙过程和冲刷后的库区河道地形的主要特点是：(1)在冲沙闸和泄洪闸敞泄排沙过程初期，由于闸坝上下游水位差较大，水面比降陡，水流挟沙能力强，加之库区淤积沙洲高，使闸前淤积河道呈现“泥石流效应”，大量泥沙随水流向下游快速崩塌、输移，随着冲刷时间的逐渐增长、闸前河道主槽的形成和上游水位的快速降落、归槽，闸前水面趋平，冲刷能力逐渐减弱，而随着陡比降段水流向上推移，朔源冲刷较为明显，在冲刷后期因主河槽两岸形成较陡的边滩，受水流淘刷根部的作用，呈现“坍岸冲沙”的现象，随着库内泥沙冲刷的发展，河槽逐渐向顺直微弯方向发展；(2)各级敞泄冲沙流量情况下，闸坝上游均发展成呈微弯的“S”形态，库区泥沙冲刷形态基本相似，冲刷部位基本相同。但敞泄冲沙流量的越大，对库区淤沙的冲刷效果越好，即库区冲刷范围越长，冲刷深度和宽度越大；当冲沙流量Q=30m3／s时，库区泥沙冲刷长度约为500m，冲刷量3．52万m3，闸坝上游30处(CS2拌计算断面)的冲刷宽度40m，河床深泓线高程1577．18m，坝上游160m处河床冲刷宽度30m，最大冲刷深度约为3m，河床深泓线高程1580m；当冲沙流量Q=45m3／s时，库区泥沙冲刷长度约为610m，冲刷量4．25万m3，坝上游30处的冲刷宽度42m，河床深泓线高程1577．6m，坝上游160m处，河床冲刷宽度约为32．5m，最大冲刷深度3．2m，河床深泓线高程1579．9m；当冲沙流量Q=60m3／s时，库区泥沙冲刷长度约为734m，冲刷量5．14万m3，坝上游30处的冲刷宽度48m，河床深泓线高程1577．63m，坝上游160m处，河床冲刷宽度约为34．2m，最大冲刷深度3．55m，河床深泓线高程1579．67m(沿程深泓线高程分布见图4．10)；图4．10沿程深泓线高程分布Fig．4．10Heightdistributionofthaiwegalongtheline 第四章以库代池方案沉沙试验研究67(3)随着距离坝轴线越远，河床的冲刷能力逐渐减弱，冲刷宽度逐渐变窄，冲刷深度逐渐减小，直至恢复敞泄冲刷前的河床地形【35J；(4)各级敞泄冲沙流量情况下，闸前左岸淤沙的冲刷效果较好，右岸电站一侧淤沙的冲刷效果较差。受拦沙坎上游段与电站进口面交角偏大，加之冲沙闸流量小，束水墙隔流作用等影响，电站进口上游的淤沙洲面范围和高程未能得到有效地降低，对电站取水防沙极为不利；(5)冲沙过程中，当闸前水位降至拦沙坎顶(高程为1580．Om)附近时，受拦沙坎尾端和冲沙闸右闸墩阻流作用，大量推移质泥沙通过拦沙坎下口倒灌入拦沙坎内，致使拦沙坎内侧淤积了大量粗沙【3“371。根据上述试验结果，对于敞泄冲沙流量Q=30m3／s，其冲刷库区淤沙的总量为3．52万m3，如果取淤沙干重丫o=1．6‰3计算，则每次冲刷淤沙约为5．6万t，按每年敞泄冲沙4次计，则每年冲刷淤沙总量约22万t，而民治电站上游入库沙量为19．1万t(悬移质)+5万t(推移质)--24．1万t，考虑到悬移质中的部分冲泄质随水流通过电站排往下游，即使每年按冲沙流量Q=30m3／s敞泄冲沙4次，也可基本维持上游总量来沙与水库排沙总量的平衡关系。这表明，民治电站泄洪冲沙闸敞泄冲沙可达到较好的冲刷效果，满足设计拟定的调节库容要求。4．5库区沉沙试验民治电站的首要任务是取水发电，研究该首部枢纽电站的取水条件，包括库内来沙的沉降率及电站的进沙情况等问题也是本模型试验的一项重要内容。为了推求库区泥沙淤积变化，研究相应来沙沉降率是否满足设计要求，在模型上进行了恒定流沉沙试验【31~331。沉沙试验是在前述流量Q=45m3／s，电站停机冲沙闸和泄洪闸敞泄冲沙6h(原型时问)库区淤积地形基础上进行的。试验开始时首先逐步缓慢关闭冲沙闸和泄洪闸，将闸前水位抬高至汛限水位1584．5m，再开启电站取水口闸门引水，使电站正常取水发电，在模型入口处控制水流含沙量，使之达到多年平均含沙量(S=O．696kg／m3)，然后观测电站进口前的水流含沙量及相应粒径级配，计算沉沙率。试验分别观测了库内沉沙初期和后期的悬移质沉降率(后期控制条件是电站取水口前泥沙淤积高程略高于取水口底坎高程1578．5m)，同时测定闸酶一卜游300m河段范围内的流速分布情况。由表4．2和实测库内悬移质含沙量资料可以看出，在水库冲沙后蓄水运行初期，当流量Q--45m3／s、60m3／s和75m3／s时，坝前300范围内一L段最火流速依次为0．8m／s、1．2rn／s和1．8m／s：下段最大流速为0．