多沙河流水库支流拦门沙长效防治方法研究.pdf

第 42 卷第 8 期 水 力 发 电 学 报 Vol.42,No.8 2023 年 8 月 Journal of Hydroelectric Engineering Aug.2023 收稿日期：收稿日期：2023-03-01 接受日期：接受日期：2023-04-21 基金项目：基金项目：国家重点研发项目(2021YFC3200402);河南省科技攻关项目(232102321107);水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室开放基金(2022-SYSJJ-09)作者简介：作者简介：杨晨(1981),男,教授.E-mail: 通信作者：通信作者：刘颖(1986),女,讲师.E-mail: 多沙河流水库支流拦门沙长效防治方法研究 杨 晨1，刘福平1，李超群2，耿明全3，刘 颖1，刘松霖1（1.华北水利水电大学 黄河流域水资源高效利用省部共建协同创新中心，郑州 450046；2.黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州 450003；3.黄河水利委员会河南黄河河务局，郑州 450003）摘摘 要：要：多沙河流水库内的支流口门处常形成拦门沙，影响水库功能的正常发挥，至今尚无有效的治理方法。为此，本文提出了基于移动导流桩柱的水库支流拦门沙长效预防和整治方法，并通过水槽模型试验验证了其应用效果。试验结果表明：当无防治措施时，多沙河流水库会在支流口门处形成不同程度的拦门沙，其发育速度与干流水沙流量正相关，拦门沙横断面表现为平行抬升，纵断面表现为“倒 V”形态，拦门沙顶点形成于交汇区最大浑浊带区域，且随着干流水沙流量的增加向支流内部推进；当添加了防治措施后，在干流高水位时关闭豁口使得大部分泥沙在阻水墙外侧落淤，阻水墙内侧相对于外侧淤积高度降低了 49%；在干流低水位时开启豁口使支流蓄的水通过导流墙“束水”冲刷拦门沙，使其上部形成稳定的冲沟，冲沟底部最大淤积高度仅为 0.1 cm，实现了水库干流与支流的连通，达到水库拦门沙长效防治的效果。本方法机理明晰、成本低廉、操作灵活、效果持久，有望成为多沙河流水库支流拦门沙长效防治的新型技术手段。关键词：关键词：多沙河流水库；支流；拦门沙；长效防治；移动导流桩柱；水沙调控；河流动力学 中图分类号：中图分类号：TV145.1 文献标志码：文献标志码：A DOI:10.11660/slfdxb.20230806 论文引用格式：论文引用格式：杨晨,刘福平,李超群,等.多沙河流水库支流拦门沙长效防治方法研究J.水力发电学报,2023,42(8):51-60.YANG Chen,LIU Fuping,LI Chaoqun,et al.Long-term prevention and control method of tributary sand bars in sandy river reservoirs J.Journal of Hydroelectric Engineering,2023,42(8):51-60.(in Chinese)Long-term prevention and control method of tributary sand bars in sandy river reservoirs YANG Chen1,LIU Fuping1,LI Chaoqun2,GENG Mingquan3,LIU Ying1,LIU Songlin1(1.Collaborative Innovation Center for Efficient Utilization of Water Resources,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450046,China;2.Yellow River Engineering Consulting Co.,Ltd,Zhengzhou 450003,China;3.Yellow River Henan Bureau,YRCC,Zhengzhou 450003,China)Abstract:Sand bars often form at the mouth of the tributaries into a sandy river reservoir.They affect the normal functions of the reservoir,but no effective treatment