摘 要
在高含沙河流上修建水库，必然促使大量泥沙在库区淤积。随泥沙淤积发展至坝前，不仅减少水库的兴利库容，还可能导致水轮机磨损和闸门启闭困难。水库在泥沙淤积基本平衡后，主要依靠一定的坝前冲刷漏斗维持水库的长期安全运行。本文通过以某水库为原型的物理模型，模型按照几何相似、水流运动相似、泥沙运动相似、泥沙悬浮与沉降相似、河床变形相似等相似原则设计，开展以下研究：
针对运行水位为756cm、流量为3L/s的水沙条件，总结了仅开启左岸排沙泄洪深孔和仅开启右岸排沙泄洪深孔时的坝前冲刷漏斗形态变化规律，并结合主流流线进一步对坝前冲刷漏斗形态进行分析。分析结果表明，在边界条件（近坝段地形狭窄）限制下，仅开启靠近主流的排沙泄洪深孔形成的冲刷漏斗坡度较仅开启远离主流的排沙泄洪深孔缓。
开展了运行水位为756cm下，流量为6L/s时排沙泄洪深孔单独运用和集中、分散运用时的坝前冲刷漏斗形态分析，比较结果表明，同时开启2个排沙泄洪深孔时的冲刷漏斗坡度较仅开启1个排沙泄洪深孔时略缓。
对比分析了流量为6L/s时仅开启1#排沙泄洪深孔形成的冲刷漏斗坡度与流量为3L/s时仅开启1#排沙泄洪深形成的冲刷漏斗坡度比较，并分析了流量为6L/s、仅开启1#排沙泄洪深孔时，水位分别为756cm和768cm时的坝前冲刷漏斗形态变化，分析结果表明，同运行水位下，随出库流量增加，冲刷漏斗纵向坡度变缓；同出库流量下，运行水位为756cm时的冲刷漏斗坡度较运行水位为768cm时缓。
研究了运行水位为756cm、流量为6L/s时同时开启2个非常排沙底孔形成的冲刷漏斗形态，并从排沙效果角度，与同时开启两个排沙泄洪深孔比较。试验结果表明，排沙孔进口高程愈低，漏斗深度愈深，范围愈大，坡度稍缓，排沙效果较好。
研究分析了流量为3L/s时不同量级的含沙量时的电站出流含沙量、电站引水口前含沙量分布情况及冲刷漏斗形态变化规律。结果表明，在水库泥沙淤积基本平衡后，1#排沙泄洪深孔出流含沙量与来流入库含沙量基本一致，电站出流含沙量要小于入库含沙量；电站引水口前含沙量在垂线分布上呈现出一般含沙量垂线分布规律，水流表层含沙量较小，水流底层含沙量较大；入库流量为3L/s时，不同入库含沙量下，1#排沙泄洪深孔前形成的冲刷漏斗坡度较陡。
关键词： 高含沙；水库；冲刷漏斗；泥沙淤积；模型试验。
Abstract
There are serious sediment deposition problems in reservoirs built on sediment laden-laden rivers. The deposition of sediment not only reduce the reservoir's capacity,but also gradually lose function of a reservoir. After the balance of the sedimentation,the scour funnel in front of the dam can keep the comprehensive benefits of the reservoir. the physical model of the reservoir is established in this experiment, which satisfies geometry resemblance, grain suspend resemblance, dynamic resemblance,grain kinetic resemblance and river bed transfiguration resemblance. According to the experiment of the scour funnel, the slope of the scour funnel in front of the dam in the sediment-laden river is studied. Several researches are carried out as follows: When the operating water level is 756cm and the flow quantity is 3L/s, the scour funnel’s shape of different tunnels has been analyzed. Because of the limitation of the boundary, the slope of scour funnel formed by opening the deep drainage tunnel which near the the river is gentler than the slope of the scour funnel formed by opening the deep drainage tunnel which is far away from the river.
