基于最小拉沙弃水量的小浪底枢纽排沙洞闸门不同相对开度方案试验研究

2021-09-24王二平

广西水利水电 2021年4期

张欣，王二平

（1.广州珠科院工程勘察设计有限公司，广州 510635；2.华北水利水电大学，郑州 450045）

0 引言

作为黄河干流上调节泥沙的控制性工程，小浪底水库的运用对于黄河下游的防洪减淤起着十分重要的作用[1]。为了满足工程任务的需要，枢纽共设置了16条输水孔洞，安排了47个不同高程的进水口控制进水，其中，3条排沙洞（编号为1号、2号、3号）与6条发电洞在立面上处于上下层关系，3条排沙洞底坎高程均为175.0 m，排沙洞与发电洞的布置关系在层次上形成了上部取水发电、下部排沙排污的格局，为发电引水口防沙防污创造了较好的条件[2，3]。

黄河水少沙多的现象制约着沿河两岸经济的发展，小浪底水库每年汛前的调水调沙都需耗费大量的水资源，而排沙效果却不是很理想。本文通过建立小浪底坝前库区正态浑水动床实体模型，在对模型相似性进行验证的基础上，选取坝前特征水位210 m为控制条件，对进水塔前187.0 m淤沙高程状况进行排沙洞闸门不同相对开度方案试验研究，通过对试验结果进行分析对比，提出满足拉沙要求而较小弃水量的闸门相对开度运行方案。

2 模型概况

本试验研究河段全长约4.5 km，上边界起自大峪河口，下边界至小浪底大坝，共布设30个采样断面。根据试验要求，正态模型几何比尺选定为100，根据模型相似性验证试验[4]，确定模型含沙量比尺λS和河床变形时间比尺λt2分别为2.0和13.7。模型沙选取经过粉碎处理的树脂离子颗粒，容重为1300 kg/m3。模型平面布置图及进水塔局部放大图分别见图1、图2。模型设计[5]主要遵循水流重力相似、阻力相似、河床变形相似；模型沙选择主要遵循水流挟沙相似、泥沙起动相似、泥沙悬移相似等相似条件。

图1 模型平面布置图

图2 进水塔局部放大图

3 正态模型试验方案

根据《小浪底水利枢纽拦沙后期（第一阶段）运用调度规程》[6]，当小浪底水库进水塔前泥沙淤积面高程实测值达到183.5 m时，应以较小的闸门相对开度依次序短历时开启排沙洞工作闸门，主要是检查其进水口过流是否畅通。若是泥沙不淤堵排沙洞进水口，可在183.5 m淤沙高程的基础上按0.5 m一级逐步抬高塔前允许淤积面高程。为了不影响闸门的正常启闭，塔前淤积面高程最终许可值不得大于187.0 m。3号排沙洞位于风雨沟附近，此处水域回流比较严重，泥沙极易在此落淤。为了达到最大的拉沙效果，短历时拉沙试验开始时，按照3号、2号、1号顺序依次打开3条排沙洞进行模型试验[7]。

（1）设计水沙条件。①流量：为了使库区水位尽快达到试验要求，上游来流以满足6台发电机组满发为准，为1800 m3/s；②含沙量：根据1987年以来实测入库汛期平均含沙量选取，为75 kg/m3。

（2）坝前水位与河床边界条件。①坝前水位：坝前水位选取210.0 m；②河床地形：采用2014年实测汛前水下地形。

（3）根据试验组次的要求及工作闸门开度的规律性，拟定4组工况进行对比分析试验。①工况1：1号、2号排沙洞取相对开度0.15，3号排沙洞取相对开度0.18；②工况2：1号、2号排沙洞取相对开度0.24，3号排沙洞取相对开度0.30；③工况3：1号、2号排沙洞取相对开度0.35，3号排沙洞取相对开度0.40；④工况4：1号、2号排沙洞取相对开度0.40，3号排沙洞取相对开度0.48。

4 试验过程

试验开始时，上游来流全部通过发电洞，关闭其它泄水孔洞。当底孔前淤积面淤升至187.0 m时，按小开度短历时开启3号排沙洞工作闸门，观测底孔通水、排沙情况。

当3号排沙洞出流流量及含沙量基本稳定后，关闭3号排沙洞；然后在接下来的试验中按次序先后小开度开启和关闭2号排沙洞、1号排沙洞，观察拉沙过程，情形与3号排沙洞类似。

工况1条件下，3号排沙洞流量过程线与孔洞出口含沙量过程线分别见图3、图4。

图3 3号排沙洞流量过程线（工况1）

图4 3号排沙洞含沙量过程线（工况1）

5 试验成果分析

排沙洞闸门开启后，滞流很短时间很快就有泄流，初始流量、含沙量均不高，但很快就出现控泄流量最大值，接着便出现高含沙泥流和含沙量最大值；在控制排沙洞泄流量的条件下，经过一段时间，含沙量逐渐降低并趋于稳定。

为了便于进行成果分析与表述，文中所提及的3条排沙洞闸门各相对开度试验方案均以3号排沙洞闸门相对开度值为代表进行表述。

5.1 拉沙用水量对比分析

每一条排沙洞从闸门开启到出口含沙量稳定所使用的水量计算公式为：

式中：V为排沙洞从闸门开启到出口含沙量稳定所用水量，m3；t为从闸门开启到孔洞出口含沙量稳定所需时间，s；Q1为t1时刻所对应的孔洞出口流量，m3/s；Q2为t2时刻所对应的孔洞出口流量，m3/s；d t为对时间进行积分。

