呼图壁河渠首工程水库泄空冲沙研究

2024年3月6日发(作者：太仓博物馆)

第39卷第5期2017年5月人民黄河YELLOW

RIVERV〇1.39 ,No.5May,2017【水文泥沙】呼图壁河渠首工程水库泄空冲沙研究申增云、侍克斌2,康锋1(1.河南省豫北水利勘测设计院，河南安阳455000;2.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052)摘要:对于多沙河流上水库的排沙方法，前人已有较多研究，但通过模型试验来模拟水库高淤积后的排沙研究较少。

通过水工动床模型试验，对呼图壁河渠首拟建水库高淤积状态下的泄空冲沙进行了研究，根据冲淤前后的断面变化情

况，对泄空冲沙过程中的溯源冲刷和沿程冲刷进行了分析，找出了泄空冲沙的规律及运用原则。通过对泥沙冲淤的数值

分析，建立了溯源冲沙的概化图形，推导出了一套适合该水库的泄空冲沙公式。经验证，建立的泄空冲沙公式可以用于

呼图壁河渠首工程水库排沙形态预测及排沙量的估算。关键词：模型试验；溯源冲刷；泄空冲沙；渠首工程；呼图壁河中图分类号：TV145

文献标志码：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 di­ment 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多沙河流上水库建成后都存在泥沙淤积严重的问

