秦根泉 董成焱

（江西省水利规划设计院 南昌 330029）

1 研究背景

水库泥沙淤积问题是水库建设及运行的难题。由于坝上游库区的泥沙淤积，不仅会减小兴利库容，还会加大电站引水的含沙量，造成水轮机和过流建筑物的磨损，影响机组寿命。解决泥沙淤积的措施分为工程措施和运行管理措施。目前，工程措施主要采用孔口排沙的型式解决泥沙淤积问题，如三峡、小浪底等工程[5][6]。

孔口排沙的泥沙运动规律可以从泥沙力学特性和运动规律的微观角度进行分析：当水电站排沙孔开启后，孔底以上邻近孔口处的泥沙首先被冲走，产生孔高方向的水流通道，此时淤积泥沙的坡度远大于其水下休止角，于是泥沙发生滑塌，漏斗在平面上迅速展开；同时，水流的作用力使邻近孔口处发生向孔底以下的淘刷，开始时滑塌速度比淘刷速度大很多，随着漏斗坡度的迅速变缓，滑塌与淘刷均降低，最终趋于稳定，即我们通常说的冲刷漏斗[4]。

孔口排沙常采用泄洪底孔兼作排沙洞的形式，底孔可以控制住泥沙的主流，排走大量泥沙，并可结合水库泄洪进行排沙，充分利用弃水，节省兴利库容。但如果它的冲刷漏斗半径延伸不到机组进水口段，就不能解决进口淤堵和门前清的问题。所以坝前冲刷漏斗形态,是多沙河流上水库设计的主要参数之一，准确地模拟和预测不同运行方案下坝前漏斗的形态特征,对经济合理地布设底孔高程、孔口尺寸及布设方式等具有重要的指导意义,对水库的调水调沙具有重要的应用价值。

现有冲刷漏斗的研究包括原型观测、模型试验、理论分析和数值模拟四个方面。而影响冲刷漏斗横纵坡度的因素很多，包括孔口规模、孔口前水深、孔口泄流能力，淤积物力学特性，水库的运行方式，流量大小等。其中影响最大的两个因素是坝前水深和孔口的相对高度。关于冲刷漏斗的研究，虽然研究角度多种多样，但对于水库冲刷漏斗形态的预测以及排沙孔布置方案的优选，主要还是以模型试验为主。

缅甸某水电站项目[1]位于缅甸东北克钦邦（Kachin）境内紧邻中缅边境的太平（Dapein）江上，是中国与缅甸电力合作开发的一水电站工程。水电站由大坝、电站进水口、引水发电系统等部分组成。库区长约2.1km，库容很小，为单一发电工程，电站总装机容量24万kW，采用混凝土闸坝，坝轴线长204m，最大坝高45.50m[2]。

工程河段河道束窄，水流湍急，落差集中，水力资源丰富。流域河道漂浮物较多。该电站坝址多年平均悬移质输沙量为361万t，泥沙主要集中于汛期的6～10月，占年输沙量的90.01%。库区河段平均糙率n＝0.05。

设计采用泄洪底孔和导流隧洞[3]兼作排沙通道进行排沙，以期达到电站进口门前清的要求。冲沙底孔孔底高程225.00m，电站进水口在泄洪冲沙底孔的右岸上游约50m处，底板高程232.00m，冲沙导流洞进口位于大坝左岸上游约70m处，孔底高程225.00m，工程布置详见图1。

2 模型试验

该工程的模型试验河段属于山区河道，边界条件极为复杂，水流受边界条件影响较大，水流三度性极强。因此模型需满足水流运动、几何相似和泥沙运动相似三方面的要求。

图1 工程布置图

2.1 模型设计相似比尺计算

a.几何相似。水工泥沙模型采用的是正态、动床模型，几何比尺取λ1=60。

b.水流运动相似：

按原型糙率0.05计，要求模型糙率约为0.025。通过加糙及精化模型地形可以基本保证原型与模型的阻力是相似的。对于水工结构模型按原型糙率0.016计，要求模型糙率约为0.008，采用全有机玻璃制作，其糙率略大。试验结果是偏于安全的。

