多孔拦河闸坝上游冲淤导污模型试验研究

林海斌，张海光

（华安水力发电厂，福建 华安 363800）

0 前言

低水头拦河闸坝是我国开发水能资源的主要方式之一[1]，低水头闸坝的可调节库容较小，山区自然和人为因素的影响下水土流失较严重、污物较多，由于闸坝的拦截作用，泥沙在库区发生淤积，使水库的调节库容变小，影响着电站的安全运行，同时污物的增多将对拦污栅的结构安全构成重大威胁[2]。

对于水库淤积，韩其为[3]提出了水库淤积与河床演变一维数学模型，对工程具有指导意义，但多孔闸坝泄流方式变化较大，坝前水流流态复杂[4]，因此本文采用小比尺模型试验对泄流量进行了验证，通过实测资料求解了推移质的级配曲线，模拟了多种流量下的冲淤情况。另对上游河道水流导污排污进行了四种方案的观察比对，得到排污效果较好的一种布置方案。

1 工程概况

华安水力发电厂进水口枢纽工程位于福建省华安县内，其中拦河闸所在位置的控制流域面积为6880 km2，设计多年平均流量为209 m3/s，设计年径流总量为67.51亿m3，正常蓄水位下的库容为390万m3，为径流式不完全日调节水库，由于可调库容较小，水量利用率低，需要经常启闭闸门进行泄水。

拦河闸坝总长194.4 m，最大坝高34.993 m，采用闸坝上下结合的型式，闸孔下部垫层为砼结构，上部是整毛石浆砌实用堰，堰上是平面钢闸门挡水控制水位及宣泄流量。拦河闸共19孔，其中1#、8#～11#堰5孔堰顶高程为86.5 m，孔宽10 m，闸门高8 m，闸门尺寸为10 m×8 m，其它14孔堰顶高程均为87.5 m，孔宽8 m，闸门高7 m，闸门尺寸为8 m×7 m，其平面布置图见图1。

2 模型试验

2.1 推移质级配曲线选择

根据华安电厂洪水水文资料，建坝20多年来，经常发生的洪水流量在2500 m3/s左右。为研究库区推移质颗粒组成，选用Q=2500 m3/s的流量为特征流量，用于分析推移质组成中的颗粒粒径，上游水流所能挟带的悬移质颗粒为最小颗粒粒径。

建坝时河床质取样筛分得到的颗粒级配曲线见图2。由图2可知，粒径小于2.5 cm的颗粒占河床质总量的30%，而粒径小于1.0 cm的颗粒占18%，介于两个粒径之间的颗粒占河床质总量的12%。考虑到建坝后运行至今库区淤积的河床质颗粒级配会有所改变[5～6]，据水库放空时观测，河床质泥沙中粒径约在2 cm～3 cm，在试验中，根据河床质颗粒级配曲线取上述两个粒径之间的曲线段作为选用的推移质颗粒组成部分。

图2 河床颗粒级配曲线

2.2 输沙率

根据华安拦河闸下游浦南站的水文资料，历史上汛期最大的悬移质含量为2.7 kg/m3，因此最大的推移质输沙率可表示为：

式中：gB为推移质输沙率；Q为流量；B为河床宽度。

2.3 模型设计与制作

根据试验要求，模型按重力相似准则设计为整体正态模型，考虑到试验场地、供水流量以及量测精度，选定模型与原型的长度比尺为1∶70，即λL=70。模型地形用水泥砂浆抹面，下游河道左岸滩地采用小石子喷水泥浆加糙，拦河闸和进水闸闸体模型采用有机玻璃制作，基本上满足模型糙率的需要。拦河闸上游河道长度取400 m，前接一稳水池和过渡段。因上游试验段内基本没有弯道水流的影响，推移质向下游运动的方向与河道水流方向大体一致，选择拦河闸上游400 m断面作为加沙断面，试验过程采用筛分的方法配备模型沙。

根据华安电厂洪水水文资料及模型试验时间要求，选用Q=2500 m3/s的洪水流量作为造床流量，经过模型时间8 h，相当于原型时间约67 h，推移质基本稳定。计算的输沙率为5.76×10-3kg/（m·s），为了使河床面保持相对稳定，输沙到达冲淤相对平衡，直到床面上均匀地分布着鱼鳞状沙波为止，造床基本稳定后的库区地形见图3。

图3 造床稳定后库区地形图

3 试验结果分析

3.1 泄流能力验证

为了验证拦河闸模型泄流流量的精确性，对拦河闸大闸孔（10 m×8 m）和小闸孔（8 m×7 m）两种闸孔分别进行泄流能力试验，计算得出的拦河闸大闸门自由出流水位～流量关系曲线见图4，拦河闸小闸门自由出流水位～流量关系曲线见图5。由图可知，对于相同的闸孔下泄流量，模型实测库水位比设计洪水位低，拦河闸大小闸门自由出流时的实际泄流能力将比设计计算值约大1%～5%，水闸泄流能力满足设计要求。