5m／s、0．8m／s和1．0m／s；电站取水口附近流速亦随流量增大而最增大，在0．6～1．1m／s。』：游进l-]处的悬移质含沙量基 68第四章以库代池方案沉沙试验研究本与该河段多年平均含沙量一致，分别为0．691kg／m3、O．701kg／m3和0．695kg／m3，而电站取水口前沿附近的悬移质含沙量分别为O．12kg／m3、0．16kg／m3和0．19kg／m3，由此计算可得库内沉沙初期悬移质总沉降率分别82．6％、77．5％和72．7％。对于各粒径组沉沙率，可通过实测含沙级配进行计算得到。沉降初期库内悬移质泥沙粒径大于0．25mm部分的沉降率分别约占92．4％、90．3％和87．9％，沉沙效果较好。表4．2沉沙初期及后期悬移质含沙量及沉降率统计表Tab．4．2Statisticaltableofsludgesettlementratioandsedimentconcentrationforsediment—ladenriverintheearlyandlateperiods沉沙初期沉沙后期流量位置含沙量库区泥沙含沙量库区泥沙(kg／m’)沉降率(kg／m3)沉降率模犁进口0．69l0．697Q=45m3／s82．6％61．2％取水口前沿O．120．270模型进口O．7lO．712Q=60m3／s77．5％54．9％取水口前沿O．160．320模型进口0．6950．698Q=75m3／s72．7％51．3％取水口前沿O．190．340在库内泥沙淤积达到一定程度，即当闸前140m处的平均深泓水深小于约4m左右时，按照上述同样方法也观测了水流流速分布和库内悬移质泥沙的沉降率。在流量Q=45m3／s、60m3／s和75m3／s情况下，实测坝前上段150～300m范围内主流区较初期增宽，最大流速增至1．1～1．5m／s、1．3"--2．1m／s和1．5～2．1m／s，坝前下段河道左右两侧存在一定范围的回流流态，主流偏靠右岸，最大流速依次为O．66m／s、0．8rn／s、1．1m／s；实测库内沉沙后期模型进口处的悬移质含沙量分别为0．697kg／m3、0．712kg／m3和0．698kg／m3，而电站取水口前沿附近的悬移质含沙量分别为0．280kg／m3、0．320kg／m3和O．340kg／m3，因此库内沉沙后期悬移质沉降率分别为61．2％、54．9％和51．3％。根据实测含沙量级配资料可计算出，库内悬移质泥沙粒径大于0．25mm部分的沉降率分别约占81．5％、78．O％和75．2％，含沙量及库区泥沙沉降率分布见图4．1l。由此看出，由于在沉沙后期库内泥沙大量淤积，有效库容减小，水深变浅，流速增大，水流挟沙能力增强，使库内沉沙段向闸前萎缩，沉沙率相应降低，沉沙效果减弱，需要敞泄冲沙，控制闸前泥沙淤积洲面高程， 第四章以库代池方案沉沙试验研究增大库容，减小流速，提高泥沙沉降率，确保电站机组运行安全【341。图4．11含沙量及库区泥沙沉降率分布Fig．4．11Sedimentconcentrationandsedimentationrateofsedimentdistributioninthereservoirarea表4．3不同时期模型进口及电站进口含沙级配及分组沉降率表Tab4．3Sludgesettlementratiolistandgroupinggradationofpowerstation’Sinletssedimentationrateinthemodelofdifferentperiods时期粒径组流量位置～0．1O．1～O．25O．25～O．500．50--1．01．O～3．0初期模型进口69．516．27．86．50．0电站进水口80．714．64．71．50．O45分组沉降率79．8％84．3％92．4％后期模巧!进口72．4715．605．55．131．3电站进水口80．513．83．42．30分组沉降率57．6％66．2％81．5％初期模型进口66．217．37．47．O2．1电站进水口76．416．55．02．10．060分组沉降率73．4％78．5％90．3％后期模璎进|_j69．6816．446．785．701．80电站进水口78．814．24．302．700．0沉降率49．03％61．1％78．0％初期模型进口68．06％16．75％6．7％6．16％2．33％lU站进水口77．0％16．3％4．2％2．5％0．0％75分组沉降率69．1％73．4％87．