工程泥沙問題(河流動力學(xué))

工程泥沙問題這類受人類活動影響而發(fā)生的河床變形及有別于自然情況下的泥沙問題，稱為工程泥沙問題水庫泥沙的淤積及防治水庫淤積的現(xiàn)象和規(guī)律水庫淤積形態(tài)淤積縱剖面形態(tài)三角洲淤積這類淤積形態(tài)的形成條件是：庫容大、來沙粒徑粗、庫水位變幅小、庫區(qū)地形開闊(如湖泊型水庫)。官廳水庫是最典型的三角洲淤積帶狀淤積多出現(xiàn)在河道型水庫中，豐滿水庫是典型的帶狀淤積淤積物自壩前一直分布到正常高水位的回水末端，呈均勻的帶狀淤積形態(tài)錐體淤積在多沙河流上修建的小型水庫，普遍存在錐體淤積形態(tài)特點(diǎn)是：泥沙淤積很快發(fā)展到壩前，形成淤積錐體水庫壅水段短、底坡陡、壩身低、進(jìn)庫沙量大是形成錐體淤積的主要條件因?yàn)榈灼麓?、壩身低，故水庫流速大，能將大量泥沙挾帶到壩前淤積，加之入庫含沙量高，使壩前淤積的厚度大、速度快其次，異重流淤積也是重要原因之一因?yàn)樗畮燠账味?、底坡大，異重流極易運(yùn)行到壩前，井很快變?yōu)闇喫畮?，異重流隨之消失，所挾帶的泥沙便在壩前大量堆積影響水庫縱剖面淤積形態(tài)的主要因素有：入庫水沙特性、水庫壅水程度及壩前水位變幅、水庫庫容及庫區(qū)形態(tài)等淤積橫斷而形態(tài)淤積的橫向分布當(dāng)水庫發(fā)生單向淤積時，由于入庫水沙條件及邊界條件的不同，形成以下四種較普遍的橫向淤積形態(tài)，即淤積面呈水平抬高；沿濕周等厚淤積；淤槽為主和淤灘為主淤積后的沖刷形態(tài)水庫在水位消落期或汛期泄洪排沙時，先期淤積物將受到某種程度的沖刷，完成庫區(qū)河床的再造床過程上述淤積和沖刷造床過程的綜合結(jié)果，使庫區(qū)橫斷面形態(tài)變化表現(xiàn)出“死灘活槽”的規(guī)律，即灘地單向淤積，灘面逐年抬高，而主槽則是沖淤交替，在運(yùn)用方式合理的前提下，被淤廢的主槽可以復(fù)活?；謴?fù)一部分槽庫容，從而延長了水庫的使用壽命水庫淤積物的組成水庫懸移質(zhì)淤積物組成的基本特點(diǎn)是：淤積物中值粒徑自上而下沿程細(xì)化，但這種細(xì)化過程并不是逐漸完成的，而是集中在兩個主要區(qū)段第一個細(xì)化區(qū)約出現(xiàn)在從回水末端至壩身之間60%~80%相對里程處，在該區(qū)中值粒徑明顯細(xì)化第二個細(xì)化區(qū)，對某些水庫已不復(fù)存在，有些水庫雖依然存在，但細(xì)化幅度很小水庫淤沙粒徑在平面上的分布特點(diǎn)，一般是主槽較粗，灘地較細(xì)一般都是水深處淤沙較細(xì)，水淺處淤沙較粗；靜水處淤沙較細(xì)，動水處淤沙較粗；淤沙厚的部位粒徑較細(xì)，反之較組水庫淤積的上延現(xiàn)象當(dāng)水流進(jìn)入水庫變動回水區(qū)后，內(nèi)于水流條件的變化，水深增大，流速驟減，使泥沙集中在變動回水區(qū)末端落淤，而淤積的結(jié)果又反作用于水流結(jié)構(gòu)，使回水區(qū)水面曲線在淤積區(qū)及其上、下游一定范圍內(nèi)普遍抬高，為泥沙繼續(xù)在變動回水區(qū)淤積并向上、下游發(fā)展提供了條件。這種淤積自變動回水區(qū)末端(通常指正常苦水位的回水末端)向上游發(fā)展的現(xiàn)象，稱為水庫“翹尾巴”現(xiàn)象水庫淤積估算水庫泥沙的防治積幾十年解決水庫淤積問題的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不外“攔“(上游攔截，就地處理)、“排”(水庫排沙．