利用式（1）对4种工况闸门相对开度下各个排沙洞所用的水量进行计算，结果见表1。

表1 不同闸门相对开度下各个排沙洞拉沙用水量

根据表1数据绘制每条排沙洞闸门相对开度与弃水量的关系曲线（见图5）。

图5 闸门相对开度与各个排沙洞弃水量关系曲线

由图5可知，对于3号排沙洞而言，当工作闸门相对开度大于0.30之后，由于泄流拉沙能力加大，进水口前泥沙的扰动明显增强，出口含沙量一直处于波动状态，含沙量达到稳定所需时间较长，因此拉沙弃水量出现陡然增加的趋势，拉沙弃水梯度加大。而1号及2号排沙洞拉沙弃水随着开度增加的变化相对较为平缓，因此从拉沙所需弃水量角度来看，3个闸门的相对开度应不宜超过0.3。

5.2 出口含沙量对比分析

闸门开启后，出口含沙量随着时间从小到大，出现峰值，到逐渐减小并趋于稳定，该变化的情况反映了排沙洞泄流拉沙的效果。对于每条排沙洞，以出口含沙量稳定值作为选择标准，各方案下出口稳定后的含沙量值见表2。

表2 不同闸门相对开度下各个排沙洞出口稳定含沙量

由表2可知，当进行工况4试验时，冲刷漏斗稳定之后孔洞的输沙效果较好，对于防止塔前泥沙淤积较为有利。但在此试验工况下，排沙洞泄水拉沙所需弃水量却高达465.09万m3。

5.3 塔前冲刷漏斗对比分析

排沙洞的拉沙效果可以通过试验后实测进水塔前冲刷漏斗的形态来分析。通过4种工况方案试验，在排沙洞出口含沙量达到稳定后，水下测量并比较各自塔前6 m横断面地形的变化（见图6）。

图6 不同开度下进水塔前6 m断面试验前后河床地形对比

由图6可知，对于短历时拉沙试验，排沙洞闸门相对开度越小，塔前冲刷坑范围及冲坑深度也越小。在保证发电效益的前提下，排沙洞工作闸门开启度越小，拉沙弃水量也就越少，但是过小的闸门开启度可能导致塔前泥沙短时间内不能被拉开，过多的泥沙在塔前淤积会对发电洞造成一定的影响，粗颗粒泥沙对水轮发电机组叶轮造成磨损，降低水轮发电机组使用寿命；较大的闸门开启度虽然能很好地将塔前淤沙拉开，但是其造成的拉沙弃水量增加也不容忽视。

5.4 单位输沙水量对比分析

对于每条排沙洞，当出口含沙量达到稳定时，即认为塔前冲刷坑范围不再发生较大的变化。计算排沙洞从工作闸门开启到出口含沙量数值达到稳定这一时间段内的出洞总沙量，利用输沙量的多寡作为闸门开启度合理性的判别标准。

当排沙洞从工作闸门开启到出口含沙量数值达到稳定时，依据此段时间的流量与含沙量数据可以推出不同时刻的相应输沙率，将各个输沙率进行积分，进而得到每条排沙洞达到出口含沙量稳定时的总输沙量。

输沙水量受径流量的影响比较大，在自然条件下，同一河段在不同时期的输沙水量会出现较大的差异。单位输沙水量是反映输沙水量与输沙量关系的一个重要指标，其数值相对于输沙水量比较稳定，能够更好地体现河道的输沙特性。

单位输沙水量以每吨泥沙所需输沙水量计，其计算表达式为：

式中：q为单位输沙水量，m3/t，W水为输沙水量，m3，W沙为输沙量，t。

将4种工况下对应的拉沙弃水量与输沙量进行汇总，然后将二者相比，可以求出排沙洞每排出1 t泥沙所需水量，计算结果见表3。

表3 排沙洞每排出1t泥沙所需水量统计表

由表3可知，在排沙洞进水口前泥沙淤堵情况基本相同，以及进水口前淤堵的泥沙能够被拉开的前提下，当排沙洞出口含沙量达到基本稳定时，工作闸门相对开启度越大，塔前淤积泥沙被拉走所需水量就越多，相应地，通过排沙洞的泥沙总量就越多；工作闸门相对开启度较小时，水流拉沙能力较小，排沙洞出口含沙量很快就能达到稳定，出口泥沙总量相对较小，相应拉沙弃水量也很小。4种试验工况下，闸门相对开度大时与闸门相对开度小时的单位输沙水量存在明显差异。

工况4试验条件下，3条排沙洞总输沙量达到14.90万t，单位输沙水量为31.21 m3/t，从最大程度地排出塔前淤积泥沙角度考虑效果很好，但是在此种工况下，出口含沙量稳定时的拉沙弃水量竟高达465.09万m3，拉沙弃水量数值不容小觑。而工况1试验条件下，3条排沙洞总输沙量虽只有4.40万t，单位输沙水量为24.66 m3/t，但是在此种工况下，出口含沙量稳定时的拉沙弃水量却只有108.51万m3。从节约水资源考虑，在排沙洞前泥沙淤堵时间不超过允许期限的情况下，拉沙所需水量越小越好。因此，在保证塔前淤积泥沙能够被拉开，且不超过允许淤堵时间期限的前提下，应尽量选择相对较小的闸门相对开启度进行泄流拉沙。