下载文档原格式
输水渠首工程水闸泥沙淤塞试验研究作者：邹志华来源：《西部论丛》2017年第10期摘要：在分析工程设计院提供的相关资料基础上，本研究以某无坝引水枢纽的渠首工程为例，通过河工物理模型试验，来对渠首位置选择以及设计的合理性进行评估，并找到设计中河道水流水力的特性，文章最后根据试验结果，找出已有设计在哪些方面存在不足。
关键词：渠首工程水闸泥沙淤积引水工程本文利用物理模型试验，对某水利枢纽渠首工程进行分析，找到进水闸前泥沙产生严重淤积的主要原因，针对原因提出合理性的建议[7-9]。
1、基本概况项目处于我国偏远的西部区域，取水的用途为发电。
电站主要由渠首枢纽、引水体系、厂房等组成，其中渠首枢纽包括取水口、泄水渠道、泄洪闸以及引水渠道，首部枢纽运用的是无坝引水方案。
该工程所在河流属于常年性河流，也是西部地区年平均径流量最大的河流，根据1957-2013年的数据该河流的年平均径流量为14.52×108m。
河流水源来自于降雨和冰山融雪，因此降雨量在各个月份很不很不均匀。
6月到8月是该河流的汛期，汛期的水量達到了年径流量的将近百分之七十。
2、试验过程在该工程所在河段的下游一万米有一处水文站，观测数据表明在洪水期该河段的最大输沙率为8898 m3/s。
由于当河段在百年一遇洪水时，渠道取水口前的淤积更能够反应问题，因此探讨闸前泥沙形成淤积的原因时本实验选取的是百年一遇试验结果，共选取在洪峰时段56.21L/s、66.01L/s、82L/s、96.8L/s、120.15L/s、129. 75L/s六个流量来进行不同的放水试验，结果发现发生百年一遇洪峰时，进水口位置严重的泥沙淤积现象出现在各个流量的洪峰过后，阻碍水的流动，干扰明渠引水的正是这些泥沙。
3、分析试验结果3.1 水流与河床的相互作用水流和河床的共同作用形成了河道，在河床作用于水流运动的同时，河道里水的流动也会影响河床的边界情况，矛盾中的二者相互作用。
在河床边界条件、来水、来沙的相互作用下，本文所研究的工程所在河道呈现弯曲形态，主要的作用力来自于水和沙，起最终决定作用的是河床边界条件。
三峡工程上引航道低水位冲沙方案研究-水库不恒定流分析摘要：本文利用一维不平衡输沙及不恒定流数学模型，针对三峡水库1～130年的各种淤积状态，研究了坝前水位降低2m冲沙所引起的水库泄水和充水的不恒定流。
文中首先给出了三峡水库1～130年淤积的计算结果。
淤积成果与前人的研究成果基本一致。
在此基础上分别给出了不同淤积年份中，坝前水位降低2m冲沙和恢复正常水位需要的时间、排水量、下泄洪水过程、水库沿岸水位变幅以及对三峡发电水头的影响。
研究表明三峡采鹊低水位冲沙的方案是可行的。
由于小幅度降低水位冲沙可以缩小冲沙设施的规模及减少工程投资和技术上的困难，该方案具有明显的优点。
关键词：三峡工程引航道泥沙淤积动水冲沙1 前言三峡工程上引航道的泥沙淤积在水库运行30年后将逐步加剧，到50年以后，最大年淤积量将超过200万m3[1]，而且，由于泥沙淤积主要集中在汛期大洪水的时候，大水大沙年高强度淤积将是机械挖泥所难以胜任的。
因此，三峡工程引航道应考虑布置有效的冲沙设施，以确保通航条件的满足。
葛洲坝的长期运行经验证明，采取“静水通航，动水冲沙”的策略解决通航与泥沙淤积的矛盾是正确的。
葛洲坝在大江和三江引航道都布置了相当规模的冲沙闸，大江航道的泄洪冲沙流量为15000m3/s，三江航道的冲沙流量为8000m3/s[2]。
这一规模的冲沙设施不但保证了上下游引航道的畅通，而且也为葛洲坝增加了可观的泄洪能力。
“静水通航，动水冲沙”的原则对三峡引航道也是适用的。