When the operating water level is 756cm and the flow quantity is 6L/s, the scour funnel’s shape of different tunnels has been analyzed. The test results show that the slope of scour funnel formed by opening two deep drainage tunnel is slightly gentler than the slope of the scour funnel formed by opening one deep drainage tunnel. When the flow quantity is 6L / s and the 1# tunnel is opened, the shape of scour funnel in different water level has been studied. When the operating water level is 756cm and the flow quantity is 6L/s, the shape of scour funnel when two bottom tunnels are opened has been studied. The test results show that the longitudinal slope of scour funnel is relatively gentle when the flow quantity is 6L/s. The slope of scour funnel formed by opening the deep drainage tunnel is slightly gentler than the slope of the scour funnel formed by opening one bottom drainage tunnel.
When the 1# tunnel is opened and the water level is 756cm, the shape of scour funnel in different flow quantity has been studied. The test results show that the slope of scour funnel when the water level was 756cm is slightly gentler than the slope of the scour funnel formed when the water level was 768cm. When the flow quantity is 3L/s, the vertical distribution of sediment concentration in different conditions at the power station has been studied. The test results show that the sediment concentration of the power station is less than the sediment concentration of the inflow. The sediment concentration at the surface is smaller than the sediment concentration at the bottom. Although the sedimentconcentration is different, the slope of the scour funnel which formed in front of the 1# deep drainage tunnel is relatively steep.
Keywords: sediment-laden; reservoir; scour funnel; sediment deposition; model experiment。
第1章 绪论
1.1、研究背景与意义。
1.1.1、研究背景。
我国河流以高含沙着称，尤其是黄河及其支流汛期水流的含沙量经常高达300kg/m3到1 600kg/m3。高含沙水流与一般普通挟沙水流相比较，具有独特的运动特点及冲淤规律[1]。当水流中的含沙量及泥沙颗粒组成，特别是粒径d<0.01mm的细颗粒所占半分比，使水流的物理特性、运动特性以及泥沙沉降特性等方面发生变化，不能系统地利用牛顿流体的运动规律描述水流的特征时，这种水流即为高含沙水流[2]。
