合理確定泄洪排沙洞的進口高程

1、合理確定泄洪排沙洞的進口高程摘要：實踐經(jīng)驗表明，水庫工程泥沙設(shè)計的關(guān)鍵在于合理確定泄洪排沙洞的進口高程、洞徑 及其平面位置。本文對陜北紅柳河流域新橋水庫泄洪排沙洞設(shè)計中的幾個關(guān)鍵性問題進行了 探討，并給出了適合北方多沙河流上中小型水庫泄洪排沙洞泄流曲線的計算方法。關(guān)鍵詞：水庫泥沙；造床流量；平衡比降1引言我國北方多沙河流上的水庫，泥沙淤積問題十分嚴重，直接影響水庫正常效益的發(fā)揮。解決 水庫泥沙淤積問題的關(guān)鍵在于合理的設(shè)計泄洪排沙洞。造床流量、平衡比降、終極庫容曲線和泄流曲線的確定直接影響泄洪排沙洞設(shè)計的合理性。 本文針對新橋水庫造床流量、平衡比降的確定、泄流曲線的計算這幾個關(guān)鍵性問題進行討論。

2、2新橋水庫概況新橋水庫位于陜西省靖邊縣紅柳河干流上，距靖邊縣城4 0 km，是紅柳河流域中的一座控 制性骨干工程，承攔壩址以上的洪水泥沙，確保金雞沙、巴圖灣水庫正常運用和無定河兩岸 的安全生產(chǎn)，同時新橋大壩還是307國道的咽喉工程。新橋水庫控制區(qū)間流域面積為8 6 1km2,多年平均入庫流量為0. 124m3燉s，汛 期為0. 3 2 3 m3燉s，多年平均含沙量2 6 3 kg燉m3,汛期平均含沙量5 4 5 kg 燉m31961年壩體加高到47m，總庫容為2. 0億m3。經(jīng)過多年運行，截止20 0 1年底，水庫已淤積1 .915億m3,水庫防洪能力嚴重不足，現(xiàn)有庫容及泄洪設(shè)施已 不能滿足防

3、御10年一遇洪水。新橋水庫一旦失事，必將造成下游金雞沙、巴圖灣等水庫連 續(xù)垮壩等災(zāi)難性后果。因此，依據(jù)陜西省紅柳河庫壩群治理工程項目建議書及其審查意 見，對新橋水庫實施除險加固改造，本次除險加固的主要任務(wù)是增建泄洪排沙洞。3幾個關(guān)鍵性問題討論 在新橋水庫泄洪排沙洞規(guī)劃設(shè)計過程中，造床流量、平衡比降、泄流曲線確定是關(guān)鍵問題， 直接影響泄洪排沙洞的設(shè)計合理性，下面對這幾個問題進行討論。3.1造床流量造床流量1, 2 在泥沙設(shè)計中是一個非常重要的參數(shù)，理論上現(xiàn)在還沒有一個成熟的計 算方法，目前大多是據(jù)經(jīng)驗公式確定。有關(guān)造床流量的求法很多，一般可取三四種方法進行 估算，然后比較采用兩個相近數(shù)值的平均值

4、做為造床流量?，F(xiàn)將幾種確定造床流量的典型方 法加以介紹，以便比較說明。（1）木村認為，造床流量可取為以輸沙率加權(quán)的平均流量，即Q = （皿。）疙叫i=lX=1式中：Qi為分級流量（m3燉s），Qsi為該級流量相應(yīng)的輸沙率（kg燉s），n為 分級總數(shù)。若假定分級流量與Qi與該級流量相應(yīng)的輸沙率Qsi=aQmi，將其代入（1）式，則 得IQ =史弓戶/玄w（2）E i=i根據(jù)許多輸沙公式及天然資料，得出m值為：推移質(zhì)為主的河流m=1；懸移質(zhì)為主的河流 m=2 ；推移質(zhì)和懸移質(zhì)同等重要的河流m=1.5。（2）造床流量保證率法。根據(jù)洪水頻率統(tǒng)計確定造床流量。漢德森（F.M.Hende rson ）認為

5、：滿槽流量為造床流量，根據(jù)美國一些河流的研究，滿槽流量約等于重現(xiàn)期1. 0 74年（平 均為1.4年）一遇的洪水。滿槽流量法。在我國，一般都把滿槽流量作為造床流量，由于水流滿槽前，對河床作 用最大的自然是滿槽流量，在水位超出河槽而漫灘后，邊灘流速很小，主槽流速變化也很小， 其造床作用與滿槽流量相近，但出現(xiàn)的機會卻較少。黃委會水利科學(xué)研究所分析了一部分河流平灘流量和汛期平均流量的實測資料后，采 用如下造床流量計算關(guān)系式Q 造=7. 7。汛。86+ 90。汛/式中：Q造為造床流量，Q-汛為汛期平均流量。長江科學(xué)研究院提出可按流量級累計的沖刷量達到5 0%時的對應(yīng)流量為確定水庫橫 向形態(tài)的造床流量。

