中部引黄工程泵站出水池泥沙淤积模型试验研究

田 杰

（山西省水利水电科学研究院 山西太原 030002）

1 研究背景

随着沿黄地区社会经济的发展和人民生活水平的提高，对黄河水资源的需求量也越来越多，流域内修建了大量的蓄水和引提水工程。但黄河水沙变化过程非常复杂，水沙丰枯变化剧烈，取水口附近受水库运用、上游来流等诸多因素影响。因此，引水引沙过程也非常复杂，另外泥沙在隧洞内难免发生冲淤不平衡的情况，特别是局部地段累积性淤积的情况也可能发生。

山西省中部引黄工程是山西省“十二五规划”大水网建设中一项重要的工程，该工程干线自天桥水电站库区取水，因此直接采用天桥水电站入库径流分析取水口处径流。天桥水电站2000—2010年多年平均流量417 m3/s，月平均最大流量1 061 m3/s（2007年9月），月平均最小流量92 m3/s（2001年5月）。区间流域面积17 911 km2，90%以上为黄土丘陵沟壑区，受暴雨冲蚀，洪峰大，泥沙多[1]。为此，开展取水输水泥沙问题的深入研究，对保障中部引黄工程的正常运行是不可或缺的。

沉沙池是处理泥沙的一种经常采用的方法。按照常规，沉沙池应建在取水口泵站之前，以减少进入水泵的泥沙含量及减少泥沙粒径，同时解决泥沙在隧洞内的淤积和泥沙对水泵的磨损。但是，由于该工程首部受地形条件所限，不具备设沉沙池的条件，即使采用了一些办法，也不能完全排除泥沙的影响，所以鉴于该工程长距离隧洞输水的特征，设计单位除在首部采取一些处理措施之外，拟定利用泵站出水池沉沙，比较彻底地解决泥沙在隧洞内的淤积。

该工程直接从黄河干流提水，黄河水泥沙含量大且变化过程非常复杂，泥沙问题是威胁工程运行的一个关键问题。如果处理不当，高含沙水流不仅会造成水泵的磨蚀，输水隧洞也极有可能发生泥沙淤堵的现象。尤其应当指出的是：中部引黄工程采用无压隧洞经泵站一次提水后自流输水，线路长、纵坡缓（坡降：1/3 000），输水线路水文及工程地质条件复杂，且受地势约束，一旦隧洞内发生泥沙淤堵，清淤工作极其困难，将会严重影响到工程的正常运行。

2 模型试验设计

2.1 模型设计方案

本项目按照设计单位的要求，对泵站出水池进行水工泥沙物理研究，其目的是：依据设计单位提供的水沙等技术参数、要求及边界条件，了解不同运行条件下各部位淤积状态并优化设计参数。

在清水试验基础上，取不同流量和含沙量组合条件下的工况组合进行试验，工况组合如下：小流量2.95 m3/s、大含沙量10 kg/m3（最不利的工况）；小流量2.95 m3/s、中等含沙量 5.0 kg/m3；中等流量 14.73 m3/s、中等含沙量5.0 kg/m3；大流量23.57 m3/s、中等含沙量5.0 kg/m3；中小流量 8.84 m3/s、中等含沙量 5.0 kg/m3。

2.2 模型设计范围

模型包括上游供水段、模型试验段及回水段三部分，详见模型布置图1。

2.3 模型几何比尺的确定

根据模型试验任务及模型沙选择要求，模型按重力相似准则设计，选用几何比尺为1∶20的整体正态水工模型[2]。本模型试验各物理量相似比尺列于表1。

2.4 模型沙的选择

在浑水模型试验中，为了做到泥沙运动相似，首先碰到的就是选沙问题。根据设计院提供的泥沙资料，考虑偏安全因素，泥沙粒径范围采用义门站的泥沙资料，其粒径级配曲线如图2。

图1 模型布置图

表1 模型各物理量比尺

图2 颗粒级配曲线

由图2曲线知，悬沙中值粒径d50=0.04 mm，d＜0.025 mm的泥沙占38.28%。可见悬移质泥沙是比较细的，对于悬沙来说，模型沙主要是保证沉降相似。通过对电木粉、精煤、粉煤灰、塑料沙进行比选，选用起动流速小、级配广的精煤做模型沙。煤粉的颗粒较细，容易漂浮，一般可用来做模型的悬沙，但使用前需注意浸水（或泡水）处理，洗去漂浮物及油质，方可正式使用[3]。