高含沙河流上的水库泥沙淤积问题与一般清水或低含沙河流相比，其带来的不利影响更为显着和特殊[3]。大量泥沙淤积至库区，将导致有效库容减小、水库防洪能力下降，汛期水流含沙量及流量较大时，水库不能及时的滞洪削峰，对枢纽工程的运行安全带来威胁，非汛期不能满足农业用水、生活用水和工业用水等调节需要，影响原设计的防洪、蓄水发电、取水灌溉等兴利指标的发挥，甚至减少水库的安全使用寿命。随泥沙淤积发展至坝前，还将导致水流中的大量粗沙底沙经过水轮机的叶片，对水轮机叶片、管道等过流部件造成严重磨损，威胁枢纽电站的安全运行。此外，水库淤积还会给水库上下游带来不利影响，随着泥沙淤积的持续发展，“翘尾巴”的现象会在水库库尾上游处产生，即水库库尾回水末端不断向上游上延，原来未被纳入水库范围的大片土地被水流淹没，土地上的农作物或建筑不能发挥其经济效益。而且还会引起地下水位抬升、原河床改变、土壤沼泽化及土地盐碱化等一系列土地危害问题的发生。因入库水流中携带的泥沙主要淤积在库内，经排沙泄洪深孔和溢流表孔下泄的水流含沙量减少，下游来流水沙条件的改变势必会造成河床变化，下游河槽总体趋势上必然发生冲刷，导致河床下切，使下游河道的原有生态与环境受到破坏。就水利枢纽本身而言，枢纽建筑及相应的排沙、取水、兴利等设施也同样受到泥沙淤积的影响，随着大量泥沙在库内推积，坝前泥沙淤积带来的泥沙压力不断增大，对主体建筑物及其他兴利设施的安全构成威胁。此外，淤积物可能作为有机、无机污染物的载体，水库周围工业、农业、生活等诸多垃圾随水流进入水库，水库内大量的泥沙淤积会带来氮、磷、钾、铜、氯、铁、硫、铅等众多元素的堆积，使库区水体及周围生态环境受到污染[4]。
综上所述，妥善的处理由泥沙淤积而导致的问题十分重要，是高含沙河流水库规划建设以及运行管理中的一个重要研究课题，其能否正确处理关系到水库综合效益的正常发挥[5]。在高含沙河流上修建的水库，为缓解水库泥沙淤积和保持电站“门前清”，工程一般设置排沙泄洪深孔和非常排沙底孔等排沙设施。排沙孔前形成的冲刷漏斗能有效地截夺行进电站进水口的推移质及悬移质中的一部分较粗底沙，减少水轮机的磨损，而且通过排沙漏斗，可将库区内大量泥沙随水流排往下游，维持水库的长期安全运行。冲刷漏斗的成因、形态规律及模拟皆十分复杂，涉及三维水流结构、泥沙淤积物水下休止角等众多因素，其形态研究较为复杂，而分析冲刷漏斗的范围及其纵、横向坡度变化规律则是研究冲刷漏斗形态的重点。由此便引申出了本文的研究内容——高含沙河流坝前冲刷漏斗的试验研究。上述问题在一定程度上说明了本试验研究项目的工程实际与学术意义。
1.1.2、研究意义。
黄河中下游水流含沙量达到200~300kg/m3时，水流为宾汉流体，即可被称为高含沙水流。高含沙河流水库坝前冲刷漏斗研究与一般清水或低含沙河流水库坝前冲刷漏斗研究相比，由于高含沙水流中絮凝作用和网状结构的影响，泥沙颗粒的运动特性和沉降特性发生较大变化，坝前冲刷漏斗形态及其影响因素的研究要更为复杂。
根据水库泥沙淤积形态规律，运行初期水库淤积形态为三角洲淤积。随着水库的持续运用，淤积三角洲的顶点逐渐向坝前推进，直至顶点至坝前后，水库泥沙淤积形态转变为锥体淤积，而后泥沙淤积面逐步抬升。正常运用期内，水库淤积面在汛限水位至死水位之间变化。由于泥沙淤积的影响，将导致枢纽电站发电引水口淤堵、排沙泄洪深孔闸门启闭困难，从而影响工程效益的正常发挥，若水库泥沙淤积较为严重，甚至可能影响主体枢纽工程的安全运行。为了减少水库泥沙淤积，制定出合理的水库排沙泄洪孔洞调度方案以达到水库所需的排沙效果，常常需要对水库坝前冲刷漏斗的形态进行研究，以保证电站“门前清”，即排沙泄洪深孔及非常排沙底孔前形成稳定的冲刷漏斗，减少电站引水口门前泥沙淤堵。某水库是在高含沙河流上修建的水库，其坝前冲刷漏斗形态研究是水库排沙减淤中的一个重要研究项目。某水库上游水流含沙量高，库区近坝段地形较狭窄，且保持电站引水口“门前清”要求高，本文以某水库为原型，采用较大比尺的物理模型试验进一步对高含沙河流坝前冲刷漏斗形态进行分析研究。
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1.2 、高含沙水流的特性.
1.2.1、基本特性.
1.2.2、河床演变特性.
1.3 、水库淤积类型及治理
1.3.1、 水库淤积类型.
1.3.2、水库淤积治理.
1.4、冲刷漏斗研究现状.
1.5、冲刷漏斗形成机理
1.6、 研究内容
1.7、本文创新.内
1.8、 技术路线
第2章 试验设计.
2.1 、模型设计
2.1.1、几何设计.
2.1.2 、水流运动相似
2.1.3、泥沙运动相似
2.1.4 、悬浮与沉降相似.
2.1.5、河床变形相似
2.2、模型制作.
2.3、试验工况设计.
2.3.1、试验条件.
2.3.2、试验工况.