method is available so far.This paper presents a long-term prevention and control method of these sand bars that is based on mobile diversion piles and verified by flume model experiments.The results show that in the case of no control measure,a sand bar forms in the tributary mouth,and develops at a speed proportional to the flow and sediment discharge in 52 水力发电学报 the mainstream.Its cross section shows a parallel uplift,its vertical profile takes an inverted V shape,and its highest elevation is formed in the highest turbidity zone of the intersection area.After the control piles are installed,the opening of a water barrier is closed during the high mainstream water level,so as to make most of the sediment settle down and deposit outside the barrier.In the low water level period,the opening is activated to make the water body already stored in the tributary flow through a narrow passage between two diverting walls,and to allow this flow to scour the sand bar so as to form a stable gully at its upper surface and supply as a connection of the main stream to the tributary.Our model experiments show this method can achieve the effect of long-term prevention and control of the sand bar.The method features a clear mechanism,low cost,flexible operation,and lasting effect,so its further improvement could lead to a new practical technology for long-term prevention and control of sand bars.Keywords:sandy river reservoir;tributary;sand bar;long-term prevention and control;mobile diversion piles;water-sediment regulation;river dynamics 0 引言引言 多沙河流水库内支流口门处容易形成泥沙的堆积体，通常称之为支流拦门沙1。以黄河小浪底水库为例（见图 1），其内部的 12 条主要支流中除了大峪河外均有不同程度的支流拦门沙问题2，支流最大拦门沙坎与其河床的高差已超过 10 m3。支流拦门沙的存在会阻碍支流与干流连通，加剧泥沙落淤，壅高水位，增加支流洪水的风险，同时还会抬高侵蚀基点，严重减小水库有效库容，削弱水库调节能力4，因此亟需对多沙河流水库的支流拦门沙进行预防和整治（防治）。图图 1 小浪底水库内支流拦门沙实景小浪底水库内支流拦门沙实景 Fig.1 Photograph of the tributary sand bar in the Xiaolangdi Reservoir 多沙河流水库内支流拦门沙形成的原因普遍认为有以下两种：一种是洪水季支流携带的泥沙在干流的顶托作用下于支流口门处形成淤积，多见于中小型水库5；另一种是库区主河道的汛期来流以明流或者异重流的形式倒灌入支流，从而形成支流口门的拦门沙，此种情况多见于主河道来水来沙量大的大型水库中6。