图4 拦河闸大闸门自由出流水位～流量关系曲线

图5 拦河闸小闸门自由出流水位～流量关系曲线

3.2 上游河道冲淤情况分析

当入库流量增大到3000 m3/s，4#、8#、14#闸门关闭，其余闸门全开时，上游库水位为92.50 m，引水渠引水流量刚好能达到152 m3/s，库区河床泥沙开始启动，经过模型时间7 h（原型约为59 h），河床基本达到冲淤平衡，冲淤平衡后的库区地形见图6。当入库流量继续增大时，虽然来流量增加，但由于水深随之增加，过水断面水流流速并没增加多少，河床泥沙启动量反而减少，无法达到库区冲淤的效果。从图6可以看出，整个库区淤积冲淤效果并不明显，库区右岸淤积部分仍然存在，库区左岸由于受束水墙的阻挡作用，束水墙到5#闸门之间泥沙淤积增加，束水墙处泥沙淤积高程已接近束水墙顶高程。河中部分河床淤积高程约下降1.5 m。由于水流脉动、底部漩涡及横向涡流的作用，闸前淤积泥沙呈悬浮状态而被水流挟带至下游，但这种脉动和纵横向涡流作用仅在拦河闸闸前约25 m范围内较为明显，排沙的范围仅及闸坎前15 m～20 m。

图6 冲淤平衡后坝前地形图

当入库流量达到5000 m3/s时坝前冲淤情况见图7，19个闸门均打开，随着流量的增加，库区内粒径为2.5 cm的表层泥沙将大量启动，随水流通过闸门挟带至下游，库区内淤积减少，流量愈增大，冲淤效果愈明显。

图7 流量为5000 m3/s时闸前冲淤情况

3.3 上游河道水流导污试验分析

华安水电站泄流量小于500 m3/s的天数约占90%，需要经常启闭闸门泄流。拦河闸坝轴线与拦污栅夹角成漏斗形状，在汛期大量上游污物随着水流堆积在库区内，受电站进水闸引水的影响，大量污物会逐步堆积在拦污栅上，对拦污栅拦污造成巨大压力，影响电站正常运行。选取入库流量Q=500 m3/s进行河道水流导污试验，观察对比了四个方案：（1）无拦污排措施，开9#闸门；（2）无拦污排措施，开3#闸门；（3）有拦污排措施，开9#闸门；（4）有拦污排措施，开3#闸门。

当没有设置拦污排措施时，开9#闸门泄洪与开3#闸门泄洪都会存在着大量污物积聚在拦污栅前，但开启3#闸门泄洪污物积聚范围要小。在8#和9#闸墩处设置一拦污排至拦河闸上游左岸80 m，见图8。当开启9#闸门泄洪时，大量污物被拦污排挡住，拦污栅前几乎没有污物。虽然部分污物随水流通过9#闸门泄流至下游，但仍有大量的污物积聚于8#闸门至拦污排之间，无法随水流下泄到下游，这么多污物将对拦污排结构上造成巨大的压力。因此，考虑将拦污排由8#和9#闸墩移至2#和3#闸墩处至上游左岸80 m，见图9，这样可缩短拦污排的长度，且可减小污物受水流流向的影响对拦污排产生的正向压力。当开启9#闸门泄洪时，大量污物被拦污排挡住，拦污栅前几乎没有污物，但在8#闸门至拦污排之间仍积聚大量污物，对拦污排拦污造成压力。因此关闭9#闸门，开启3#闸门，即方案（4），则积聚在拦污排前的污物将通过3#闸门下泄的水流挟带至下游，滞留于拦污排前的污物极少，达到较好的排污效果。

图8 拦污排（8#、9#闸墩）

图9 拦污排（2#、3#闸墩）

4 结论

由于低水头多孔拦河闸的库容较小，同时山区水土流失较严重，库区泥沙淤积较严重、污物较多，本文以华安水电站工程为例采用模型试验对拦河闸上游冲淤及导污情况进行模拟，得出以下主要结论：

（1）入库流量低于5000 m3/s时，当流量增加，水深也随之增加，过水断面水流流速增加较少，河床泥沙起动量较少，无法达到库区冲淤的效果，反之，当流量大于5000 m3/s时，所有闸门均打开，库区泥沙大量起动，冲淤效果明显；

（2）在没有设置拦污排措施时，仅靠开闸导污排污，其效果并不明显，大量上游污物随着水流仍堆积在拦污栅上，对拦污栅造成巨大压力。若在2#和3#闸墩处至拦河闸上游左岸80 m设置一拦污排，开启3#闸门，能起到较好的拦污导污效果。