但是，三峡和葛洲坝工程的规模和条件相差较大。
葛洲坝工程汛期水头仅20m 左右，而三峡工程的水头约80m。
由于水头大，三峡工程冲沙闸（隧洞）设计在处理高速水流问题方面的困难更大。
而且，如果在隧洞两侧开凿冲沙隧洞，对高边坡稳定是否会有不利影响，还有不同看法。
何况这类冲沙设施的造价高而且在前期利用率低，投资积压严重。
另一方面，三峡工程又具有葛洲坝所不具备的优势。
三峡下游水位处于葛洲坝水库的控制范围内，三峡引航道冲沙时可以临时要求葛洲坝降低库水位而增加其下游引航道的冲沙能力；三峡水库的坝前水位汛期一般为145m，上引航道水深较小，可以采用比葛洲坝工程更小的流量冲沙。
低水头水利枢纽泄水闸前局部冲刷问题研究的开题报告一、研究背景和意义水利枢纽作为重要的水利设施，其安全运行对保障当地农业生产和城市供水具有重要作用。
然而，随着水利枢纽建设的加快和水利工程的频繁利用，水利枢纽泄水闸前区域的大水流垂直落差加大，水流剧烈，易发生冲刷等问题。
针对此问题，本文将选择湖南省某低水头水利枢纽泄水闸前局部进行研究，探讨该区域冲刷机理及解决方法，为水利枢纽的可持续运行提供理论参考和技术指导。
二、研究目标和内容目标：通过现场勘测和模拟试验，揭示低水头水利枢纽泄水闸前区域冲刷机理，研究该问题的解决方法，提出可行的治理方案。
内容：（1）选定研究区域，调查勘测表层地质条件，包括土层厚度、颗粒组成、含水量、岩性等；（2）建立物理模型，模拟泄水闸前水流流向和冲蚀情况，并对不同的控制方案进行对比；（3）分析水流对土体的冲刷失稳机理和道路建设对地质环境的影响；（4）结合实验数据和数值模拟结果，提出可行的治理方案，为该区域的维护和保护提供科学依据。
三、研究方法和技术路线方法：现场勘测、试验室分析、数值模拟等方法相结合。
技术路线：（1）了解研究区域地质条件，对地下水水质和水位进行监测；（2）在试验室建立物理模型，对泄水闸前区域进行模拟试验，使用水文地质仪器测量水流流速、流量，进行内部冲刷力计算；（3）结合数值模拟计算结果，分析冲刷失稳机理和可能产生的危害；（4）开展数值模拟模型对比，探讨各种治理方案的优缺点，并提出最优方案。
四、研究预期成果（1）揭示低水头水利枢纽泄水闸前局部的冲刷机理；（2）针对该区域的冲刷问题，提出可行的治理方案；（3）为低水头水利枢纽泄水闸前区域的管理和维护提供科学依据。
基于数值模拟的低水头闸坝工程下游冲刷动力研究
薛玉山;郭萍
【期刊名称】《水利科技与经济》
【年(卷),期】2024(30)1
【摘要】针对低水头闸坝工程长期面临下游河床冲刷问题,通过不同工况参数分析,构建闸室断面水工模型。
同时,基于Fluent平台构建数值模型,采用边界设置以及动网格宏函数控制流体突变,从而改进模型。
结果表明,粒径与冲刷流量对冲刷坑深度以及范围有直接影响;对下游冲刷坑流速进行分布数值模拟,二次开发模型能准确反映实际冲刷情况,相对误差0.092%,优于原有模型。
研究成果可为水利工程的建设与维护提供技术参考。
【总页数】6页(P30-35)
【作者】薛玉山;郭萍
【作者单位】安徽省亳州市谯城区水利局
【正文语种】中文
【中图分类】TV641
【相关文献】
1.当卡水电站下游局部冲刷三维数值模拟研究
2.低水头闸坝式枢纽工程泥沙问题研究
3.低水头水利枢纽闸坝下游回流区冲刷问题试验研究
4.基于BP神经网络模拟闸坝下游冲刷坑空间分布
5.后台阶下游床面冲刷过程数值模拟研究