由此可知：模型最大所需的流量为Qmax=0.206m3/s。

c.泥沙运动相似。按原型沙γs=2650kg/m3计，可得推移质泥沙运动相似比尺如下：

由起动相似可得到推移质粒径比尺为λD=λl=60；

试验调试值及模型设计比尺情况、河工模型比尺见表1。

表1 河工模型设计比尺情况

2.2 模型制作

水工、泥沙整体模型按模型设计的要求制作。模拟库段自电站大坝上游约1300m起至大坝下游约700m止，实际模拟河段全长约2.0km。模型配有独立运行的动力设备及流量控制设备，可较方便地模拟不同工况下冲沙孔、溢流坝、导流洞、取水口及排漂口等水工建筑物的运行过程。

试验过程中模拟进口加沙量，以本河段曾出现的最大悬移质输沙率（2004年7月，Gs＝1553kg/s）的10%作为推移质来沙量。试验流量采用1500m3/s，坝前采用正常蓄水位255.00m控制。

2.3 方案比选

首先验证原设计方案排沙效果。将施工围堰拆除至高程232.00作为拦沙坎。拦沙坎上游泥沙通过冲沙导流洞排向大坝下游、电站进水口通过泄洪冲沙底孔拉沙。试验过程中发现，库区主流紧贴右岸，推移质随主流翻过拦沙坎，先运动到电站进水口，冲沙底孔的冲刷漏斗距电站进水口较远，电站进水口的淤沙情况非常严重。泥沙在库区有明显淤积，原来用于排沙的左岸导流洞实际没有起到作用，主要因为导流洞口不在主流区，洞口的坡度比较大，喇叭口比较瘦窄不利于排沙。设计的排沙、拦沙工程不能达到“门前清”的目标，必须辅以其他的工程措施。模型试验所进行的方案比较过程见表2。

表2中方案4将冲沙底孔前伸，使孔口伸至电站边墙上游侧。进水口分为两部分：一部分正对上游主流，中间加设导流板；另一部分开在电站取水口前冲沙底孔前伸箱涵的河中一侧的目的是将漏斗范围移到电站进水口附近，并扩大冲沙范围。该方案经模型试验验证排沙效果较好，而且工程投资较省。但试验中发现电站内仍有少量粗沙，喇叭口右前角有一不稳定的淤积体，电站口门右侧也有一回流淤积体。由于电站上游侧冲沟边坡对水流的阻碍作用，使得该处流速较大，并致使少部分粗沙被扬起。被扬起的部分粗沙还没来得及落到冲沙底孔喇叭口顶缘高程以下，就被水流带到了电站进水口前。由于电站下游侧进水口底部流速较大，部分粗沙也随着进入电站进水口。针对这些问题，排沙工程仍需要进一步的优化调整。

表2 模型试验比较方案成果

2.4 推荐方案的优化

鉴于以上原因，对电站上游冲沟右岸边坡削坡减弱其挑流扬沙能力，并在箱涵临河中一侧加设3m高的挡沙板。根据上游来沙量的分布情况，将冲沙涵正向进口做成左低右高的型式。箱涵结构调整后的结构如图2所示。

图2 冲砂涵布置

同时拦污栅底部设拦沙坎，防止扬起泥沙进入电站取水口；在进水口设一道沉沙槽，排除进入进水口后的泥沙。优化后的方案，经试验表明，淤积体问题基本解决。因此，将该方案作为推荐方案的最优方案。

2.5 检验试验提出的运行建议

针对推荐方案的最优方案，进行了不同流量工况下的检验试验。并提出以下运行管理建议：

a.为了延缓电站进水口前库区的淤积进程，要求推移质运动到坝前时尽量远离电站进水口，因此泄洪表孔的开启顺序为从左到右。

b.在冲沙底孔长时间关闭的情况下，电站运行会导致冲沙底孔箱涵逐渐被推移质泥沙淹没；并且随着箱涵进水口前淤积高程的不断增加，推移质泥沙会爬上箱涵顶部，进入电站进水口。冲沙涵进口前的泥沙也会因长时间不通水而沉积板结，使冲沙涵失效。因此，在实际运行中，应尽量避免泥沙完全淹没箱涵进水口；为了箱涵孔口段不被淤死或淤死后淤积的泥沙能被冲走，冲沙底孔应定期开启；尤其是汛前，必须检查箱涵是否畅通，汛期末必须开启，以冲走汛期淤积的泥沙（蓄清排浑）。