题。为了延长水库使用寿命,使水库充分发挥作用，根

据水库不同的淤沙类型采取了不同的排沙方法。例

如:对于大型水库,采取控制汛期防洪限制水位的方法

进行排沙调度，控制水库有效库容的年损失率[|];对

于高淤积水库,采取泄空冲刷等方法，选好泄空时机,

分阶段降低水位，通过控制出流量来控制排沙[2];对

于地形陡峭的库区，在回水末端修建拦沙堰阻止泥沙

淤积上延，采取滞洪排沙、调水调沙运用方式来减少淤

积[3];对于入库水流含沙量较高的水库，采用异重流

排沙，在冯家山水库取得了良好的排沙效果[4];对于

水库横向淤积较多的水库，采用高渠泄水冲滩及管道

拉淤水库横向冲蚀技术[5]。本文通过模型试验研究呼图壁河青年渠首水库建

成后泄空冲沙的效果，以期更直观地反映水库建设的

可行性，避免水库建设的盲目性，为水库排沙提供新

思路。收稿日期=2016-05-05基金项目：新疆维吾尔自治区水利水电工程重点学科资助项

目（XJZDXK-2002-10-05)。作者简介：申增云（1966—)，男，河南林州人，高级工程师，研

究方向为水利水电工程设计及施工。E-mail

：shzy1966@ 1工程概况呼图壁河发源于天山北坡,是一条顺坡发育的多

沙山溪性河流，多年平均径流量为2.39亿m3,多年平

均输沙量为87.8万t[6]。呼图壁河青年渠首年久失

修，渠首下游段泥沙淤积比较严重，已经不能满足正常

的引水、灌溉要求，因此拟建呼图壁河青年干渠渠首枢

纽工程。该工程由上坝和下坝两套建筑物体系组成,

其中上坝体系由上坝、泄洪冲沙闸和溢流堰组成，下坝

体系由下坝、下坝冲沙闸和进水闸组成。上坝体系与

河道左岸高地形成外库，下坝体系与上坝河道右岸形

成内库[7]。泄洪冲沙闸用来拦截推移质和部分悬移• 21 •

人民黄河2017年第5期质泥沙并将其排到下游。泄洪冲沙闸上游右岸修建溢

流堰，通过溢流堰将清水引入内库，沉积部分悬移质泥

沙，再通过引水渠进行引水、灌溉。泄洪冲沙闸闸底板高程为762.00

m，孔口单宽为

6m，共6孔（从左岸向右岸编号依次为1〜6号孔）。

粗，因此经比较和选配，推移质模型沙中值粒径心0 =

0.32〜0.53

mm，即推移质粒径比尺A, = 85;悬移质模

型沙中值粒径40 = 0.006 3〜0.014 4

mm，即悬移质粒

径比尺A'= 3.2。根据模型沙中值粒径范围，推移质采

用中细沙作为模型沙，悬移质采用粉土和沙漠细沙作

为模型沙。在模型沙选择过程中，已经考虑到泥沙起

动相似、河床阻力相似、河床变形相似、泥沙沉降相似

等有关泥沙的相似条件。根据钱宁动床模型相似公式

可知，阻力比尺A„ =

A” =

2.1，泥沙沉速比尺Aw =

A。=

9.22,悬移质含沙量比尺As = 1。泥沙沉降相似采用静

溢流堰堰顶高程为778.45

m，设计堰上水头为1

m，过

水宽度为45

m，设计流量为95

m3/s。2模型试验2.1模型试验理论基础模型设计所依据的相似条件包括水流重力相似、

阻力相似、挟沙力相似、泥沙悬移相似、河床变形相似、

泥沙起动及扬动相似[8]。同时，为了确保模型试验的

准确性，应使模型与原型之间具有几何相似、运动相似

和动力相似，模型和原型的初始条件和边界条件也应

保持相似。2.2模型试验方法为了验证水库建设的可行性，对规划中的水库系

统进行了动床模型试验，模型采用正态模型。首先，根

据选定模型比尺（比尺=原型尺寸/模型尺寸）制作河

工模型;其次，布设测量流量、水位、地形等的仪器测试

系统;接着，用已有资料验证模型水流是否与原型相

似;然后，通过试验选定模型沙，根据河工模型相似准

则确定动床各比尺，并验证各比尺的合理性;最后，对

水库高淤积状况进行水库泄空冲沙模型试验。模型试验按照《河工模型试验规程》（SL99—

2012)[9]进行，流量的测量采用三角形量水堰，流速测

量采用LGY-H型智能流速仪，水位的测量采用水准

2仪和钢板尺。.3模型比尺及模型沙的选定本次试验中模型的长度比尺心=85、垂向比尺

= 85，根据该段实测资料，按比尺关系对该河段进行

模型布置，保持模型与原型之间的几何相似。同时，要

保持水流运动相似，需满足弗劳德数相等，根据重力相

似准则导出各比尺关系[9] :

A。=

Af，A〃 =

Af，A卢

Af。由A，85可知，流量比尺A^66 611，流速比尺

A^9.22,时间比尺

A，9.22。动床泥沙模型试验中模型沙的选择十分重要，呼

图壁河渠首段实测推移质泥沙中值粒径心〇 = 27.1〜

45.0

mm，悬移质泥沙中值粒径40 = 0.020〜0.046

mm。

《河工模型试验规程》（SL99—2012)中规定推移质动

床模型的模型沙可选用天然沙或轻质沙，悬移质动床

模型的模型沙应采用轻质沙。由于该河段泥沙颗粒较

•

22 •水沉速测定，用实验室专用玻璃沉降管对单颗粒模型

沙沉速进行测定，与实际沉速进行比较后确定沉降

2比尺。.4模型合理性验证按照泥沙模型试验的要求，笔者验证了模型与原

型相似比尺的正确性，按原形河流以往地形资料制作

模型，然后根据原形河流的水文泥沙资料，按照要求的

各种模型比尺在模型内复演，经历一段时间后测定模

型地形，结果与实测地形基本相似。这证明了所选模

型沙及各比尺关系合理，可满足试验要求。3泄空冲沙试验3.1泄空冲沙试验布置根据呼图壁河来水挟沙情况以及以往的淤积状

况，模拟出规划水库运行多年后的淤沙情况，并对其高

淤积情况进行多种排沙方案的模型试验。根据泥沙运

动理论以及运行多年后泥沙淤积情况分析，悬移质泥

沙一般淤积在冲沙闸进口段，推移质一般淤积在河道

上游段。离冲沙闸较近段按照悬移质与推移质的质量

比为1 :

3进行配比铺沙，且悬移质铺于推移质上;离

冲沙闸较远段按照悬移质与推移质的质量比为1 :