9％后期模型进口71．4％15．4％5．7％5．3％2．2％lU站进水口79．6％13．7％3．9％2．8％0．O％分组沉降率45．7％56．7％75．2％ 70第四章以库代池方案沉沙试验研究4．6中水中沙年输沙试验在修改优化电站取水口防沙布置的基础上，进行了中水年输沙试验。输沙试验首先根据库区泥沙淤积地形资料及床沙级配铺沙，施放流量Q=30m3／s，并敞开泄洪冲沙闸冲沙6h，然后再按概化后的中水中沙年水量、沙量过程进行泥沙输移试验，当闸前约140m沉沙库段平均深泓水深小于约4．5m时停止加沙试验，观测库区泥沙淤积地形，而后继续放水，电站停机并全部开启冲沙闸和泄洪闸敝泄冲沙6h(原型时间)，再次测定库区泥沙冲刷地形。然后重新将闸前水位恢复至汛限水位1584．5m继续进行输沙试验。中水中沙年水量、沙量过程概化结果如表4．4。在枢纽运行过程中需要敞泄冲沙时，观测了取水口内的进沙量及相应粒径级配，以此计算水库运行期悬沙沉降率，见表4．6；并施测中水中沙年冲沙前后的民治电站库区闸前淤积，见图4．12和4．13，冲沙前后河道地形变化见图4．14~4．20。根据该地形资料，可计算出枢纽敞泄冲沙量，如表4。5。表4．4中水中沙年概化过程表施放次序流量时间悬沙输沙量推移质沙量备注Q(m3／s)(天)(万t)(3JDl30451．422．96考虑了平枯期沙量2402O．860．05敞}il}冲沙6h330120．72O．2644543．58O．13530272．87O．58敞i|{f冲沙6h649．623．270．0773091．100．19敞泄冲沙6h849．122．330．0794041．480．09lO3091．720．4l敞泄冲沙6h合计10519．354．81 第四章以库代池方案沉沙试验研究图412民治电站库区闸前计算淤积地形图413中水中沙年闸前泥沙淤积实测Fig412SsedimentationterrainofupstreamreservoirFig．413SedimentdepositionollIheupstream表4．5中水中沙年敞泄冲沙流量与冲沙量表敞泄冲沙次数第一次第二次第三次第四次敞泄冲沙流量Otm’，s1冲沙总量(万m3)表4．6中水中沙年水库运行期(坝前水位15845m)悬移质沉沙率表Tab46Depositionrmeofsuspendedsedimentinreservoiroperationperiodfwaterlevelisl5845m|j5；库遥行第1次冲沙前第2玖冲沙前第3次冲沙前第4扶冲沙前l孙嚣组025～l悬沙沉降l率(％)866图414中水中沙年；十沙前后河道地形变化断面图(0-30m1Fig414Theriverterrahlchangesotsectioninmiddle-walef—midlle-sandyear(O-30m) 72第四章以库代池方案沉沙试验研究盛：勰(m)图4．15中水中沙年冲沙前后河道地形变化断面图(0-129m)Fig．4．15Theriverterrainchangesofsectioninmiddle-water-midlle—sandyear(o一129m)图4．16中水中沙年冲沙前后河道地形变化断面图(O．164m)Fig．4．16Theriverterrainchangesofsectioninmiddle—water-midlle—sandyear(O一164m)趔避1∞01595lSOO15f．：51580】57S15700206080100120140蓐{离图4．17中水中沙年冲沙前后河道地形变化断面图(O一257m)Fig．4．17Theriverterrainchangesofsectioninmiddle—water-midlle-sandyear(o一257m) 第四章以库代池方案沉沙试验研究73l毪￡li审OIl自目B1j辨喜嘲堪IS啦I#∞l蠢78157矗1．q74∞loo鹫寓《m)图4．18中水中沙年冲沙前后河道地形变化断面图(O．331m)’圣0Fig．4．18Theriverterrainchangesofsectioninmiddle—water-midlle-sandyear(0-33lm)诅膏㈣图4．19中水中沙年冲沙前后河道地形变化断面图(o一361m)Fig．4．19Theriverterrainchangesofsectioninmiddle-water-midlle—sandyear(0—361m)图4．