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第16卷 第10期 中 国 水 运 Vol.16 No.10 2016年 10月 China Water Transport October 2016收稿日期：2016-07-28作者简介：徐振坤（1990-），男，山东日照人，本科，东营港建设服务办公室，助理工程师，主要从事水运工程管理工作。
中低水头枢纽坝下局部冲刷问题的初探徐振坤1，郭 毅2（1. 东营港建设服务办公室，山东 东营 257237；2. 四川众铭建筑设计有限公司，四川 成都 610041）摘 要：中低水头的闸坝工程在国内外得到了广泛应用，国内外学者对此已经做了诸多探究，取得了较多成果，同时也提出了更多问题。
就中低水头枢纽坝下局部冲刷的研究历史及研究方法做了简单的综述，并对中低水头坝下局部冲刷问题的的研究方向作适当展望，希望能为后续研究提供参考。
关键词：中低水头枢纽；坝下局部冲刷；闸坝工程；物理模型；数学模型中图分类号：U64 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2016）10-0172-04近年来，中低水头的闸坝工程得到了广泛应用，在水能资源丰富的西南地区中低水头闸坝工程几乎占到总数的50%。
在未来的水电枢纽工程的修建中，中低水头的坝式结构将占有非常重要的地位。
随着此类工程的日益增多，修建水电工程所引起的问题也愈发得到关注。
在中低水头的闸坝工程中，上下游水位存在一定的水位差，下泄水流往往具有很大的流速，并且携带了较大的能量。
这些巨大的能量如果得不到消散，就会对下游河床、河岸进行冲刷，而下游河段的覆盖层大多也是冲积形成，抗冲能力较差，河床极易冲刷成坑，当这些冲刷坑的位置距离水工建筑物太近，并且坑深较大时，就会对闸坝工程产生破坏作用，严重影响水电枢纽工程的使用寿命。
据不完全统计，在我国的103座大中型水电枢纽当中，由于各种原因导致水工建筑物发生破坏的67座，其中因为冲刷破坏的就有58座，占到破坏总数的86.6%[1-2]。
低水头航电枢纽泄水闸下游局部冲刷问题研究的开题报告一、研究背景及意义低水头航电枢纽是我国规模较大的水电站之一，其泄水闸的使用对保障下游的水资源利用和流域生态环境具有重要意义。
然而，在长时间的运行中，下游局部地区的河道底部出现明显的冲刷现象，导致水深减小、水流速度增大、河床变宽等问题，造成了严重的水土流失、水质恶化等环境问题，也威胁了下游人民的生产和生活。
因此，研究低水头航电枢纽泄水闸下游局部冲刷问题，对于保护流域生态环境、促进持续发展具有重要的现实意义和理论价值。
二、研究内容和方法在研究中，将采用实地调查、样品采集、实验分析和数值模拟等方法，深入探究低水头航电枢纽泄水闸下游局部冲刷的机理及其影响因素，阐明河床和土壤的力学特性，分析和评价冲刷区域的生态环境和社会经济状况。
具体而言，研究内容包括以下方面：1.低水头航电枢纽泄水闸下游河床冲刷机理分析；2.下游土壤流失分析，包括营养元素、有机质的流失情况；3.实地测量冲刷区域水土质与力学特性；4.基于数值模拟技术分析冲刷区域水土流动特性，预测冲刷演化趋势；5.评价冲刷对生态环境和社会经济的影响。
三、研究过程及阶段研究将分为以下几个阶段：1. 完成文献调研和理论准备，熟悉环境和背景知识，制定具体实践计划；2. 实地调查和采样，分析测试水土质量及其特性；3. 建立冲刷学分析数值模型，引入适当的假设条件，开展数值模拟实验；4. 对模拟结果进行分析与研究，比较真实情况，验证模型的合理性；5. 对实验数据，建立成果档案，根据成果形成研究成果，并撰写论文。