水库的运用方式7-8、支流口门的位置9-10、干支流的水沙条件11-12、交汇角13-14、宽深比15-16、对称性17-18、泥沙性质19-20等均会对水库支流拦门沙的形成规律产生较大影响。拦门沙的治理方法可分为人工疏浚和利用水流自然力量两大类。王延贵和胡春宏21针对官厅水库内的淤积特点，分别采取疏浚、防淤堤、导沙入妫和岸边挖泥槽 4 种措施对妫水河口拦门沙进行了整治，为多沙河流水库拦门沙的防治提供了参考和借鉴。从中可以看出，人工疏浚原理简单、见效快，但是花费巨大，且效果持续时间短，如不改变水沙动力条件，疏浚后的支流河口仍然会持续形成拦门沙，难以形成长效机制。因此，利用水库调度产生的水流自然力量是对水库支流拦门沙进行长效防治的最佳选择。李涛等22通过模型试验发现坝前水位突降引起的溯源冲刷可以适当降低支流拦门沙的高程。张金良等23-24创立了库区滩槽同步塑造技术，通过“蓄清调浑”的水库调度方式使小浪底等黄河中游水库支流拦门沙的发育速度大幅度减缓，但是干流的水动力过程对支流的影响终究有限，尽管可以抑制支流拦门沙的发育，但仍然无法从根本上将其破除，还需要人工措施的进一步干预。王远见等9提出了增加汛期入库含沙量、减小来沙粒径、增大口门处纵比降、增大口门相对宽度等方法来抑制水库支流拦门沙发育，这些措施尽管从机理上正确，但是从工程角度却难以实现。陈书奎等25、蒋思琦等26提出在干支流交汇区修建高度可调的挡水坝，在非汛期高水位时对支流水库进行蓄水，在主汛期低水位时利用支流洪水冲刷拦门沙，此种方法提高了拦门沙冲刷时的水头，通过室内模型试验证实具有一定效果，但是拦门沙表面杨 晨，等：多沙河流水库支流拦门沙长效防治方法研究 53 的过流面积仍然较大，水流能量较为分散，对拦门沙的冲刷力度不足，而且由于地质条件和经济成本的限制，在多沙河流水库内的支流河口处建永久性水坝并不容易。截至目前，黄河等多沙河流水库支流拦门沙问题仍然没有解决，严重影响着水库功能的正常发挥。鉴于此，本文在总结前人研究成果的基础上，针对多沙水库的特点，提出了一种基于水动力过程和移动导流桩柱的水库支流拦门沙长效防治方法，并通过水槽模型试验对其应用效果进行了验证。1 防治方法防治方法 如前所述，利用水库调度产生的水流力量是多沙河流水库支流拦门沙长效防治的最佳选择，但是水库干支流交汇区过流面积大，水流能量发散，仅仅依靠天然的水流力量无法对拦门沙进行有效干预，需要合适的人工措施予以配合，但是从经济和工程方面考虑，在水库内建设永久性水工建筑物并不现实，因此本文提出了基于移动导流桩柱的多沙河流水库支流拦门沙长效防治方法。移动导流桩柱是一种用于河道整治工程的可拆卸柱状工具27-28，其特点是空心轻便、造价低，可以通过高压水流射孔器、吊车等工具在泥沙冲积地层上进行快速安装和拔除29（见图 2），与传统的桩坝相比，移动导流桩柱对地质条件要求低，插拔简单快速，拆卸下来的桩柱可以重复利用，在多沙水库拦门沙防治方面有着得天独厚的优势。基于移动导流桩柱，本文提出如下的拦门沙防治方法：在水库支流口门内并排插入移动导流桩柱构成阻水墙，与阻水墙垂直的方向设置两排导流墙，导流墙之间的距离两端大中间小，以实现对水流的引导和约束。当水库处于兴利运用阶段时，干流处于高水位，干流的水可从阻水墙顶部溢流，对支流水库进行蓄水，如图 3（a）所示。由于阻水墙的阻挡，泥沙会在阻水墙外侧形成落淤。在每年汛前，水库干流水位会降至汛限水位以下，利用这个时机拔出两排导流墙之间的桩柱，让支流蓄的水从导流墙之间流出，如图 3（b）所示。由于导流墙的间距在拦门沙的表面上形成冲沟，实现干流与支流的连通。在经历若干次的蓄放循环之后，拦门沙体上会 （a）插拔桩作业 （b）已布设的移动导流桩柱 图图 2 移动导流桩柱实物图片移动导流桩柱实物图片 Fig.2 Photographs of mobile diversion piles （a）干流高水位，阻水拦沙 （b）干流低水位，束水冲沙 图图 3 支流拦门沙防治原理示意图支流拦门沙防治原理示意图 Fig.3 Sketches of prevention and control principle of tributary sand bars 54 水力发电学报 两端宽中间窄，所以水流能量会在导流墙之间不断集中，流速也不断增大，形成“束水冲沙”效应，塑造出稳定的冲沟形态，此时即可拆除整个导流工程，冲沟内由于高流速也不会再次回淤，拆除下来的移动导流工程可以用于下一个支流拦门沙的防治。