保持庫容)、“清”(清除淤沙，恢復(fù)庫容)等三種基本途徑水庫泥沙的攔截與合理利用攔泥庫或攔沙堰子母水庫旁引水庫水力排沙水力排沙包括將進(jìn)入水庫的泥沙盡可能多地排走和將前期淤積的泥沙盡可能多地沖走兩方面清淤技術(shù)機(jī)械清淤水庫橫向沖蝕技術(shù)橫向沖蝕是依靠重力侵蝕及水力沖刷作用，對水庫中的灘地淤積進(jìn)行破離和輸移的一種清淤新技術(shù)低水頭樞紐的泥沙問題低水頭樞紐又稱徑流式樞紐，即水庫正常運(yùn)用水位較低，汛期為了排泄泥沙，降低水位運(yùn)用，以減少水庫淤積量船閘引航道的泥沙問題低水頭綜合運(yùn)用水利樞紐，往往設(shè)有通航建筑物(如船閘、升船機(jī)或滑道等)，以滿足航運(yùn)之需要。在通航建筑物的上、下游，通過引航道與樞紐上、下游航道銜接引航道的泥沙淤積現(xiàn)象水利樞紐下游的泥沙問題發(fā)生兩種不同類型的沖刷樞紐下游較長河段上普遍發(fā)生的一般沖刷樞紐下游附近較短河段內(nèi)發(fā)生的局部沖刷前者的沖刷距離往往長達(dá)數(shù)十千米至數(shù)百千米，后者的沖刷距離僅數(shù)十米至數(shù)百米，但其沖刷深度較前者大很多下游河床的一般沖刷現(xiàn)象河床自上而下普遍沖刷在樞紐下泄清水的條件下，下游河床將發(fā)生自上而下的普遍沖刷；當(dāng)水庫淤滿后下泄渾水時，將發(fā)生自上而下的普遍回淤。這是樞紐下游河床演變的普遍現(xiàn)象樞紐下游河道的一般沖刷是自上而下逐漸發(fā)展的，距壩愈近沖刷強(qiáng)度愈大，反之愈小壩下游河床一般沖刷的距離和速度與樞紐下泄流量的大小及下游河床組成有關(guān)下泄流量大，沖刷能力強(qiáng)，沖刷距離長；卵石夾沙河床，其沖刷發(fā)展十分迅速；細(xì)沙組成的河床，其開始階段的沖刷過程也十分迅速．以后逐漸變慢，直至達(dá)到起動平衡為止含沙量顯著降低水庫蓄水后，下游河道的含沙量明顯降低造成合沙量顯著變小的原因，除樞紐因蓄水使出庫含沙量顯著減小外，還與下游河道的沿途補(bǔ)給條件和水流挾沙力的變化有關(guān)河床顯著粗化樞紐下游河道的沖刷，將引起河床的粗化。河床粗化過程因原河床組成的不同而不同，河床為卵石夾沙時，粗化過程非常迅速河床為細(xì)沙組成時，其粗化是在沖刷過程中因懸沙和床沙的交換而完成的。因此，粗化發(fā)展沒那么迅速，但河床逐年變粗的趨勢仍很明顯斷面形態(tài)及縱比降的調(diào)整就斷面形態(tài)而言，視河床組成的不同，沖刷發(fā)展過程存在著下切、展寬、下切與展寬同時進(jìn)行等三種情況在河道斷面形態(tài)調(diào)整的同時，縱比降也相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。在一般情況下，只要河床為可沖刷的沙質(zhì)組成，其縱比降將逐漸變緩，這是因?yàn)闆_刷是自上而下發(fā)展的，且上游沖得深，下游沖得淺的緣故。只有當(dāng)下游河段的河床表層為沙層，而底層為比降較陡的卵石層時，才可能出現(xiàn)相反的情況河型轉(zhuǎn)化通常比較穩(wěn)定的蜿蜒型河段和分汊型河段將會變得更加穩(wěn)定；游蕩型河段則有可能轉(zhuǎn)化為其它比較穩(wěn)定的河型河道上修建大型水利樞紐之后，長期下泄清水改變了下游河道的來水來沙過程，導(dǎo)致河床斷面形態(tài)、河床縱比降及河床組成重新調(diào)整，為下游河道發(fā)生河型轉(zhuǎn)化提供了契機(jī)一般說來，修建水利樞紐后水沙條件的變化是有利于下游河道朝著較穩(wěn)定的方向發(fā)展的。