20中水中沙年冲沙前后河道地形变化断面图(O一471m)Fig．4．20Theriverterrainchangesofsectioninmiddle—water-midile—sandyear(0—471m) 74第四章以库代池方案沉沙试验研究根据中水年输沙试验结果【8】：(1)在水库敞泄冲沙后的运行初期，坝前河道主槽明显，在上游段悬移质中粒径较粗的部分泥沙沉降于主槽床面，并以推移质沙洲的形式沿河道主槽向闸前运动，河道水深逐渐随之变浅，流速增大，当沙洲运动至坝前O+140m处，使该断面主槽深泓水深减小到4．5m左右时，电站停机，水库敞泄冲沙6h。这种情况在中水年汛期出现4次，冲沙流量依次为40m3／s、30m3／s、30m3／s、30m3／s；施测冲沙前后的河道地形可计算出第1次、第2次、第4次冲沙总量为4．08万m3、3．26万m3、3．11万m3；(2)在敞泄冲沙后水库运行的初期至末期，粒径d=O．1～O．25mm的悬移质平均沉降率依次为72．5％、73．4、72．8％和74．6％；粒径d>O．25mm以上的悬移质平均沉降率依次为87．6％、86．2％、86．6％、87．0％，均大于80％，满足设计要求；(3)在敞泄冲沙后水库运行后期，即坝前0+140m处深泓水深控制在4．5m左右时，闸前O+30m范围内淤沙后的河床较为平缓，淤沙高程一般在1578～l579m之间，低于拦沙坎顶高程。在拦沙坎上段前缘，淤沙高程相对较高，为1579．5m左右，已接近拦沙坎顶高程，该处的泥沙淤积对电站取水防沙影响较大，可作为枢纽敞泄冲沙监控的参考条件；(4)在敝泄冲沙末期，受冲刷时间所限，出闸水流含沙浓度仍然很高，随着泄洪冲刷闸的逐渐关闭，闸下出流量及流速逐渐减小，挟沙力迅速减弱，致使大量泥沙在闸下消力池及河道落淤，消力池内淤沙高程为1574"--"1575m左右。但在下一次敞泄冲沙开启泄洪冲沙闸初期，这部分淤沙可基本被冲向下游。第一、二、四次中水中沙年敞泄冲沙前、后河道淤积地形图见图4．21~4．26。图4．2l中水中沙年敞泄冲沙前河道淤积地形图(第一次)Fig．4．2lSedimentationterrainbeforesluicingwhenthegateisopeninmiddle—water-midlle—sandyears(the1sttime) 第四章以库代池方案沉沙试验研究75图4．22中水中沙年敞泄冲沙后河道淤积地形图(第一次)Fig．4．22Sedimentationterrainaftersluicingwhenthegateisopeninmiddle—water-midlle-sandyears(the1sttime)图4．23中水中沙年敞泄冲沙前河道淤积地形图(第二次)Fig．4．23Sedimentationterrainbeforesluicingwhenthegateisopeninmiddle—water-midlle—sandyears(the2ndtime) 76第四章以库代池方案沉沙试验研究图4．24中水中沙年敞泄冲沙后河道淤积地形图(第二次)Fig．4．24Sedimentationterrainaftersluicingwhenthegateisopeninmiddle—water-midlle—sandyears(the2ndtime)图4．25中水中沙年敞泄冲沙前河道淤积地形图(第四次)Fig．4．25Sedimentationterrainbeforesluicingwhenthegateisopeninmiddle—water-midlle—sandyears(the4thtime) 第四章以库代池方案沉沙试验研究图4．26中水中沙年敞泄冲沙后河道淤积地形图(第四次)Fig．4．26Sedimentationterrainaftersluicingwhenthegateisopeninmiddle·water-midlle—sandyears(the4thtime)4．7本章小结在山区河流河道地形特别狭窄的地方，为节省投资，减小工程量，保持电站所需日调节库容，一般利用水库替代沉沙池，即“以库代池”的沉沙方案，使水库成为电站的沉沙池，以达到取水防沙和恢复调解库容的目的。上述试验结果表明，民治枢纽库容42．5万m3，调节库容21．