此种方法可以在水库运用初期或者疏浚结束后预防拦门沙的形成，也可以在已经形成的拦门沙上面使用，实现拦门沙的长效防治。2 模型试验模型试验 为了验证本文提出的支流拦门沙防治方法的效果，在华北水利水电大学的水利水运实验大厅开展了针对性的水槽模型试验，对比了有无防治措施工况下支流拦门沙的发育情况。2.1 试验装置及材料试验装置及材料 试验采用带有支流的矩形水槽来模拟水库内的干流和支流，其交汇处为支流拦门沙发育的主要区域。试验整体布置如图 4 和图 5 所示，水与沙按照设定的比例在搅拌池内持续混拌，混合液通过变频离心泵抽入到干流水槽中，之后再流经薄壁堰、稳水栅、尾门，最后回到搅拌池以形成循环。在干流水槽中段引出一个分支水槽以模拟水库中的支流，支流尾部预留一个直径为 3 cm 的圆形出水口，其开度可由阀门进行控制，支流尾部的出流同样可以回到水沙搅拌池。干、支流的流量可分别由电磁流量计进行记录，河床形态可由 3D 激光扫描仪进行测量。试验采用多沙河流水库动床模型相似理论进行设计30-31，各相似条件如下：水流重力相似条件：1 2HV （1）水流阻力相似条件：2 31 22 31 2HJHL1nV （2）水流挟沙相似条件：ss*（3）泥沙悬移质相似条件：HLmV （4）泥沙起动相似条件：cVV （5）河床冲淤变形相似条件：0LstV （6）兼顾沉降与起动相似得泥沙粒径比尺需满足关系：1 41 2HV1 21 2L()Hsd （7）图图 4 水槽模型试验示意图水槽模型试验示意图 Fig.4 Schematic of the flume model experiment 杨 晨，等：多沙河流水库支流拦门沙长效防治方法研究 55 图图 5 水槽模型试验实物水槽模型试验实物 Fig.5 Photographs of the flume model experiment 式（1）（7）中：L、H分别为水平和垂直比尺；V为流速比尺；n为糙率比尺；J为比降比尺；s和s*为含沙量比尺和水流挟沙力比尺；为泥沙沉速比尺；cV为泥沙起动流速比尺；t为河床变形时间比尺；0为悬移质干容重比尺；d为粒径比尺；()s为泥沙在水下的有效容重与水的 容重的比值比尺。试验针对的原型参考黄河小浪底库区的畛水河口的实际工况32：干流长 4000 m，宽 1000 m，支流长 800 m，宽 200 m，泥沙中值粒径 d50为0.018mm，河床糙率n为0.050，干流比降为0.74，支流为平坡。模型试验采用的各比尺如表 1 所示，通过比尺换算，最终确定水槽模型的尺寸为：干流水槽长 10 m，宽 0.5 m，支流水槽长 2 m，宽 0.5 m，其中干流的宽度按照水平比尺计算应为 2.5 m，受限于试验条件仅取贴近支流一侧的 0.5 m，由于支流拦门沙仅形成于干支流交汇区，所以这样的处理不会引起太大误差。表表 1 水槽模型试验比尺水槽模型试验比尺 Table 1 Scales of the flume model experiment 比尺名称 比尺符号 比尺数值 水平比尺 L 400 垂直比尺 H 100 糙率比尺 n 1.08 流量比尺 Q 40 万 粒径比尺 d 0.75 含沙量比尺 s 2 时间比尺 t 40 试验采用的模型沙级配曲线如图 6 所示，其中值粒径 d50为 0.025 mm，d10为 0.018 mm，d60为0.031 mm，比重为 1.7。考虑到糙率比尺近似为 1，所以使用环氧树脂漆将试验用沙粘在水槽底部，以模拟真实河床的糙率。图图 6 模型沙级配曲线模型沙级配曲线 Fig.6 Grading curve of the sediment 2.2 试验步骤试验步骤 为了检验提出的拦门沙防治方法的效果，试验共设置了两种工况，每种工况包含 3 个组次，具体试验工况参数如表 2 所示。在工况一中，支流口门处未设置任何拦门沙防治措施，干流以预设的流量 Q 和泥沙浓度 C 进行放水，支流末端的出水口打开，经过时间 T1后停止放水，观测支流拦门沙的发育情况。其中，流量Q 设置了高、中、低 3 个水平，由于大流量一般伴随着高含沙和高水位，所以泥沙浓度 C 和水位 H 也随之设置了高、中、低 3 种水平。原型工况的冲 56 水力发电学报 表表 2 试验工况设计试验工况设计 Table 2 Design of the experimental conditions 试验工况 试验条件 实验组次 干流放水时间/天 支流是否放水 干流流量/(L/s)干流水深/cm 泥沙浓度/(kgm-3)工况一 未加防治措施1 9.1 否 7.5 21.4 30 2 9.1 否 5 16.1 20 3 9.1 否 2.5 10.8 10 工况二 增加防治措施4 6.8 是 7.5 21.4 30 5 6.8 是 5 16.1 20 6 6.8 是 2.5 10.8 10 刷时间设置为一整年（365 天），按照时间比尺t 进行折算后，模型试验放水时间 T1为 9.1 天。