2.3.3、模型测控系统
2.4、本章小结.
第3章 排沙孔调度试验结果与分析
3.1、冲刷漏斗受出库流量的影响
3.2、冲刷漏斗受排沙孔开启位置的影响
3.3、冲刷漏斗受排沙孔开启方式的影响.
3.4、冲刷漏斗受排沙孔进口高程的影响.
3.5、冲刷漏斗受运行水位的影响.
3.6、冲刷漏斗受坝区突起山体的影响
3.7、本章小结 .
第4章 电站调度对冲刷漏斗的影响.
4.1、流速及含沙量分布分析.
4.1.1、1#排沙泄洪深孔出流含沙量与入库含沙量的关系.
4.1.2、电站出流含沙量与入库含沙量的关系
4.1.3 、电站引水口前流速垂线分布
4.1.4、电站引水口前含沙量垂线分布.
4.2、冲刷漏斗形态分析.
4.3、本章小结
第5章 与其他冲刷漏斗试验结果比较
5.1、 本试验不同工况下的坝前冲刷漏斗坡度
5.2、与其他冲刷漏斗物理模型试验结果比较
5.3、本章小结
结 论
本文通过构建以某水库为原型的物理模型研究了水库运行对冲刷漏斗的影响，试验中从出库流量、运行水位和排沙孔开启位置、开启方式及进口高程等方面对排沙孔前冲刷漏斗形态及演变过程进行分析。通过试验得到以下主要结论：
（1）通过分析不同出库流量时冲刷漏斗形态变化，发现在相同运行水位下，随出库流量增加，冲刷漏斗纵向坡度变缓。同时发现这一变化导致水库内泥沙淤积减少。因此，在水库进行调度规划时，可在汛期集中大流量排沙，减少水库泥沙淤积。
（2）试验中，研究分析了排沙泄洪深孔开启位置及开启方式对冲刷漏斗形态的影响，结果表明，在相同出库流量和运行水位下，开启靠近主流的排沙泄洪深孔时形成的冲刷漏斗纵、横向坡度较开启远离主流的排沙泄洪深孔时形成的冲刷漏斗纵、横向坡度缓；同时开启2个排沙泄洪深孔形成的冲刷漏斗纵、横向坡度较仅开启1个排沙泄洪深孔形成的冲刷漏斗纵、横向坡度略缓。
（3）本文开展了不同排沙孔进口高程下的冲刷漏斗形态变化的试验研究，试验结果表明排沙孔进口高程愈低，冲刷漏斗深度愈深，冲刷漏斗控制范围愈大，冲刷漏斗纵、横向坡度稍缓。从有利于排沙的角度来说，因非常排沙底孔进口高程较低，非常排沙底孔的排沙效果优于排沙泄洪深孔。
（4）通过研究分析不同运行水位时冲刷漏斗的试验结果，可以看出，出库流量相同时，低水位运行时形成的冲刷漏斗纵、横向坡度一般较高水位运行时形成的冲刷漏斗纵、横向坡度缓，且低水位运行时电站引水口前泥沙淤积高程较低。在实际运用中，当汛期水流含沙量较高时，为避免水库因大量泥沙淤积而带来电站引水口泥沙淤堵等问题，水库可降低运行水位进行排沙，有利于增大有效库容和保持电站“门前清”。
（5）本文研究了电站调度对冲刷漏斗形态的影响，研究结果表明，入库流量为3L/s时，不同入库含沙量下，在水库泥沙淤积基本平衡后，排沙泄洪深孔泄流含沙量与入库含沙量基本一致，电站出流含沙量要小于入库含沙量，并且上游入库含沙量越大，电站出流含沙量较入库含沙量小得越多；同入库流量下，入库含沙量虽不同，但1#排沙泄洪深孔前形成的冲刷漏斗纵、横向坡度均较陡，电站引水口前泥沙淤积高程均较高，易造成电站引水口前泥沙淤堵。
参考文献