6万m3，采用“以库代池”方案，在一般情况下水库壅水，电站正常运行发电，上游来沙大部分沉积于库内，待泥沙淤积达到一定规模后，关闭电站，将泄洪闸和冲沙闸全部开启泄洪拉沙，形成溯源冲刷，可以起到确保一定调节库容及沉沙库段，满足电站同调节发电的良好效果。 78第五章库区泥沙淤积计算分析本章利用一维不平衡输沙数学模型，综合考虑了水库设计中的各种主要因素，譬如水库运行方式、大坝规模、坝址、泄流设施等因素，对宝兴河民治电站水库泥沙淤积进行了计算，并分析了水库运行10年及20年后的断面淤积情况。宝兴河泥沙以悬沙为主，悬移质年平均输沙量占输沙总量的85％以上，悬沙颗粒粒径较细，中值粒径为0．027I／1Ill。5．1一维泥沙数学模型概述5．1．1一维泥沙数学模型研究现状泥沙数学模型最初的应用起始于20世纪50年代初期，一维数学模型主要用于大型水库的淤积和坝下游冲刷进行长时期和长距离的河床变形的分析计算，20世纪70年代泥沙数学模型的研究得到快速发展，许多数学模型开始运用于水库泥沙研究。泥沙数学模型分为水动力学、水文学以及水文学与水动力学结合的水文水动力学三类，三类泥沙数学模型虽然都得到了不同程度的应用，在河流泥沙领域以水动力学泥沙数学模型的应用与发展最为普遍与突出。一维泥沙数学模型研究计算断面的平均水力泥沙因素及河段的平均冲淤厚度的沿程变化及因时变化情况，自五十年代开始，至今已得到了相当的发展¨们，提出了许多模式，得到了广泛的应用。特别是近年来随着计算机和计算技术的发展，一维模型更显示出周期短、费用低的巨大优势，从较短时间的洪水预报到长时期的河床冲淤计算都得到了广泛的应用。我国在三峡工程泥沙问题的研究中，就曾运用一维模型分别对坝上、坝下游进行长河段、长系列、多方案变形计算【11~13J。近年来，国内外学者还利用一维数学模型与二维、三维模型联合应用发展了嵌套模型【141【151，并已成功地应用于实际工程问题。此外，由于实际问题的需要，近年来还利用一维模型对水库异重流、引航道往复流、异重流和回流淤积进行了计算[161[1刀，取得了初步成果。水动力学模型是以水流、泥沙运动力学和河床演变基本规律为基础建立的，由质量守恒定律和动量守恒定律导出水流连续方程、水流运动方程、泥沙运动方程、泥沙连续方程、河床变形方程【291。在泥沙数学模型计算过程中，若取水流含沙量等于挟沙能力，称为饱和输沙模型，否则为非饱和输沙模型(或称不平衡输沙模璀)。窦国仁、韩其为将不平衡输沙概念引人一维数学模型，分别建立了不平衡输沙理论【2们。数学模型按照所考虑的泥沙输送方式，分为悬沙模型、推移质模型及伞沙模型。动床阻力、非均匀沙挟沙力、床沙交换调整及滩槽水沙交换等关系的选用是一维数学模型中的关键技术问题。 第五章库区泥沙淤积计算分析79目前用于长河段、长时段计算的一维泥沙数学模型，大多为一维恒定流、非均匀沙不平衡输沙的数学模型。如韩其为建立的一维非均匀不平衡输沙数学模型的功能十分完备，对于高含沙和异重流也都能较好地模拟【251。对于多沙河流黄河，黄委黄科院模型从异质粒子与紊流场的相互作用人手，引入附加系数及泥沙非饱和系数，重新导出的泥沙连续方程及河床变形方程更能准确地模拟黄河水沙变化。一维非恒定流泥沙数学模型的基本方程式及一些基本的数值求解方法早已提出，但由于计算量太大，很难在工程实践中广泛运用。随着水利工程建设事业的发展，工程设计对泥沙数学模型的要求越来越高，对目前习用的恒定流泥沙数学模型的精度和适用范围提出了不少质疑，迫切需要对非恒定流泥沙数学模型进行研究。5．1．2水库泥沙淤积计算水库泥沙淤积计算是用于预测水库泥沙淤积过程、相对平衡状态及水库寿命的计算。水库淤积计算的任务是分析水库淤积对防洪、发电、航运、引水及淹没等的影响，并为研究水库运行方式、确定泄洪排沙设施规模提供依据。天然河道一般与长期来水、来沙条件相适应，处于相对冲淤平衡状态。水库壅水后，库区流速变缓，挟沙能力减小，含沙水流进入水库，泥沙不断落淤，经过长期淤积过程，又达到新的相对平衡状斜30~34】。水库淤积常侵占调节库容，逐步降低其综合利用效益；淤积末端上延抬高回水位，增加淹没损失；变动回水区易使宽浅河段主流摆动或移位，影响航道和港口：坝前淤积将增加作用于建筑物上的泥沙压力，并有碍船闸及取水口正常运行。这些问题，在工程设计中都要通过分析计算，妥善解决嗍。水库淤积形态取决于进库水沙条件、水库运行方式及水库地形。纵向淤积形态分为3类：①三角洲型淤积。多沙河流上湖泊型水库，常形成类似于河口的三角洲淤积形态，纵向分为尾部段、顶坡段、前坡段、异重流过渡段及坝前段。②带状淤积。