6、上述經(jīng)驗方法中，其中(1)、(4)、(5)均是在對較大型的水庫進行研究總結(jié)出來的， 適用于較大型水庫。(2)、(3)可適用于大型水庫也可適用于中小型水庫的情況，新橋 水庫屬于大II型水庫，用上述幾種方法分別計算后，相差在1 0%2 0%；根據(jù)新橋水庫 的特點，最后采用造床流量保證率法，求得造床流量為12 3m3燉s，計算結(jié)果表明是符 合實際的。3.2平衡比降河槽的平衡比降1，2)也是泥沙設(shè)計的一個非常重要的參數(shù)，它的取值對計算結(jié)果影響 較大，和造床流量一樣，理論上也沒有一個成熟的計算方法，實際當(dāng)中也用經(jīng)驗公式推求。 新橋水庫采用以下3種經(jīng)驗方法估算庫區(qū)河槽的平衡比降，最后分析確定合理的取值。J

7、/J0HJ0.20之間的經(jīng)驗關(guān)系文獻2)中，根據(jù)不同水庫的實測數(shù)據(jù)，點繪出了/J0HJ0.20之間的經(jīng)驗關(guān)系 曲線。J為庫區(qū)河槽槽底平衡比降，J0為原河道比降，H為壩前平均淤積面高程與原河床 高程差。對于新橋水庫，J 0 = 2%。，依據(jù)此法得出的庫區(qū)河槽平衡比降為1.52%。（2）陜西省水科所經(jīng)驗公式法2） 根據(jù)陜西省水科所的分析，計算河槽沖刷平衡比降的經(jīng)驗公式為由式（4）可得，庫區(qū)河槽比衡比降為J = 1.47%。（3）清華大學(xué)水利系經(jīng)驗公式法2） 清華大學(xué)水利系提出的計算公式為式中，k,m分別為經(jīng)驗系數(shù)和指數(shù)；其它符號同前。對于新橋水庫的情況，k=l. 2,m=0. 24。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入

8、計算可得J = l. 1 %。上述3種方法得出的平衡比降平均值為1. 3 6%。，計算結(jié)果表明新橋水庫的平衡比降取為1.3 6 %。是合理的。3.3排沙洞泄流曲線本文根據(jù)新橋水庫泄洪排沙洞的設(shè)計形式（見圖1）,應(yīng)用水流連續(xù)方程和能量方程對新橋水庫的泄流排沙洞的泄流曲線計算公式進行了推導(dǎo)，得出在閘門全開情況下的泄流計算公式。云 1/1001圖1新橋水庫泄洪排沙洞縱剖面示意圖新橋水庫泄流曲線求法如下:（1）有壓流時的泄流曲線3，4 當(dāng)水庫壩前水位較高時，泄洪排沙洞內(nèi)水流為有壓流（滿庫）此時，泄洪排沙洞泄流量計算公式如下式中，Q壓是有壓流時的泄流量；A是泄洪排沙洞斷面積，A=（ 1燉4）nd2,d是

9、洞徑；H是水頭，取 水庫水位與泄洪排沙洞進口高程之差；p是流量系數(shù)，計算公式如下1 +（瑟一a）/丑1 +劣（1/衫）+ ZX（A/）2式中，Az是排沙洞進口高程與排沙洞閘門底板高程之差;入是排沙洞的沿程水頭損失系數(shù)，A=8gn（d燉4）1/3，其中g(shù)是重力加速度，n是糙率；乂是排沙洞進口至閘門出口斷面局部水頭損失系數(shù)之和；A0是壩前斷面的面積；1是排沙洞進口至閘門出口的長 度。一般情況下A/AO很小，可以忽略不計。利用式（6）.（7）可計算出不同庫水位時，泄流排沙洞的滿流泄流量。（2）明渠流時的泄流曲線3，4 當(dāng)庫水位較低時，泄洪排沙洞內(nèi)的水流為明渠流（非滿流），此時，泄洪排沙洞泄流量計算公

10、式如下式中，Q明為一定庫水位時的排沙洞泄流量；m是無坎寬頂堰流的流量系數(shù)，據(jù)工程實際取 值；b相當(dāng)于堰頂寬度，對圓形排沙洞近似取等效寬度bf （1/2） fltd其它符號同前。利用式（8）,對于某一庫水位可通過試算求出相應(yīng)泄流量。（3）明滿流轉(zhuǎn)換時的臨界水位庫水位下降或上升過程中，泄洪排沙洞中水流的液態(tài)會產(chǎn)生明滿流轉(zhuǎn)換的情況，存在一個明 滿流轉(zhuǎn)換的臨界水位。實際計算中，當(dāng)庫水位大于臨界水位時，泄流量應(yīng)采用式（6）計算； 當(dāng)庫水位小于臨界水位時，采用式（8）計算。臨界水位的確定方法：先利用式（6）和（8）分別計算出滿流和明流的泄流曲線，然后在 同一坐標(biāo)系中將兩條曲線繪出，兩者的交點對應(yīng)的水位即為臨界水位。通過臨界水位將計算出的有壓流和明流時的泄流曲線結(jié)合起來成為一個完整的泄流曲線，則 據(jù)此泄流曲線及其它條件可進行泄洪排沙