3 冲沙涵的施工图设计

通过工程模型确定的冲沙涵方案，需根据工程实际对其结构进行相应修改，才能真正运用到工程上。模型试验推荐的方案运用于工程设计需要解决以下问题：

a.建筑物的基础要求。

b.建筑物的材质及结构尺寸。

c.相关结构计算。

3.1 冲沙涵的基础处理及结构分缝

冲沙涵基础下游段落在大坝基础开挖后的回填混凝土上，上游段落在河床的漂石及沙卵砾石层。冲沙涵箱为箱形结构，地基应力并不大，因此地基的承载力能满足要求，只需对上游段的沙卵石层进行回填密实灌浆即可。

冲沙涵顺水流方向长79.3m，垂直水流向最大宽度为26.4m。而且顺水流向的基础不同，箱涵因基础沉降及温度原因易产生顺水流向的裂缝。在顺水流方向对冲沙涵进行分缝，分缝位置根据冲沙涵的平面形状设在转折点处，缝宽2cm，缝间设橡胶止水一道，分段长度在12～20m之间。

3.2 冲沙涵的结构尺寸

模型采用全有机玻璃制作，实际工程所选材质需在满足强度、耐久性及工程造价等方面要求范围内进行选择。最终冲沙涵选用钢筋混凝土结构。根据冲沙涵的结构跨度及混凝土结构常规尺寸范围，在保证过流孔口尺寸的前提下,将边墩厚度拟定为1m，中间导流墩拟定为0.6m。

模型试验冲沙涵导流墩在同一断面结束，这种体型在导流墩后的顶板、底板跨度大，最大的部位超过20m，结构内力大，配筋复杂。因此，冲沙涵结构设计采用平顺过渡的方法将导流墩分批延伸，以减小各断面的顶板和底板跨度。因导流墩的引导作用，结构调整后的涵内流态会更好。调整后的箱涵结构详见图3。

图3 冲沙涵结构平面图

3.3 冲沙涵的结构配筋计算

冲沙涵在运行期整体泡在水库中，受力是均衡的，因此不存在整体稳定问题。结构配筋计算主要为因施工期的自重荷载及运行期的内外水头差形成的边墩、导流墩、顶板和底板的受力计算。

根据冲沙涵流量和各断面面积可计算出该断面处的平均流速，根据坝前水位及孔内流速计算出各断面的总水头、行进流速水头，沿程及局部水头损失，从而得出导沙涵的内外水头差。从表3中的冲沙泄洪底孔过流能力可知箱涵内最大流速vmax达到22m3/s，行进流速水头αv22g=22.7m，可见内外水头差较大[3]。

冲沙涵的平面形状复杂，但内部只有导流墩和流道。为简化计算，沿水流方向截取断面，采用平面框架的方法计算结构内力。计算断面选取断面流速大或孔数多的部位，下游段的孔口数量少，孔内流速大；上游段的孔口数量多，孔内流速小。墙板的内力计算采用SLSD平面框架通用程序H—2，该程序为解决平面框架在给定荷载下的静力计算问题的通用程序。该程序采用结构力学的位移法。在计算当中，计算跨度取过流通道的净空尺寸，边墩、导流墩宽度及顶板、底板厚度计算时作为刚性段处理。通过对各断面跨中、跨端配筋数量的计算及抗裂验算，可知含钢率属常规范围，说明所定的结构尺寸是合理的。

表3 冲砂泄洪底孔过流能力统计情况

4 结语

该水电站进水口前泥沙淤积问题严重，原设计用于对电站进水口拉沙的泄洪冲沙底孔，经模型试验发现泥沙漏斗影响范围达不到电站进水口，达不到门前清的效果。为解决该问题，在泄洪冲沙底孔进口前接一冲沙涵，使泥沙漏斗的位置前移，将电站进水口纳入到泥沙漏斗范围，并对冲沙涵体型进行优化改进，最终方案使电站进水口前的泥沙淤积问题基本得到解决。

通过对冲沙涵的适应性及淤积试验，较全面地对冲沙涵今后运行会遇到的问题进行了研究，对冲沙涵的运行管理提出了建议，以确保工程安全。

冲沙涵体型设计针对性强、体型复杂。通过采用平顺过渡的方法对模型试验方案进行相应的改进，成功地将模型试验方案运用于工程设计。■

[1]缅甸DAPEIN（Ⅰ）水电站工程首部枢纽水工、泥沙及导流整体模型试验研究报告.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室.江西省水利规划设计院，2008.9.

[2]SL 319－2005混凝土重力坝设计规范.北京：中国水利水电出版社2005.

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[5]潘庆燊.三峡工程泥沙问题研究.北京：中国水利水电出版社，1999.

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