少沙河流上水位变幅较大的河道型水库，多形成带状淤积。③锥型淤积。库容及壅水相对较小的中小型水库，洪水期间库内仍有一定流速，泥沙被挟带到坝前落淤，形成锥型淤积。三角洲型淤积后期接近平衡时，也往往转化为锥型淤积。横向淤积形态。根据我国已建水库实测资料，可分为全断面淤积、主槽淤积及沿湿周均匀淤积等3种。水库淤积计算需要的基本资料：①水文、泥沙资料，包括入库流量，悬移质输沙量及颗粒级配，床沙级配及河道糙率；②库区纵、横断面或地形图，库容曲线；③水库调度运用资料，包括不同时期坝自订水位及出库流量过程；④工程资料，如水工建筑物布置，泄流排沙设施的型式、尺寸及泄流曲线。 80第五章库区泥沙淤积计算分析5．2基本方程一维不平衡输沙数学模型的基本方程由水流方程、输沙方程和河床变形方程等组成【38】。5．2．1水流方程一维明渠水流连续方程：Q=AU式(5．1)运动方程：一(OH+上一OU2+婴：0式(5．2)苏22苏C2R’以上式(5．1)和式(5．2)中，X为水流方向；Q为流量；A为横断面过水面积；U为断面平均流速；日为水位；R为水力半径；c为谢爿‘系数(C=R瞄／厶，其中力为曼宁糙率)；g为重力加速度。5．2．2输沙方程一维输沙方程：_dS：一丝(s—S·)式(5．3)弦xqs·：缸尼。(罢)m式(5-4)式(5．3)中S为含沙量；国为泥沙沉速；口为系数；S‘为挟沙能力。式(5．4)中缸和m为系数；kc为高含沙修正系数。式(5．4)在许多河道和水库的应用情况表明指数m较稳定，约为0．92。后。的变化范闭较大，为0．01～0．05，其具体值由率定确定。5．2．3河床变形方程河床变形方程：p’鲁=aco(S-S’)式(5．5)式(5．5)中P’为泥沙干密度；Z^为河床高程。方程式(5．1)、(5．2)、(5．3)、(5．5)为河道：悬沙基本方程。以上各式中未知数为流速U、水位H、含沙量S和河底高程乙，对于水力因子来说，当i+1断面的水位已知时，联解方程式(5．1)和(5．2)用有限差分即可求出i断帕i的水位H，对于含沙量S，沿水流方向积分方 第五章库区泥沙淤积计算分析81程式(5．3)，假定挟沙能力沿程成线性变化(韩其为，1980)，并考虑非均匀沙，将悬沙组成分为L组，即可求出出口i+l断面第j组悬沙的含沙量。5．2．4横断面泥沙淤积计算公式为了更准确地测量和计算出横断面上的泥沙淤积高程，在横断面上布设m+1个能控制淤积断面起伏的测点，测量各淤积测点的高程和测点之间的水平距离，各断面的平均高程和淤积面的平均高程为【38】乏=去芸(乙场-)嵋乞=去喜(乏嗄池式(5．6)式(5．7)式(5．6)和(5．7)中，乞为库区淤积横断面的平均高程，m；Z为第f断面k的平均淤积高程，m；她为相邻断面的间距，m；三=∑她为坝前到淤积末端的f=l长度，ITI；E=∑衄，为第f断面淤积面的宽度，m。由原始库容曲线查得与乞相万。应的库容，即为水库泥沙的累计预计体积。5．3边界条件处理为了使方程组闭合，需要两个附加方程：上游和下游边界条件。5．3．1上游边界条件在上游边界，给定流量过程线，则流量可作为时问的函数来求得，即：Go=嘭+1-Q‘(f川)--o式(5．8)Q’t川1为f川时上游进口处的流量。如果给定水位一时间关系，即：Go=z／”一z。(∥1)=o式(5·9)z’t川1为f川时上游边界处的水位。5．3．2下游边界条件在下游端，如果水位是时问的函数，则边界条件为：R=z扩1-Z1t川)--o式(5．10)式中Z。为已知水位，如果水位流量火系已知，则： 82第五章库区泥沙淤积计算分析昂=甜1一z’(绋川)=o式(5．11)采用牛顿广义迭代法求解，的线性方程，从而消除非线性方程的困难。式(5．11)把非线性方程组求解简化为逐次求解在第一次逼近中，赋予时段j+l的未知量Q、Z试算值，并代入方程组，这样的试算值可作为j时段的试算值，用此试算值，方程的右边一般不为零，而是某个残值。如用R表示残值，则此方程组第k步的解可写为：G。(z?，Qj)=R?‘(zj，Qj，z；，Q!)=R；G。(z?，Qj，z：，Q!)=尺；F；心?，Q；，Z÷“，Q÷“、)=R：。G，(z?，Q?，z妻，，Q妻。)=R刍+。凡(z嘉，Q嘉)=尺知对迭代k+1的下步逼近，Z及Q值由下式给定：z¨=z：+dz鹾“=谚+dQi以及坦的修正值可由解下列一组2N个线性方程得到：式(5．13)式(5．14)酉3Godz。+西OGodQ·=一Rj·OFl，dZI+西OF,dQl+_OF2tdZ。