7

进行配比铺沙，悬移质与推移质混合后铺沙。模型布置按规划水库进行布置，外库顺水流方向

每隔1

m设置一个特征断面，外库上游段共划分9个

断面。水库模型布置见图1。

人民黄河2017年第5期在进行泄空冲沙试验前，先模拟水库运行多年后

的淤积情况，将外库按地形铺设至高程778

m，模拟高

淤积情况。为了更精确地模拟泥沙淤积状况，进行了

80、100、120

m3/S三次年流量的冲沙过程试验。另夕卜，

还模拟了一次30

a —遇洪水（洪峰流量524

m3/S)的

洪水过程，由人工撒沙来模拟洪水期水流挟沙进库的

情况，以更精确地模拟泥沙在河床上的动态变化过程，

使泥沙淤积更具随机性和真实性。从泥沙淤积多年后

770

769

768

767

置m/图4

D7断面冲淤情况的模拟情况来看，不仅外库库容大幅减小，而且淤沙已

将冲沙闸大部分淤死。这种高淤积状态不仅影响到闸

3门的开启，.2而且对内库引低含沙量水不利。泄空冲沙试验分析在外库高淤积状态下，米用80

m3/s流量（1

a 一

遇洪峰流量）进行泄空冲沙试验，先将六孔闸门全部

打开，当外库泄空至水位高于河底1

m左右时，仅开启1、2、3号闸门进行泄空冲沙。此时，水流在闸门进口

前缘产生强烈的冲刷，并随着水位下降产生溯源冲刷。

水位降到淤积面以下越多，溯源冲刷强度越大，向上游

发展的速度越快，冲刷末端发展得越远。经过一段时

间的泄空冲刷后，仅开启4、5、6号闸门进行泄空冲沙，

通过不断变换开启的闸门，使得闸门前形成多个溯源

冲刷基点。从冲刷基点开始，冲刷呈扇状辐射形式向

上游发展，通过这种泄空冲沙方式可将冲沙闸前大量

泥沙排出库外。图2〜图5为泄空冲刷试验前后横断

面冲淤情况，图中横坐标代表距离上坝中心线的模型

距离，纵坐标代表泥沙实际冲淤高程。s/f7641------■-------■------------------------------------0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0距离/m图5

D8断面冲淤情况从图2至图5淤积横断面线可以看出，泥沙淤积

形态基本符合“淤积一大片，冲刷一条线”的特点。图

4和图5中虚线部分为D7和D8的淤积横断面，可知

泥沙在横断面上分布较为均匀，横断面上不存在明显

的滩槽。图2和图3中虚线部分为D3和D5断面的

淤积横断面，可知D3断面在距离2.2、2.6

m处有明显

的冲刷槽，这是1

a—遇流量所产生的沿程冲刷造成

的深槽，这就是所谓的“冲刷一条线”，从而形成有滩

有槽的复式横断面。另外，从图2可知，距离坝轴线

1.6

m范围内有一段较高的淤积面，根据试验观察，此

段形成了抗冲性能较强的黏土层且淤积高程较高。小

流量时水流绕开此段下行，造成D3断面左岸有明显

的冲坑;大流量时漫滩于此段的水流水面较宽且流速

小于此段的冲刷流速，最终造成外库泥沙淤积量不断

增大，库容不断减小。同时，从图2和图3可以看出，泄空冲沙试验后外

库上游段形成了沿程冲刷比较明显的凹槽。由图4和

图5可以看出，外库下游段强烈的溯源冲刷作用使得

泥沙淤积厚度降低了 4〜5

m，大量泥沙被带出水库。

由于溯源冲刷向上发展及外库上游段沿程冲刷的相互

作用，因此上游段淤积泥沙不断发生滑塌和崩塌，最终

使难以恢复的较强黏土层也大幅度减少。而且，根据

泄空冲沙试验时对流速的测定，发现流速从模型上游

端至闸前逐渐增大，由上游端的1.70

m/S增大至闸前

的4.35

m/S，流速的骤然增大造成闸前大量泥沙快速

起动，从而产生了强烈的溯源冲刷。•23.