四、预期成果本研究的预期成果有以下几点：1. 系统掌握低水头航电枢纽泄水闸下游局部冲刷机理及其影响因素研究方法；2. 分析和探明冲刷机理和危害因素，帮助对枢纽泄水渠道进行优化和改善；3. 建立数值模拟模型，预测和评估低水头航电枢纽泄水闸下游的冲刷情况；4. 提出对流域管理的建议和对环保工作的启示，为保护生态环境提供科学依据；5. 发表国内外高水平学术论文，为学术界和工业界提供有价值的学术成果。
低水头闸坝式枢纽工程泥沙问题研究李远贤(四川省水利水电勘测设计研究院水电科研所,四川成都 610072)摘 要:低水头闸坝式枢纽工程在山区、平原中小河流上应用较多,由于有供水及引水发电的需要,需要解决首部枢纽的取水防沙、拦沙排沙及闸下游的消能防冲等泥沙问题。
根据一些工程的模型试验成果,对这些问题进行总结,供设计和运行管理部门参考。
关键词:取水防沙;束水攻沙;螺旋流;启动流速中图分类号:TV222文献标识码: B文章编号:100122184(2003)022******* 低水头闸坝式枢纽工程一般由泄洪闸、冲沙闸、电站取水口和挡水副坝组成,由于其具有投资少、工期短、见效快等优点,加上一些地形和地理条件的限制,在山区和平原中小河流的水电开发中应用较多,在设计和施工方面也积累了一些成熟的经验。
但这类工程也存在一些问题,以至影响了工程效益的发挥。
特别是泥沙问题,如不能较好地得到解决,将直接影响到该类工程的开发建设和安全运行。
低水头闸坝式枢纽工程的主要泥沙问题有:电站取水口的“门前清”;冲沙闸、泄洪闸的冲沙、拉沙效果好坏;库区的泥沙淤积(本文暂不涉及)及降水拉沙情况;冲沙闸、泄洪闸下游的冲淤问题等。
1 电站取水口“门前清”一般低水头闸坝式枢纽工程最重要的功能是发电。
对枢纽来说,如何进行枢纽布置和合理调水调沙,以减少过机含沙量,并尽量避免对水轮机危害较重的粗泥沙过机,就成为一个需要首先解决的问题。
1.1 电站取水口的位置和方向由于河道地理、地形条件千差万别,电站取水口的布置受诸多条件限制,应结合坝轴线的选择、枢纽总体布置等综合情况进行分析选定。
取水口的位置和方向应考虑利用弯道环流表流和底流方向不一致的特点,或直接利用天然弯道,或修建导流墙形成人工弯道,将取水口布置在弯道顶点下游凹岸一侧,形成正面取水、侧面排沙的形势,这对于解决电站取水口“门前清”是一个较好的前提条件。
在乐山玉林桥电站模型试验中发现,由于进水口位置基本处于弯道顶点,形成凸岸取水之势,且隧洞进水口分流比较大,加之进水口位置远离闸轴线,闸前束水宽度又大,使得冲沙闸与进水口之间河道流速不到3m s,仅略大于拦沙坎顶流速,不能满足闸前泥沙快速推移的要求,致使拦沙坎前一部分推移质随电站取水翻过拦沙坎进入进水口。
在汛期控收稿日期:2003203211制库区水位运行下,冲沙闸前不能形成溯源冲沙,很难达到进水口“门前清”的效果。
经模型试验多次修改表明,单纯采用防沙工程措施工程量巨大,且效果不理想,最后提供的建议是从改变进水口位置和改变水库发电运行方式方面进行探讨。
1.2 拦沙坎的形式及高程保证电站取水口“门前清”最常见的工程措施就是在取水口前沿设置拦沙坎。
一些多沙河流有时还需设置两道拦沙坎,一般由前坎阻挡大部分泥沙,并利用在两道拦沙坎间形成的截沙槽和螺旋水流,最大限度地拉走越过第一道坎的泥沙。
拦沙坎的高度以不影响进水口水流形态和引用流量为限,拦沙坎的形式和高程宜通过模型试验优化确定。
为了减少工程量,根据坎前泥沙运动情况,一些拦沙坎可设计成上高下低的斜坡式,高差宜控制在1～3m左右。
洪雅槽渔滩电站模型试验中发现原设计方案厂房前沿泥沙淤积较为严重,厂房有较大量的沙泥进入。
为了达到厂房“门前清”,试验共进行了7次修改,将进水口上游吴村坝防洪墙修改为类似挑坝的引流段,将原设计的一道拦沙坎改为两道,并将右边两孔泄洪闸改为冲沙闸,在冲沙闸和泄洪闸之间增设束水导墙。
