西北水资源与水工程 第 10卷 1999年 第2期Water Resources & Water EngineeringX 宝鸡峡水库泥沙试验的模型律孙 东 智(水利部西北水利科学研究所 陕西杨凌 712100)K `1 `分析了渭河的河道特点、水沙特性和宝鸡峡低坝枢纽的淤积形态,论述了加坝加闸工程泥沙模型试验的设计原理通过河道水面线验证和泥沙冲淤相似验证,证明了模型设计的正确性,为水库运行试验奠定了良好的基础,提供了可靠的保证1 o M `水沙特性 泥沙试验 相似理论 宝鸡峡水库1 渭河河道特点及水沙特性渭河是一条多沙河流,发源于甘肃省渭源县乌鼠山,由西向东横贯甘肃东部,在陕西省宝鸡县风阁岭附近进入陕西境内流域内大部分地区为黄土丘陵沟壑及黄土塬区渭河以北,黄土覆盖较厚,植被很差,气候干燥,洪水暴涨暴落,水土流失严重渭河以南秦岭山区及六盘山、关山、陇山山区,植被较好,气候湿润,洪水平稳,年际变化小渭河流域河系发育,林家村以上大支流有散渡河、葫芦河、牛头河等,是渭河上游泥沙的主要源地宝鸡峡枢纽工程位于宝鸡峡口林家村,坝址以上流域面积30661km2库区位于低山区,河谷呈“U”形,宽100～700m,河流蜿蜒曲折,两岸山坡陡峻,山峰高程在800m以上,700～750m高程以上岩石大多裸露,两岸阶地不发育。
库区小支流有六川河、小牛沟、阉口河、李家河、史家河等河道原始比降2. 3‰林家村水文站位于坝址下游700m处,从1944年～1994年51年资料统计表明,多年平均径流量24.01亿m3,实测年最大径流量48. 82亿m3(1954年),在年内分配上,汛期(7～9月)径流量占年径流量的45.4%,而冬季(12月～2月)仅占9.4%多年平均输沙量1.47亿t,实测年最大输沙量3.99亿t(1973年),输沙量年内分配极不平衡,汛期沙量(6～8月)占年沙量的76.3%悬移质多年平均输沙量1.4亿t,推移质多年平均输沙量0.03亿t,占输沙总量的2%;多年平均含沙量60. 03kg/m3,汛期平均含沙量102.6kg/m3,实测最大含沙量845kg/m3(1985年)洪峰年际变化大,实测最大洪峰5030m3/s(1954年)水库上游南川河站,位于坝址以上200km,经过对1954～1986年南河川、林家村水沙量统计可知,上游站来水占57.74%,来沙占84.7%,沙量以上游来沙为主—23—X 收稿日期: 1999-01-20由53场洪水过程分析可知,沙峰一般滞后洪峰,平均滞后8.7小时林家村以上洪水陡涨缓落,6小时即可涨到峰项,而落水则长达2～7天。
从渭河水沙情况分析可知,宝鸡峡水库的多沙河流水沙特性十分典型2 宝鸡峡低坝引水工程概况及淤积现状分析宝鸡峡枢纽低坝引水工程于1958年动工, 1960年6月建成工程包括拦河滚水坝(坝高10m,坝顶高程615m),导流隧洞等当水位615m时,泄流能力为155m3/s,水位超过坝顶时,坝洞同时泄流水库库容仅508万m3,削减洪峰作用微弱,因水库属多沙河流上的蜿蜒性小型滞洪水库,其运行特点是隧洞不加人为控制,常年泄水,水库泄空后呈河道景象,具有天然河道与小型水库的双重特点水库上游来沙量年平均1. 47亿t,相当库容的20倍左右,故水库淤积很快, 1960年6～9月份实测淤积量为262.2万m3,占总库容的51.6%,非汛期畅泄冲刷,库容又恢复54.87万m3,建成运用仅一年时间,库容损失达207.35万m3水库在汛期淤积多,非汛期冲刷少的情况下运用几年后,坝前615m以下只剩1. 6km长的小主槽,基本上保持了冲淤平衡由于近几年渭河洪水较少,洪峰流量偏小,汛后冲刷时间很短,坝前300m以上基本淤平,库容仅有低坝附近十几万m3(坝前小漏斗)水库在这种运用方式下,纵剖面淤积形态属锥体淤积其主要特点是坝前淤积多,水库淤满后,河床纵比降减小。