流量過程的調(diào)平和比降的減緩，將使河道的輸沙強(qiáng)度減弱，樞紐下泄沙量的減少，將使下游河道由堆積抬高轉(zhuǎn)化為侵蝕下切；灘槽高差的加大和床沙的粗化，將增強(qiáng)河床的抗沖能力，這些都是有利于削弱河床演變強(qiáng)度的水庫的運(yùn)用方式不僅是決定水庫淤積量和淤積形態(tài)的關(guān)鍵因素，同時也是決定下游河道變形強(qiáng)度和演變趨勢的關(guān)鍵因素，是構(gòu)成水利樞紐庫區(qū)沖淤和下游河道沖淤的話矛盾中的主要矛盾，在分析水利樞紐上、下游河床演變時，應(yīng)給予足夠的重視引水工程中的泥沙問題無壩取水工程的取水防沙問題取水口位置的選擇在規(guī)劃設(shè)計階段，必須認(rèn)真分析取水口所在河段的河床演變、泥沙運(yùn)動及其對取水口的影響對順直微彎河段，應(yīng)著重分析邊灘移動規(guī)律，防止移動的邊灘將主流挑離取水口，甚至淤塞取水口對分汊河段，應(yīng)著重分析各漢演變趨勢，以免由于汊道的衰亡而使取水口淤廢對蜿蜒型河段，應(yīng)仔細(xì)分析凹、凸岸沖極強(qiáng)度及裁彎的可能性、以確保取水工程安全運(yùn)行對變形強(qiáng)烈的游蕩型河段，應(yīng)盡可能使取水口靠近節(jié)點(diǎn)據(jù)河床演變規(guī)律及環(huán)流理論，無壩取水口的位置最好選擇在彎道凹岸頂點(diǎn)的下游，距彎道起點(diǎn)4~5倍河寬處這一部位水流集中，水深較大，在環(huán)流作用下，含沙量較低的表層水流引向取水口，含沙量較高的底流則流向取水口對意圖。只要在取水口上、下游實(shí)施護(hù)岸工程，防止彎頂崩退下移，可確保取水工程安全穩(wěn)定試驗(yàn)表明，彎道取水口位置不僅與河寬有關(guān)，與河道幾何軸線的曲率半徑R也有關(guān)，取水口至彎道起點(diǎn)距離L可按下式計算式中，k為比例系數(shù)．當(dāng)k＝0.8~1.0時，相當(dāng)于凹岸最大水深和最大單寬流量所在之處，引水條件最佳調(diào)整和穩(wěn)定取水口附近的河道在實(shí)際工程中，有時不一定有合適的彎道可以利用，要造成在凹岸引水的條件，須采用系列整治工程將河段整治為人工彎道，形成有利于取水防沙的河勢從投資角度考慮，可以進(jìn)行局部改造。其問題是不能從根本上改變河道對取水的不利影響渠首建筑物的布置在非通航的中小河流上，為保證設(shè)計引水量，往往采取如右圖的布置形式這類渠首建筑物主要包括進(jìn)水閘、泄水閘和引水壩三部分引水壩的作用是收縮水流，拾高閘前水位，導(dǎo)水入渠泄水閘的作用是排走進(jìn)入引水槽的多余水量，保護(hù)渠首建筑物的安全，另外還可將沉積在進(jìn)水閘前的泥沙排往下游河道進(jìn)水閘的作用是控制入渠流量，保護(hù)引水渠系的安全防淤措施當(dāng)渠道自河流側(cè)面取水時，由于橫向環(huán)流的作用，含沙量較高的底層水流比含沙量較低的表層水流能更多地進(jìn)入取水口另一方面，河道中表層水的流速遠(yuǎn)大于底層水流速，即表層水流具有更大的慣性隨河道主流向下游流動，要使動量較大的表層水流改變方向進(jìn)入取水口，遠(yuǎn)比動量較小的底層水流困難，因而底層水流比表層水流更易于進(jìn)入取水口為防止或減少取水口泥沙淤積，可采取下述工程措施導(dǎo)沙坎導(dǎo)沙坎又稱為攔沙潛堰．