为了便于表征支流拦门沙的发育情况，在支流水槽内布设了 4 个监测断面和 12 个监测点，其具体位置如图 7 所示，各个断面和测点的高程可用激光扫描仪进行测量。图图 7 支流监测位置布置支流监测位置布置 Fig.7 Monitoring locations in the tributary 工况二中，在支流口门处设置了阻水墙和导流墙，如图 8 所示，导流墙之间的夹角为 30，豁口的宽度 d 为 3 cm。首先干流以预设的流量 Q 和泥沙浓度 C 放水，此时干流处于高水位，豁口用移动导流桩柱挡住，干流高于阻水墙的部分可以从顶部溢流，支流尾部的出水口打开，在历时 T2之后关闭干流的进水泵和支流尾部的出水口，使干流落至低水位（2 cm），然后拔出豁口处的移动导流桩柱，使支流蓄水从导流墙之间流出并冲刷拦门沙，冲刷结束后观测拦门沙的冲淤情况。原型工况的放水时间选取为水库的兴利运用阶段（9 个月），利用时间比尺折算后的模式试验放水时间为 T2=6.8天。实验中为了操作方便，用两块亚克力板代替了移动导流桩柱制作了阻水墙，其高度为 10 cm。口门附近划分了 A F 共 6 个区域，其中 A、B、C区域在阻水墙外侧（靠近干流），D、E、F 区域在阻水墙内侧（靠近支流）。（a）示意图 （b）实物图 图图 8 拦门沙防治工程布置拦门沙防治工程布置 Fig.8 Prevention and control project of sand bars 3 结果与讨论结果与讨论 3.1 工况一（未加防治措施）工况一（未加防治措施）图 9 展示了第 1 3 组试验后各断面上的淤积高度，图 10 展示了各组试验后支流水槽的深泓线高程。由图 9 可知，第 1、2、3 组试验结束后整个区域最大泥沙淤积高度分别为 3.18 cm、2.87 cm 和2.58 cm，对应原型工况在 1 年内的淤积高度分别杨 晨，等：多沙河流水库支流拦门沙长效防治方法研究 57 为 3.18 m、2.87 m 和 2.58 m，与小浪底水库内的 实测数据相当。试验还表明，泥沙淤积高度SH与 流量 Q 和含沙量 S 正相关，每扩大一级流量和泥沙浓度，最大淤积高度增加约 10%。Y 方向淤积表现为平行抬升，X 方向淤积表现出“倒 V”形态，在支流口门内的最大浑浊带地区形成淤积三角洲顶点（见图 11），之后淤积高度沿程逐渐降低。整个试验过程中支流左岸拦门沙发育速度快于右岸，这是由干流的流动方向决定的。从总体来看，在多沙河流水库的支流口门内会形成支流拦门沙，随着干流的来水来沙量的增大，拦门沙的发育程度会加剧，其顶点位置会向支流内部推进。（a）第 1 组试验 （b）第 2 组试验 （c）第 3 组试验 图图 9 工况一各组试验结束后断面淤积高度工况一各组试验结束后断面淤积高度 Fig.9 Siltation heights at different sections after the experiment completed under Condition 1 图图 10 工况一各组试验结束后支流深泓线高程工况一各组试验结束后支流深泓线高程 Fig.10 Thalweg elevation of tributary after the experiment completed under Condition 1 图图 11 干支流交汇区的最大浑浊带干支流交汇区的最大浑浊带 Fig.11 Zone of highest turbidity zone in the confluence area of main stream and tributary 3.2 工况二（添加防治措施）工况二（添加防治措施）工况二中添加了拦门沙防治措施，在前 6.8 天以预设的流量Q和泥沙浓度C在干流水槽内放水，此时阻水墙的豁口关闭。之后关闭离心泵和支流尾部出水口，使干流水位降至 2 cm，然后开启豁口使支流蓄的水通过导流墙流入干流并冲刷已经形成的支流拦门沙。图 12 展示了支流冲刷前后 A F 各区的最大泥沙淤积高度。