建库前原河床比降为2.31‰,1973年和1995年实测纵比降为1.5‰左右宝鸡峡低坝水库之所以形成锥体淤积,主要是由于低坝泄水建筑物泄流量较小,在高含沙洪水时,产生壅水淤积,又由于水库壅水段短,只有4.5km,底坡大,坝高小,水流流速较大,能将大量泥沙带到坝前淤积,再由于汛期进库含沙量较高,所以造成坝前淤积很快低坝水库由于坝高615m基准面已定,水库淤积达到一定程度后处于平衡状态而水库淤积末端将逐渐向上游延伸,经过一段时间后,整个库区的淤积处于相对的平衡状态如1960年12月至1995年(实际1973年前已处于相对平衡),三十多年水库淤积上延4. 3km左右,1995年水库淤积末端在8.8km处(1973年前淤积末端已达8.8km处)由低坝水库淤积现状分析,在多沙河流上修建水库,泥沙问题十分突出虽然宝鸡峡二期加坝加闸工程将增大泄量,但年平均来沙量仍是库容的三倍左右,泥沙问题仍十分突出,只有通过模型试验来确定水库较好的运行方式,才能保证水库在较长时间内保持一个较大的有效库容,发挥水库的综合效益3 加坝加闸工程的泥沙试验要求泥沙模型要求能反映全部库区及坝区枢纽工程,河道泥沙模型要求与原型基本一致,模型比尺以满足相似要求为准则,试验研究的主要问题为:(1) 研究库区的冲淤形态,是否形成“死滩活槽”。
2) 平衡比降形成以后,确定水库长期有效库容3) 观测库区稳定滩槽形成前后洪水水位的变化,以及对陇海铁路等有关建筑物的影响4) 研究坝区的冲淤形态,主流的变化特点,稳定的滩槽位置以及对有关建筑物的影—24—响5) 验证并优化排沙底孔的排沙效果,提出改进的有效措施;验证取水口和电站进水口位置及高度的合理性,提出防止粗沙入渠和过机的有效措施6) 总结出保持水库综合效益的运行方式,及既能保持较大的有效库容,保证最大的灌溉效益,又能保证电站的较大出力,发挥电站的较佳效益的综合运行方式4 泥沙模型设计宝鸡峡水库泥沙模型在设计中考虑了相似理论所规定的基本相似律,即模型几何相似,水流运动相似和泥沙运动相似4. 1 `+
M »根据库区弯道繁多,河谷狭窄,坡陡流急的山区河流特点和既要研究库区泥沙,又要研究坝区泥沙问题的双重要求,经多方案比较,确定模型为1∶100的正态模型对较长河段的动床模型来说,这是大比尺的正态模型4. 2 `£ @ î M »挟沙水流的水流运动与泥沙运动是互相制约的,而水流运动则起主导作用宝鸡峡水库泥沙物理模型设计中对水流运动相似的基本要求是满足平面二维水流运动相似,包括垂线流速分布相似和垂线平均流速沿河宽的分布相似,主流和次生流的部位和强度相似,其方程为:Ux 5Ux5x + Uy 5Ux5y = gJ x - U2xC20HUx5Uy5x + Uy5Uy5y = gJ y -U2yC20H (1)式中, U为垂线平均流速,g 为重力加速度,J 为水面坡降,C0为谢才系数,H 为水深,x 和y分别为纵向和横向坐标。
水流连续方程为:5ux5x +5uy5y = 0 (2)由(1)式可求得平面二维水流运动相似律:K2uxKL= KuxKuyKL= KHKL= K2uxKC20KHKuxKuyKL= K2uyKL= KHKL= K2uyK2C0KH(3)式中, L和H 分别为平面和垂向尺度,这里KL = KH ,由(2)、(3)得:Kux = Kuy = Ku (4)Ku = K1/2L (5)Kc0 = ( KLLH) 1/2 (6)因为 C0 = 1g õ 1n õH 1/6—25— 所以 Kn = K1/6HKC0= K1/6L (7)n为曼宁糙率系数模型平面二维水流运动相似必要而充分的条件是模型水流满足重力相似和阻力相似,即式(5)、(7)阻力相似必须作到糙率沿河宽分布相似及河床,河岸糙率相似,糙率相似还将在模型水面线验证中确认模型水流与原型水流还必须具有相同的流态由于原型水流通常是紊流,模型水流的主槽部分的最小雷诺数Re应大于1000,宝鸡峡模型的Remin = UHmixv= 10×20.01 = 2000在阻力平方区最小水深Hmix = 2～3cm> 1.5cm的要求,表面张力不会干扰模型的水流运动。