設(shè)置在引水渠道口門附近，其作用類似于水電站進(jìn)水口前的導(dǎo)沙坎。資料表明，導(dǎo)沙坎防推移質(zhì)的作用比較顯著，但防懸移質(zhì)的效果不甚理想，特別是對含沙量高、含沙量沿垂線分布特別均勻的多沙河流效果甚差，這種河流河床沖淤幅度大、變化快，導(dǎo)沙坎常常很快被泥沙淤平而失去作用導(dǎo)流屏利用導(dǎo)流屏制造人工環(huán)流，以增加表層引水災(zāi)度、減小底層引水寬度的做法，可有效地減少入渠沙量其構(gòu)造復(fù)雜，成本高，運(yùn)用管理不便，在生產(chǎn)實(shí)踐中未得到廣泛運(yùn)用為防止或減少取水口泥沙淤積，可采取下述工程措施水力拉沙為避免引水渠淤堵，在關(guān)閘停引期間要密切注意引渠的淤積發(fā)展情況，當(dāng)淤積到一定程度時應(yīng)及時開閘放水，沖刷淤沙有壩取水工程的取水防沙問題側(cè)面取水這類取水工程主要由溢流壩、沉沙塘、沖沙閘及進(jìn)水閘組成其布置特點(diǎn)是在迎流面布置壅水和沖沙設(shè)施，而將引水閘布置在河道的側(cè)面據(jù)有壩取水工程運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)和模型試驗(yàn)，取水口前緣與壩線之間的夾角可取為105度~110度。引水時水流經(jīng)過沉沙塘后再進(jìn)入引水閘，多余的水則通過溢流壩泄入河道下游。當(dāng)泥沙淤積超過允許限度時，停止引水，開啟沖沙閘沖沙側(cè)面取水存在以下主要缺點(diǎn)：由于進(jìn)水閘布置在河流側(cè)面，當(dāng)開閘引水時，水流急轉(zhuǎn)彎形成橫向環(huán)流及其它復(fù)雜的局部環(huán)流，大部分泥沙并不按設(shè)計意圖淤積在沉沙塘內(nèi)由于進(jìn)水閘與沖沙閘正交，當(dāng)兩者同時開啟時，水流紊亂，容易招致泥沙入渠。因此，必須經(jīng)常停水沖沙，嚴(yán)重影響正常供水正面取水正面取水的設(shè)計思路主要是利用彎道(自然的或人工的)，將進(jìn)水閘設(shè)置在彎道凹岸迎流處，使沖沙閘與水流方向斜交，形成正面取水、側(cè)面排沙的格局。由于這類取水工程主要是利用環(huán)流，故又稱彎道取水工程工程實(shí)踐表明，正面取水工程對減少推移質(zhì)入渠效果顯著底欄柵取水底欄柵取水工程多用于坡陡流急，河床為卵石、礫石組成，推移質(zhì)輸移量較大的中小山區(qū)性河流圖示新疆頭屯阿上的底欄柵取水工程，主要由欄柵堰、引水廊道、泄洪沖沙閘、溢洪側(cè)堰及進(jìn)水閘組成水流通過欄柵堰堰頂，在釋放較粗顆粒的推移質(zhì)泥沙后，向下進(jìn)入引水廊道這類取水工程的主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，投資省，運(yùn)行管理方便，能有效地排除粗顆粒泥沙，但比欄柵縫隙小的泥沙仍會大量進(jìn)入引水渠，且欄柵極易被淤塞而影響正常取水入渠泥沙的防冶從大江大河中引水灌溉，終究會有一部分泥沙進(jìn)入渠道，若不采取有效措施，泥沙會在渠道內(nèi)大量落淤，降低渠道的輸水輸沙能力。解決入渠泥沙問