+aOQF,OZOZ2dQ2=一R：laQl。‘2‘aQ2。‘‘珏OF,：’磊oF,：。丢崛一吆OF+．jdQ,+l=-R六一5’等呢+等坦+dZi+I+瓦OG,‰一九·O‰FudZN+鼍dQN一喙上面一组2N个线性代数方程组具有dZi及圯，2N个未知量，方程中的系数即各个偏导数，其值是在k次迭代中由微分相应的方程，并代入Z、Q等得出，利用Fread1971年提出的线性方程组直接求解，町得到微分皿及坦，假定的Z、Q值可按方程(5．13)、(5．14)修正。迭代继续进彳r，直至满足精度要求为ll二。 第五章库区泥沙淤积计算分析835．4程序编制结构示意图图5．3计算步骤示意图Fig．5．3Computationstepschematicdrawing5．5模型验证及泥沙淤积计算5．5．1模型验证验证范围为库区断面CS23～CS40的500m长的区域(见图5．1)。验证时段为1978～2004年。计算与实测的该段时期库区冲淤量的比较见图5．2。由图5．2可见，计算的库区淤积量与实测的库区淤积量比较吻合，说明数学模型可以正确地模拟库区的冲淤变化。 第五章库区泥沙淤积计算分析图5．1Baoxing河水库平面示意图Fig．5．1PlanediagramofBaoxingRiverReservoir图5．2计算与实测库区纵断面冲淤量比较Fig．5．2Thecomputationandtheactualstorehousedistrictflushthesiltquantitytocompare5．5．2水库泥沙淤积计算验证水库运行方式、坝址、泄流设施以及水库规模(坝高)是水库设计中必须考虑的因素。其中水库运行方式又是由水库目的、水库类型、水库库容而确定的。宝兴水文站实测水文系列1986----2000年用于预测水库运用20年的冲淤。代表年悬移质泥沙年平均输沙量为148万t，总输沙量达2960万t，20年平均径流量为12．5亿m3。初始地形为实测的2004年6月的库区地形。图5．4为水库运行10、20a库区淤积纵剖面，由图可见，库区淤积呈二角洲形 第五章库区泥沙淤积计算分析85态。淤积体逐渐向坝前推移，运行至lOa库区淤积没有明显的减弱，运行至20a库区淤积基本达到淤积平衡。图5．4库区淤积纵剖面Fig．5．4Siltationinthereservoirareaprofile水库横向淤积形态是指泥沙在库区横断面上的淤积分布情况。宝兴水库河段宽窄相间，沿程各断面形态差别较大，经对实测断面淤积情况分析，横断面淤积特征主要表现为：(1)主槽的泥沙淤量比岸坡的淤大，宽浅河段比窄河段淤积较多，坝前比上游淤积量较大；(2)峡谷河段具有冲淤交替的变化过程；(3)从横断面淤积的形状看，“V”字形逐渐被淤成“U”字形。水库运行lOa和20a后库区河段典型横断面计算与实测高程对比分别见图5．5和5．6。由图可以看出，总体来说，由于时间有限及缺少水库排沙比等相关资料，进行了探讨性的计算分析，计算值与实测值略有出路。 86第五章库区泥沙淤积计算分析 第五章库区泥沙淤积计算分析87图5．5水库运行lOa后库区河段典型断面计算与实测高程对比Fig．5．5StorehousedistrictsectionofrivertypicalsectioncomputationandactualelevationcontrastafterthereservoirmoveslOyears 88第五章库区泥沙淤积计算分析 第五章库区泥沙淤积计算分析89图5．6水库运行20a后库区河段典型断面计算与实测高程对比Fig．5．6Storehousedistrictsectionofrivertypicalsectioncomputationandactualelevationcontrastafterthereservoirmoves20years 90第五章库区泥沙淤积计算分析5．6本章小结水库工程设计中，泥沙淤积计算直接关系到水库的规模、寿命及综合经济效益的发挥：坝前泥沙淤积高程的确定，直接影响到坝体设计及死水位的选择；库区泥沙淤积分布，关系到水库的兴利效益。通过应用一维不平衡输沙数学模型，探讨性的进行验证，对宝兴河水库的冲淤特点有了如下认识：库区淤积呈三角洲淤积形态，淤积体逐渐向坝前推移；水库运行10a后，库区泥沙淤积较严重，淤积没有明显减弱趋势，尚未达到淤积平衡；水库运行20a后，库区泥沙淤积基本达到淤积平衡，严重影响水库库容，为更好的调节库容，需敞泄冲沙。 