3 试验成果及分析

3.1 出水池中水流粒径分布

在出水池0-082、0-062、0-038断面不同高度设取样管，运行中每隔一定时间取样进行垂线上的颗粒分析[4]。

由试验分析可知，在流量较小的情况下，无论是出水池前部（桩号0-082）还是后部（桩号0-038）处，泥沙颗粒级配沿程均无较大的变化，而随着流量的加大，出水池中相应的水流流速增大，由试验结果可以明显看出较粗颗粒的泥沙被水流带走，向出口处推移，从而后部泥沙颗粒较粗而前部较细。随着运行时间的增加，颗粒级配也无较明显的变化。

3.2 出水池中淤积形态及淤积量分析

由于采用精煤作模型沙，颜色太深，由模型外部观察淤积面比较困难，故除了由外面观测外，每运行一段时间，用探杆直接量测一次淤积面变化，测定淤积厚度。等工况运行结束后，停水量测淤积面。

从试验结果看，Q=2.95 m3/s、S=10 kg/m3，泥沙淤积比较均匀，淤积面也比较平滑。由于出水池中存在多根柱，影响水流的前进，故在柱的周围存在有不规则的坑，直径在2.5 m左右。出水池沿程淤积厚度没有明显变化，淤积最高点相对高程为24.46 m，在桩号0-070附近，最低点在压力管道出水口附近，相对高程为22.99m，高差1.47 m。淤积厚度沿程由小变大渐趋平缓，0-030至0-070断面间淤积最大，最高点淤积厚度为4.91 m。当流量加大（Q=23.57 m3/s），含沙量减小（S=5 kg/m3）运行工况结束后，出水池沿程淤积厚度由小变大，最高点出现在0-050附近，约为5.74 m。最低点淤积厚度约为1.64 m，高差4.1 m。当运行工况Q=8.84 m3/s，S=10 kg/m3运行结束后，压力管道出口处的冲坑基本被填平，出水池沿程淤积变化比较平稳，高差变化不大，最高点相对高程约为25.46 m，出现在桩号0-063左右。

关于出水池的淤积形态，淤积时间。根据模型设定的运行模式，只有Q=2.95 m3/s，S=10 kg/m3工况下的淤积形态才是由空池情况淤积之基础试验成果。对于其他成果都是在此基础上连续冲淤变化的结果，故各种工况下当池内无泥沙时，从开始运行直至达到冲淤平衡的时间是无试验资料的。为此可应用明渠沉沙池淤积计算的一般公式计算典型工况的出水池中淤积量及淤积时间。

将不同流量、含沙量组合情况下出水池中泥沙达到冲淤平衡的运行时间（天数）计算结果列入表2。

表2 不同流量、含沙量组合工况下出水池冲淤平衡淤积时间（天数）

4 结论及建议

1）从出水前池及隧洞中各种选定的运行工况试验成果可以看出，出水前池起到一定的沉沙池作用，可以将入池泥沙中较粗的颗粒沉下，减少或避免隧洞内的淤积。但出水前池作为沉沙池考虑从目前的设计体型看仍存在一些问题。池内产生的回流扩散，使淤积不均匀等；同时，为解决减少隧洞淤积的目的，应不断地将淤积泥沙清除，保持足够的体积供沉沙，而目前的体型是池内柱子太多，无论机械清淤或水力冲沙都不利。实验中看出入池压力洞段当流量很小时，因洞内流速很小，也会产生严重泥沙淤积，由明流变为满流，不仅淤泥清淤困难，也可能形成明满流危险，故将沉沙池置于水泵出口，应权衡利弊，认真研究。另外，建议出水池体型及构造应该按照沉沙池规范要求来设计。

2）从出水前池内淤积形态、不同深度、不同部位的泥沙粒径等来看各种工况也是有一定差别的，是符合一般泥沙冲淤规律的。但可以看出不论哪种工况，若不能将沉淀的泥沙清除，都将在一定时间内淤积至冲淤平衡状态，使入池泥沙基本都送入洞内。所提供的不同工况淤满时间虽然较粗，但说明这一工作状态是一定会出现的。因此隧洞中水流泥沙设计应以最不利的工作状态设计，即不同工况的泥沙全部进洞来研究隧洞内的泥沙冲淤问题。

［1］刘锡田.黄河天桥水电站建设及泥沙处理主要经验［J］.山西水利科技，2003，149（3）：1-6.

［2］刘志明，汪庆元.SL155-2012水工（常规）模型试验规程［S］.北京：中国水利水电出版社，2012:4-9.

［3］屈孟浩.黄河动床模型试验理论和方法［M］.郑州：黄河水利出版社，2005:109-110.

［4］封光寅.河流泥沙颗粒分析原理及方法［M］.北京：中国水利水电出版社，2008:54-98.