如图所示，在第 4 6 组试验中，阻水墙外侧的 A 区泥沙最大淤积高度分别为 3.04 cm、2.73 cm 和 2.52 cm，对应的阻水墙内测的 D区泥沙最大淤积高度仅分别为 1.59 cm、1.31 cm 和1.02 cm，同比降低 47.7%、52.0%和 59.5%；阻水墙外侧的 B 区泥沙最大淤积高度分别为 2.94 cm、2.68 cm 和 2.46 cm，对应的阻水墙内测的 E 区泥沙最大淤积高度仅分别为 1.95 cm、1.45 cm 和 1.18 cm，同比降低 33.7%、45.9%和 52.0%；C 区泥沙58 水力发电学报 最大淤积高度分别为3.18 cm、2.86 cm和2.56 cm，F 区泥沙最大淤积高度分别为 1.76 cm、1.44 cm 和1.12 cm，同比降低 44.7%、49.7%和 56.3%，总体泥沙淤积高度同比平均降低 49.0%。（a）第 4 组试验 （b）第 5 组试验 （c）第 6 组试验 图图 12 工况二各组试验中各区域最大淤积高度工况二各组试验中各区域最大淤积高度 Fig.12 Maximum siltation heights in different areas under Condition 2 这说明在干流放水过程中，泥沙主要在阻水墙外侧的 A、B、C 区发生淤积，这是由于阻水墙对水流的遮挡所造成的，下层高含沙水在阻水墙前减速并发生淤积，上层低含沙水从阻水墙顶端溢流并在阻水墙内侧的 D、E、F 区域发生相对轻微的淤积。B 区相对于 A 和 C 区的最大淤积高度略低，这是由于豁口处的移动导流桩柱密封不严导致的，同理这也导致了 E 区的最大淤积高度略高于 D 区和 F 区。在支流所蓄的水放空后，可以看到 A、C、D、F 区域的最大淤积高程变化并不大，但是导流墙之间的 B、E 两个区域内的最大淤积高程却都降至了 0.1 cm 附近，整个“B豁口E”区域已完全打通（见图 13），之前形成的拦门沙实际上已经被破除，达到了预期的试验效果。（a）主视图 （b）俯视图 图图 13 工况二试验结束后各区域淤积形态工况二试验结束后各区域淤积形态 Fig.13 Siltation patterns in different areas after the experiment completed under Condition 2 通过以上试验可以看出，如果不加干预措施，多沙河流水库内支流口门处会形成不同程度的拦门沙，基于移动导流桩柱设置了导流墙、阻水墙、豁口并制定了相应的工作制度之后，年内形成的支流拦门沙可以在干流低水位时通过支流蓄水冲刷进行破除，达到内外连通的效果。本方法机理明晰、成本低廉、操作灵活、效果持久，有望成为多沙河流水库支流拦门沙长效防治的新型技术手段，但是导流墙的形态、阻水墙的高度、豁口的宽度、支流水库蓄放时机等参数还需通过模型和现场试验进一步优化。杨 晨，等：多沙河流水库支流拦门沙长效防治方法研究 59 4 结论结论 本文初步探索了多沙河流水库支流拦门沙的长效防治方法，并通过水槽模型试验验证了其应用效果，得到如下结论：（1）在没有防治措施时，多沙河流水库会在支流口门处形成不同程度的拦门沙，拦门沙的形成速度与干流的水沙流量正相关，拦门沙的横断面表现为平行抬升，纵断面表现为“倒 V”形态，其顶点位置出现在最大浑浊度带区域，且随着来水来沙量的增加向支流内部推进。（2）基于移动导流桩柱在水库支流口门处构建拦门沙防治工程，可以在干流高水位时拦截大部分泥沙进入支流，限制拦门沙的发育范围，阻水墙内侧相对于外侧总体泥沙淤积高度平均降低49.0%；在干流低水位时“束水”冲刷拦门沙，在其上部形成稳定的冲沟，冲沟底部的最大淤积高度仅为 0.1 cm 左右，实现了干流和支流的长效连通。（3）通过水槽模型试验验证了本拦门沙长效防治方法的可行性，考虑到本方法机理明晰、成本低廉、操作灵活，效果持久，因此有望成为多沙河流水库支流拦门沙长效防治的新型技术手段。参考文献（参考文献（References）1 漆富冬.柘溪水库拦门沙淤积及治理对策探讨J.水力发电学报,1997,16(1):72-79.QI Fudong.A discussion on the bar sedimentation in Zhexi Reservoir and its controlling measures J.Journal of Hydroelectric Engineering,1997,16(1):72-79.(in Chinese)2 韦诗涛.小浪底水库运用以来库区支流倒灌淤积分析J.中国水运,2015,15(11):228-229,231.WEI Shitao.Analysis of 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