人民黄河2017年第5期泄空冲沙技术不仅使外库上游段难以恢复的库容

得以恢复，而且带出了大量的沉积泥沙。通过这次泄

空冲沙试验，换算后实际9.22

h排沙量达到4.91万t，

取得了良好的冲沙效果，为该水库建设的可行性提供

了理论依据。多项式形式，而泄空冲沙后的断面符合幂函数形式。

在韩其为[10]把水库溯源冲刷概化图形假设为二次拋

物线的基础上，根据水工模型试验纵剖面实际拟合情

况，将溯源冲刷概化为图8所示的形式。3.3泄空冲沙公式确定为了更直观地了解整个泄空冲沙过程，选择水库

中间的两个典型纵断面进行分析，见图6、图7，图上横

向距离为模型距离，对应平面图上的横断面号，纵坐标

代表泥沙实际冲淤高程。780[778:、、23456789

图6 1.0

m处纵断面冲淤情况7777778(777!77(7^77:6(,6:6(A^

123456789横断面号图7 1.6

m处纵断面冲淤情况由图6可知:泄空冲沙时水位不断下降，冲刷呈层

状从淤积面向深层和上游发展。采用计算机软件对泥

沙淤积（冲淤)纵断面曲线进行数值拟合，得出拟合公

式为y = -0.103x2 +0• 09x+775.87 (1)当前期淤积有压密的抗冲性能较强的黏土层时，

则在冲刷发展过程中库区床面常形成局部跌水。泥沙

冲刷后纵断面曲线与幂指数函数拟合较好，拟合公

式为y = 778.92x-0

008 ( 2)图7为模型上距离上坝轴线1.6

m处纵断面的冲

淤变化曲线。泥沙淤积曲线的拟合公式为y = 0.077 3x2-2.064

6%+781.35 ⑶冲刷后纵断面曲线与幂指数函数拟合较好，拟合

公式为y = 779. 71%-0009 (4)根据水工模型试验拟合的淤积前后的拟合公式可

以发现，呼图壁河渠首水库自然淤积纵断面符合二次

• 24 •根据图8,假设泄空冲沙纵断面为二次多项式与

幂函数的形式，则可得泄空冲沙剖面线方程为A

2

A

m. 人 / 一Z_Z3

=J3 2L~

Lm-1(

J3 -^2) (5)式中:Z为高程;Z3为最终下降高程;人为冲沙前淤积

面纵坡降;J3为冲沙过程中的变化坡降;Z为冲沙长

度;L为最终冲沙长度;m为变形系数，根据试验数据

率定，m>—0.01。泄空冲沙剖面方程在％ =

L处与淤积面相交，可得

泄空冲沙后纵剖面比降3 = 22AZ

3JJ2 -

L (6)式中:AZ3为冲沙变化高程。根据沙量平衡方程及挟沙能力公式[10]，有Y

sd

WQS

0J3 -

J2也

J

2(7)式中：W为泄空冲沙量；Ys为淤积泥沙容重，取

1.4

t/m3;Q为泄空冲沙流量;5。为入库含沙量。由式(7 )可推导出最终的泄空冲沙量公式为AW =

Q50

J33 -

J23.4Y

sJ

2At

(8)泄空冲沙公式验证根据呼图壁河以往资料，渠首工程水库发生1

a

一遇洪水（洪峰流量为80

m3/s)时的入库含沙量为

50

kg/m3。由图6可知，横向1.0

m处纵向排沙出口

处下降高度为3.0

m，冲沙前、后纵向坡降分别为

0.009 8、0.018 0;由图7可知，横向1.6

m处纵向排沙

出口处下降高度为4.6

m，冲沙前、后纵向坡降分别为

0.013 5、0.020 0。由式（6)计算在横向1.0、1.6

m处的

J3分别为0.014、0.018,与实际比降十分接近。淤积前

后纵向坡降取两个断面平均值，由式（8)计算的泄空

冲沙量为5.54万t，与实际试验冲沙量4.91万t十分

人民黄河2017年第5期接近。因此，式（8)可以用于呼图壁河渠首工程水库

排沙形态预测及排沙量估算。人民黄河，2009,31(12) :31-35.4结语通过动床泥沙模型试验对泄空冲沙进行深入研

究，更直观地反映了泄空冲沙的规律，为进一步研究泄

空冲沙机理提供了依据。同时,通过模型试验来研究

拟建水库的淤积情况及冲沙措施的新思路，为建库可

行性研究提供了依据，避免了盲目建设。通过对呼图

壁河渠首工程水库泄空冲沙中溯源冲沙概化图形的研

究，建立了一套适合该水库的泄空冲沙公式，为今后该

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