4. 3 泥沙运动相似泥沙运动相似主要是作到泥沙沉降和悬浮相似,起动和扬动相似,挟沙力相似,泥沙连续相似即河床变形相似1) 由沉降相似可以推出沉速比尺:Kw = KCs- CC õK2dõK- 1v (8)对天然沙 Kw = K2d = Ku = K1/2L所以模型沙粒径比尺:Kd = K1/4L (9)(2) 起动和扬动相似,相似律:Kuc = Kuf = Ku (10)(3)由挟沙力相似 Ks* = KCsKCs- C对天然沙,Ks* = 1 (11)(4) 河床变形相似,河床变形方程为:1C5(Qs)5x + B5Z0Kt1= 0 (12)式中, C为淤积物干容重,t1为河床变形时间由(12)可得相似条件:1CõKQKsKL= KLKHKt1(13)Kt1 = K′CõKLKuKs= K1/2L õK′C (14)4. 4 ` ì ! 9 î k 4. 4.1 原型资料的搜集与分析据51年实测资料统计,林家村多年平均径流量24. 0亿m3,多年平均悬沙量1. 441亿t,推悬比为1.82%,悬沙中径d50= 0. 02mm,dcp= 0.0367mm。
宝鸡峡水库为低坝枢纽,库区属山区性河道型水库,建成后运行方式必然是洪水期低水位运行,蓄清排浑因库容较小,泥沙量很大,悬移质中的造床质是水库冲淤变化的主体推移质泥沙,特别是卵石推移质对回水末端有一定影响,对整个库区影响不大本模型主要模拟悬移质中的较粗部分即床沙质,当然也包括沙质推移质在内,因为0. 1～1. 0mm的沙粒—26—不光是以推移的方式运移的,有时是以跃移或悬移的方式运行的,只不过是与床沙交换频繁程度或者沙粒在床面停留时间久暂不同而已,将原型悬移质中床沙质含沙量垂线分布延伸到河底计算悬沙中床沙输沙率,所得床沙总量已将沙质推移质包括在内,这种处理方法也就是将沙质推移质输沙率比尺也取为悬沙中床沙质的输沙率比尺这样一来,本模型模拟的泥沙总量占河道来沙量的99%以上,未模拟的只是不足1%的卵石推移质宝鸡峡低坝已建成36年,库区推移质沙样,坝前及石方塘一带的造床质沙样可以代表加闸后水库运用时的库区的推移质和造床质现场取样分析,推移质d50= 9.2mm,与1959年提供的d50= 8.5mm接近库区中部床沙质多点取样d50= 0. 1～0.14mm,平均d50= 0.115mm、0. 03mm以下的细颗粒径占5～6%,而坝前受壅水影响,淤积物d50= 0. 075～0.08mm、0.03mm以下的细颗粒占9～10%。
加闸后取d50= 0. 08～0.085mm为原型资料配制模型沙进行起动试验原型淤积物干容重的影响因素较多,如级配组成、深度、淤积历时等,根据现场采样分析和经验,取原型淤积物干容重C= 1. 35～1.45t/m34. 4.2 模型沙的选沙和起动试验为了使模型与原型冲淤变化相似良好,我们在模型沙的选沙工作中作了多种方案比较最后在水槽试验中进行了天然沙( Cs = 2.65)和粉煤灰(Cs= 2. 2)的起动试验,天然沙起动相似良好,而粉煤灰则相似性较差故选用天然沙作模型沙, d50= 0.026mm,起动试验在长10m,宽0.395m,高0. 3m的水槽内进行的,试验水深3.75～17.0cm,相当原型3. 75～17.0m,共进行10个组次试验,其中微动5组,起动流速比尺Kvc在8.01～11.45之间,平均值为9.75,与水流的流速比尺10比较接近,说明所选模型沙满足起动和扬动相似条件原型的起动流速采用窦国仁公式计算,原型沙d50取0. 08mm公式为:Vc = 0. 32 ln11 h△)(Cs - CC。