试验最终推荐方案中的第一道拦沙坎高程为510m;第二道拦沙坎为前高后低的两段,前段高程513m,后段高程512m,前后段变高程处形成折点,束水导墙长度80m、高程512m。
该方案截沙槽内螺旋流拉沙效果良好,从而保证了厂房“门前清”。
该工程自1995年建成后,运行情况良好,拦沙坎前未见泥沙淤积,证明模型试验成果是合理的、可行的。
拦沙坎的具体布置见图1。
在雅安飞仙关电站模型试验中也遇到与槽渔滩电站类似的厂房引水池进沙的问题。
经模型试验多次优化修改,将原设计的一道拦沙坎改为两道,并将原设计的平顶拦沙坎改为上高下低的斜坡式,上端高程615m,下端高程614m,新设的拦沙坎也为斜坡式,上端高程613m,55第22卷第2期2003年6月四 川 水 力 发 电Sichuan W ater Pow erV o l.22,N o.2Jun.,2003图1 槽渔滩电站进水口布置示意图下端高程610m ,两道坎之间的截沙槽底坡为1∶7.36。
如此组合形成了较强的拉沙螺旋流,较好地解决了厂房“门前清”问题,其布置见图2。
1.3 冲沙闸拉沙效果图2 飞仙关水电站首部枢纽布置示意图冲沙闸的排沙能力取决于流速。
为了增强冲沙闸的冲沙效果,可在冲沙闸前设置束水墙,形成束水攻沙。
束水墙的长度要适中,太长会减少取水口袋形区的进流面,使流速加大,有可能增加进入取水口的含沙量;太短,则束水攻沙的作用不大。
束水墙的长度和高程一般也需通过模型试验进行论证和优化。
在雅安飞仙关电站模型试验中,经多次优化修改,将冲沙闸上游束水墙长度由35m 增至50m ,高程由610m 增至612m ,并结合消除冲沙闸前的立轴旋涡,在冲沙闸上游束水墙顶部据坝轴线30m 处增设圆弧型束水墙,其顶部高程为625m ,在1号、2号冲沙孔闸墩上游增设长30m 的束水墙,顶部高程也为625m ,见图2。
实施上述布置后,取得了较好的束水攻沙效果。
为了更好地解决电站取水口“门前清”,如有必要,还可在拦沙坎上游适当位置设置一至两道潜没挑流丁坝,将取水口一侧的泥沙挑向河心,减少取水口前来沙量;或将拦沙坎上、下段布置成一定交角,上段形成挑沙底坎,更有利于减少坎前泥沙淤积量。
挑流丁坝和挑沙底坎的挑沙效果在模型试验中能较直观地得到体现。
具体结构尺寸和高程可通过模型试验加以优化和确定,一般布置形式见图3。
图3 挑流丁坝和挑沙底坎布置示意图652 库区降水拉沙低水头闸坝式枢纽工程水库库容较小,库区泥沙淤积将会导致调节能力减弱,影响到发电和泄洪,以至整个枢纽的安全。
因此,适时拉走库区泥沙,对于枢纽的正常运行是非常必要的。
2.1 控制库水位的拉沙由于发电和供水的需要,控制库水位的运行方式是很常见的。
一般采取的运行方式是首先局部开启或全开冲沙闸,再从靠近冲沙闸的泄洪闸顺序依次开启;或者各孔泄洪闸均匀局部开启。
当泄洪闸按顺序依次开启时,由于枢纽过流集中于一边,对库区的影响仅限于局部区域,加之库区水深较大,对库区的拉沙效果并不理想,且由于泄流过于集中,对闸下游的消能防冲也是一个考验。
当各孔泄洪闸均匀局部开启时,泄洪闸前流速较低,泄洪闸基本就不过泥沙,对库区的拉沙效果影响也不大。
从大兴、城东、飞仙关和高凤山电站等几个模型试验成果看,当控制库水位降水位拉沙时,泄洪闸前50m库区流速已低于2m s,再往上流速则更低,库区泥沙仅冲沙闸前局部区域向冲沙闸推移,其余大面积泥沙基本未见起动,泥沙出库量也较少。