第人章结论与展望9l第六章结论与展望6．1结论随着人类对水资源的需求日益增加，在众多的河流上修建水利工程来调节水量、开发利用水资源。这些工程，特别是大江大河上的骨于工程，改变了河流的自然形态和水文泥沙的天然过程。导致新的河床冲淤变化，水库泥沙淤积，河道萎缩，滩地、湿地与河门三角洲的消长演变，以及河流水生态系统的失衡等等。水库淤积是泥沙运动的结果，在河流上修建水库后，由于水位抬高，流速减小，必然造成泥沙在水库中的淤积。通过对宝兴河民治电站和水洛河钻根电站整体水力学模型试验，可得到以下研究结论：①电站引水防沙方面：1)由于钻根枢纽所在河段河床窄深，电站取水口布置于右岸基岩平台，该平台由于与主河床地形高差大，粗颗粒泥沙很难爬上该平台进入取水口。泄洪冲沙闸闸底板高程2489．Om，比其上游库区底部高程(2482．Om)高出7．Om，即使泥沙淤积达到甚至超过闸底板高程，其距拦污栅闸底板高程(2507．Om)还有18．Om的高差，加之定期停电全闸敞泄冲沙，库区淤积不会对电站取水口构成威胁，电站的防沙条件十分良好。2)民治电站试验通过采取调整束水墙的位置，延长拦沙坎，优化线型，并适当增高拦沙坎后部的底板高程等措施，加大泄洪冲沙闸对右侧淤沙的冲刷效果，使电站取水口前沿上游泥沙淤积洲面高程得到有效的降低，避免了推移质泥沙进入取水口前的现象，中水中沙年模拟输沙试验表明，电站进沙粒径细，防沙效果好，可确保电站长期正常发电。②中水中沙年输沙试验结果表明，民治电站按照“每年汛期电站停机及泄洪冲沙闸敞泄冲沙4次，每次冲沙时间6h”的水库运行方式运行，只要控制闸前O+140m处的平均深泓水深不低于4．5m左右，可确保电站正常取水发电期沉沙库段的沉降标准达到“d>O．25mm的悬移质沉降保证率大于80％”的要求。③水库工程设计中，泥沙淤积计算直接关系到水库的规模、寿命及综合经济效益的发挥：坝前泥沙淤积高程的确定，直接影响到坝体设计及死水位的选择；库区泥沙淤积分布，关系到水库的兴利效益；回水末端及翘尾巴高度的确定，则是移民搬迁规划的重要依据。因此，水库泥沙淤积问题是工程设计中必需首先解决的问题。6．2展望①由于原型、模型之间的差异，按模型的试验成果，通过原型调试确定其输水、输沙程度及运行方式，对电站引水防沙尤为重要。 第六章结论与展望②模型泥沙试验是否合理取决于参数的选取，由于实际野外输沙观测资料较少，泥沙挟沙力处理尚不够完善，对于宝兴河泥沙运动特性还有进一步深入研究的必要。③目前水流泥沙模型中一些关键理论和技术问题还没有得到很好的解决，对泥沙运动规律认识还不够成熟，在今后相当长的时间内必须加强对水沙运动基本理论的研究与探讨，探索泥沙运动的内在规律，推动水沙数学模型的进一步发展。④由于时间有限，建立一维泥沙数学模型，对宝兴河民治电站进行了探讨性的验证。同时由于缺少水库排沙比计算资料，计算数据与试验数据略有出路，在以后的工作中需进一步计算与验证。限于作者水平和时间问题，文中难免不足之处，恳请各位专家、老师及同学批评指正。 致谢93致谢论文完成之际，回首过去时光，离不开诸多老师、同门师兄弟师姐师妹、亲人、朋友的关怀、帮助与支持，再次表示最诚挚的感谢：感谢导师张绪进研究员和刘亚辉副研究员，论文的选题、工程调研、试验研究、理论分析、模型建立和论文成稿的过程中，都渗透着导师的心血和精力。他们渊博深邃的专业知识、严谨勤奋的治学态度、对学科前沿的高瞻远瞩、敏锐的洞察力、朴实的生活作风令学生受益匪浅。导师三年来的言传身教和谆谆教诲，为我以后的工作和人生道路奠定了坚实的基础。感谢杜宗伟老师在专业上给予我的精心指导和帮助，杜老师的严谨科研态度及对晚辈的和蔼可亲都给我留下深刻的印象；感谢赵志强老师、母德伟老师、缪吉伦老师、何进朝老师等给予我的专业指导，并提供出差锻炼的实践机会；感谢张光平老师、尹崇清老师、安利老师、谢岷老师等西科所所有给予我帮助和指导的老师；感谢河海学院的全体老师和同学；感谢张湛、刘洋、周家俞、周芹、林江等年轻的朋友们带给我的进步和欢乐。特别感谢刘亚辉老师、杜宗伟老师对作者论文计算分析部分给予的大力指导和帮助。感谢我的同门、我的同窗在生活和学习中给予我的帮助和关心。感谢我的至亲家人、我的朋友对我的鼓励和大力支持。最后衷心感谢评阅论文的各位专家、教授!暮然回首，感慨万千，一切尽在不言之中，衷心的祝愿：西科所及河海学院的全体老师幸福平安，再创佳绩；所有年轻的朋友们及我的同门前程似锦，收获无限!'