合理確定泄洪排沙洞的進(jìn)口高程

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

2、2新橋水庫(kù)概況新橋水庫(kù)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(kù)正常運(yùn)用和無(wú)定河兩岸 的安全生產(chǎn)，同時(shí)新橋大壩還是307國(guó)道的咽喉工程。新橋水庫(kù)控制區(qū)間流域面積為8 6 1km2,多年平均入庫(kù)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(kù)容為2. 0億m3。經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，截止20 0 1年底，水庫(kù)已淤積1 .915億m3,水庫(kù)防洪能力嚴(yán)重不足，現(xiàn)有庫(kù)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(kù)一旦失事，必將造成下游金雞沙、巴圖灣等水庫(kù)連 續(xù)垮壩等災(zāi)難性后果。因此，依據(jù)陜西省紅柳河庫(kù)壩群治理工程項(xiàng)目建議書及其審查意 見，對(duì)新橋水庫(kù)實(shí)施除險(xiǎn)加固改造，本次除險(xiǎn)加固的主要任務(wù)是增建泄洪排沙洞。3幾個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題討論 在新橋水庫(kù)泄洪排沙洞規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，造床流量、平衡比降、泄流曲線確定是關(guān)鍵問(wèn)題， 直接影響泄洪排沙洞的設(shè)計(jì)合理性，下面對(duì)這幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論。3.1造床流量造床流量1, 2 在泥沙設(shè)計(jì)中是一個(gè)非常重要的參數(shù)，理論上現(xiàn)在還沒有一個(gè)成熟的計(jì) 算方法，目前大多是據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(jìn)行 估算，然后比較采用兩個(gè)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(shuō)明。（1）木村認(rèn)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(jí)流量（m3燉s），Qsi為該級(jí)流量相應(yīng)的輸沙率（kg燉s），n為 分級(jí)總數(shù)。若假定分級(jí)流量與Qi與該級(jí)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(jì)確定造床流量。漢德森（F.M.Hende rson ）認(rèn)為

5、：滿槽流量為造床流量，根據(jù)美國(guó)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(guó)，一般都把滿槽流量作為造床流量，由于水流滿槽前，對(duì)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(jī)會(huì)卻較少。黃委會(huì)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(shí)測(cè)資料后，采 用如下造床流量計(jì)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(zhǎng)江科學(xué)研究院提出可按流量級(jí)累計(jì)的沖刷量達(dá)到5 0%時(shí)的對(duì)應(yīng)流量為確定水庫(kù)橫 向形態(tài)的造床流量。

6、上述經(jīng)驗(yàn)方法中，其中(1)、(4)、(5)均是在對(duì)較大型的水庫(kù)進(jìn)行研究總結(jié)出來(lái)的， 適用于較大型水庫(kù)。(2)、(3)可適用于大型水庫(kù)也可適用于中小型水庫(kù)的情況，新橋 水庫(kù)屬于大II型水庫(kù)，用上述幾種方法分別計(jì)算后，相差在1 0%2 0%；根據(jù)新橋水庫(kù) 的特點(diǎn)，最后采用造床流量保證率法，求得造床流量為12 3m3燉s，計(jì)算結(jié)果表明是符 合實(shí)際的。3.2平衡比降河槽的平衡比降1，2)也是泥沙設(shè)計(jì)的一個(gè)非常重要的參數(shù)，它的取值對(duì)計(jì)算結(jié)果影響 較大，和造床流量一樣，理論上也沒有一個(gè)成熟的計(jì)算方法，實(shí)際當(dāng)中也用經(jīng)驗(yàn)公式推求。 新橋水庫(kù)采用以下3種經(jīng)驗(yàn)方法估算庫(kù)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(yàn)關(guān)系文獻(xiàn)2)中，根據(jù)不同水庫(kù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，點(diǎn)繪出了/J0HJ0.20之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系 曲線。J為庫(kù)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(duì)于新橋水庫(kù)，J 0 = 2%。，依據(jù)此法得出的庫(kù)區(qū)河槽平衡比降為1.52%。（2）陜西省水科所經(jīng)驗(yàn)公式法2） 根據(jù)陜西省水科所的分析，計(jì)算河槽沖刷平衡比降的經(jīng)驗(yàn)公式為由式（4）可得，庫(kù)區(qū)河槽比衡比降為J = 1.47%。（3）清華大學(xué)水利系經(jīng)驗(yàn)公式法2） 清華大學(xué)水利系提出的計(jì)算公式為式中，k,m分別為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)和指數(shù)；其它符號(hào)同前。對(duì)于新橋水庫(kù)的情況，k=l. 2,m=0. 24。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入

8、計(jì)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(jì)算結(jié)果表明新橋水庫(kù)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(kù)泄洪排沙洞的設(shè)計(jì)形式（見圖1）,應(yīng)用水流連續(xù)方程和能量方程對(duì)新橋水庫(kù)的泄流排沙洞的泄流曲線計(jì)算公式進(jìn)行了推導(dǎo)，得出在閘門全開情況下的泄流計(jì)算公式。云 1/1001圖1新橋水庫(kù)泄洪排沙洞縱剖面示意圖新橋水庫(kù)泄流曲線求法如下:（1）有壓流時(shí)的泄流曲線3，4 當(dāng)水庫(kù)壩前水位較高時(shí)，泄洪排沙洞內(nèi)水流為有壓流（滿庫(kù)）此時(shí)，泄洪排沙洞泄流量計(jì)算公式如下式中，Q壓是有壓流時(shí)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(kù)水位與泄洪排沙洞進(jìn)口高程之差；p是流量系數(shù)，計(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)口至閘門出口的長(zhǎng) 度。一般情況下A/AO很小，可以忽略不計(jì)。利用式（6）.（7）可計(jì)算出不同庫(kù)水位時(shí)，泄流排沙洞的滿流泄流量。（2）明渠流時(shí)的泄流曲線3，4 當(dāng)庫(kù)水位較低時(shí)，泄洪排沙洞內(nèi)的水流為明渠流（非滿流），此時(shí)，泄洪排沙洞泄流量計(jì)算公

10、式如下式中，Q明為一定庫(kù)水位時(shí)的排沙洞泄流量；m是無(wú)坎寬頂堰流的流量系數(shù)，據(jù)工程實(shí)際取 值；b相當(dāng)于堰頂寬度，對(duì)圓形排沙洞近似取等效寬度bf （1/2） fltd其它符號(hào)同前。利用式（8）,對(duì)于某一庫(kù)水位可通過(guò)試算求出相應(yīng)泄流量。（3）明滿流轉(zhuǎn)換時(shí)的臨界水位庫(kù)水位下降或上升過(guò)程中，泄洪排沙洞中水流的液態(tài)會(huì)產(chǎn)生明滿流轉(zhuǎn)換的情況，存在一個(gè)明 滿流轉(zhuǎn)換的臨界水位。實(shí)際計(jì)算中，當(dāng)庫(kù)水位大于臨界水位時(shí)，泄流量應(yīng)采用式（6）計(jì)算； 當(dāng)庫(kù)水位小于臨界水位時(shí)，采用式（8）計(jì)算。臨界水位的確定方法：先利用式（6）和（8）分別計(jì)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的水位即為臨界水位。通過(guò)臨界水位將計(jì)算出的有壓流和明流時(shí)的泄流曲線結(jié)合起來(lái)成為一個(gè)完整的泄流曲線，則 據(jù)此泄流曲線及其它條件可進(jìn)行泄洪排沙