另外,当冲沙闸和泄洪闸间设有束水墙时,为避免束水墙两侧水流侧收缩影响束水墙基础稳定,束水墙两侧的冲沙闸和泄洪闸应尽量做到同时全开或同时全关,一边局部开启而另一边关闭也可,控制束水墙两侧水位差小于3m为宜。
总的来说,当控制库水位在发电运行水位时,库区的拉沙效果并不理想,对于解决库区的泥沙淤积问题帮助不大。
2.2 冲沙闸、泄洪闸敞泄拉沙当主汛期到来分级流量降低水位运行时,电站应关机,将冲沙闸、泄洪闸全开敞渲泄洪水。
此时库区水流流速明显加大且分布均匀,库区泥沙全面起动,并快速向闸前推移,过闸、出库一气呵成,库区部分淤沙被拉走,泥沙淤积量减少,为来年蓄水蓄沙提供必要的调节库容,冲沙效果明显优于控制库水位的运行方式。
因此,这种方式是低水头闸坝式枢纽工程有效降低库区泥沙淤积的最主要的手段。
3 冲沙闸、泄洪闸下游的冲淤问题3.1 闸下游的消能防冲由于冲沙闸和泄洪闸过闸流速较大,经过闸后护坦或消力池消能后有时流速仍高达6.0m s以上,一般的河床覆盖层均不能抵御如此高流速的冲刷,一些工程汛期运行后海漫被冲坏,或者护坦、消力池的尾部基础被严重淘刷,甚至整个护垣、消力池都遭到破坏,造成了较大的损失,因此,必须认真解决好闸下游的消能防冲问题。
冲沙闸和泄洪闸消能防冲设置一般以设计控制工况闸后水跃的跃长小于护坦长度,消力池内能形成稳定的淹没水跃为控制标准,对护坦、消力池的尾部基础应采取相应的保护措施。
另外为保持闸下护坦或消力池内流速分布均匀,不致产生折冲水流,在枢纽的运行管理中应尽量采用各闸孔开度均匀或对称全开、局开的运行方式。
3.2 闸下游的泥沙淤积一些宽浅式河道的过闸水流向两岸扩散,消力池内底流速降低,水深又较大,消力池内底流速达不到推移质泥沙起动流速,造成过闸泥沙有部分淤积在消力池内,并直接影响枢纽的泄洪和排沙。
雅安大兴电站枢纽泥沙模型,河床质中值粒径d50=72mm,最大粒径d m ax=410mm。
根据武汉水利电力大学河流动力学教研室推导的推移质泥沙起动流速公式,计算推移质泥沙起动流速值见表1。
V0=1.34(hd)0.14r s-rrg d式中 V0为起动流速(m s);h为测点水深(m);d 为推移质泥沙粒径(m);r s为泥沙容重,天然沙则取25987.6N m3;r为清水容重,取9806.7N m3;g 为重力加速度,取9.80m s2。
表1 大兴电站消力池实测流速及泥沙起动流速表项 目数 据下泄流量 m3・s2145005930(50%)9580(10%)12800(设计)17100(校核)测点水深 m12.412.914.114.416.4测点流速 m・s212.22.73.86.89.3d50起动流速 m・s212.972.983.023.043.09d m ax起动流速 m・s215.565.595.665.685.78 由表1可以看出,在设计洪水以下,进入消力池的泥沙不能全部出池,均有所淤积。
为了解决这一问题,在汛期过后对泄洪闸各孔轮流开启,利用下游河床水位较低的冲沙有利条件,拉走消力池内的淤沙。
由此看来,对于解决闸下游的消能防冲或者泥沙淤积问题,选择合理的运行调度方式都是十分必要的。
4 结 语文中提到的是低水头闸坝式枢纽工程普遍存在的一些泥沙问题,为了较好地解决这些问题,应着重做好以下几方面的工作:(1)首先在考虑枢纽总体布置方案时,除遵循泄洪建筑物布置在河道主流,电站取水口尽量靠近冲(下转第68页)75层物质取样试验结果表明:天然干密度2.27g c m3、含水量3.1%;级配:>200mm、200～100mm、100～5mm、5～2mm、<2mm、<0.005mm分别占4.0%、10.3%、55.7%、4.8%、25.2%、4.0%;不均匀系数492.7,曲率系数12.8。
