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水利工程论文-赵口引黄灌区一号沉沙池设计方案优化试验研究.doc

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水利工程论文-赵口引黄灌区一号沉沙池设计方案优化试验研究.doc

水利工程论文赵口引黄灌区一号沉沙池设计方案优化试验研究摘要要求大型放淤工程的沉沙池具有沉粗排细特殊功能,以延长沉沙池的使用时间,有效利用土地资源,是一个值得探索的课题。本文通过泥沙模型试验,结合具体工程实例,提出加筑纵、横向导水堤的方法,将条渠分隔成若干区域,分期分区合理地开辟新淤积区,并一步优选经济合理的工程布置方案,以达到设计要求。其基本原则可供此类沉沙池设计借鉴。关键词沉沙池沉粗排细分区淤积1引言赵口引黄灌区位于河南省黄河南岸,分布在郑州市中牟县和开封市尉氐、通许三县境内,是水电部批准兴建的大型放淤试点工程。目的是通过工程实践,探索引黄泥沙的合理处理,利用肥水灌田,改变农业低产落后状况。图1赵口引黄灌区平面布置图SketchongenerallayoutofZhaokouIrrigationDistrict灌区一号沉沙池由Ⅰ至Ⅳ号条渠组成,沿引黄总干渠左侧依次布置,进口离赵口闸1.6km,平面呈湖泊形,为自流式沉沙池,见图1。一期工程确定先使用第Ⅰ条渠,其位于池的南部,长约9.865km,宽265~785m,总面积5.2km2,沉沙池容积约6,000,000m3。为了充分发挥沉沙池的工程效益,要求条渠具有沉粗排细的功能。由于泥沙运动的复杂,需进行整体泥沙模型试验论证原设计方案,并寻求经济合理的优化布置方案和科学易行的运行方式,尽可能利用条渠的有效容积,沉粗排细,既延长其使用年限,又能使含有一定数量细沙的肥水排出沉沙池灌溉农田。2工程概况2.1工程布置黄河河水由赵口闸引入,流经1.6km的总干渠,通过节制闸的调节,进入沉沙池的进水闸,流入第Ⅰ条渠。进水闸引水角65°,共六孔,每孔孔径43m,设计引水流量110m3/s,闸底设计高程81.79m,闸前设计水位84.17m,闸后设计水位83.97m。出水闸和总干渠交角56°,设计流量及闸孔尺寸和数量同进水闸,闸底设计高程79.40m,闸前设计水位81.19m,闸后设计水位81.17m。由于第Ⅰ条渠上段地势较高,在进水闸下游3.3km范围内,地面高程大多在82m以上,高于进水闸底高程。其中散布着多处放淤形成的滩地,高程在82.5~86.9m之间,且大多横向分布,给自流引水造成了困难,拟在条渠内开挖引水渠使水流得以通行。为便于沉沙条渠两测的村民生产交通,条渠内筑三条横隔堤,并架设桥梁,由进出水闸和三条隔堤将条渠划分成四部分,从下游至上游分别称为A、B、C和D区。2.2水沙条件赵口闸位于三门峡水库下游,来水来沙受水库调度影响较大。为此,采用三门峡水库改建后1974~1986年,距赵口闸上游约25km的花园口水文站的实测水文泥沙资料,作为沉沙池的设计依据。赵口引黄灌区引水期在每年的3、4、5和12月,每月引水天数分别为20、10、30和10天,总计每年70天。模型采用3月份的多年平均悬移质粒径,泥沙颗粒级配见表1,中值粒径为0.0498mm。引水期选用3月份多年平均含沙量6.46kg/m3。表1花园口站3月份多年平均悬移质粒径级配LongperiodaveragesedimentgradinginMarchatHuayuankoustation泥沙粒径mm0.500.250.100.050.0250.010.005小于某粒径重量()10099.891.650.217.67.15.2条渠设计流量110m3/s,进口最高限制水位83.97m,如条渠进口超过该水位,将不能引足设计流量。条渠出口水位控制在81.91~82.40m。为使条渠具有沉粗排细的功能,要求出口含沙量控制在2~4kg/m3,小于0.03~0.05mm的细颗粒泥沙能排出沉沙池。3模型设计3.1几何比尺根据沉沙池的平面布置及所要研究问题的性质,确定模型平面比尺为λl150。在确定水深比尺时,考虑到模型水深不应过小,同时考虑糙率不宜过大和有足够的测量精度,模型宜做成变态。变态模型应使模型水流运动仍与原体基本相似,出现的偏差应在允许范围内,其变率的大小主要依赖于原体的宽深比。模型宽深比B/Hm可由下式1确定B/Hm≥6~101取水深比尺等于20,对条渠中宽深比最小的断面进行校核,结果满足式(1)。因此可确定模型的水深比尺λh20。3.2水流运动相似重力相似(2)阻力相似λc1或3式中λv、λc、λn分别为流速比尺、谢才系数比尺和糙率系数比尺。3.3泥沙运动相似由总干渠引入沉沙条渠的水流,含沙浓度较高,大多处于超饱和状态。由于条渠过水断面增大,流速减小,水流的挟沙能力大幅度降低,造成条渠内泥沙淤积。条渠内泥沙淤积形式主要为缓流淤积,也可能出现局部回流淤积。随着泥沙的累积性淤积,池中水深减小,水流流速和流路将发生变化,在出口水位作下降调度时,水面比降和流速也将增大。上述情况均有可能使已淤泥沙发生部分冲刷。为此,模型设计首先必须满足泥沙沉降条件相似,同时尽可能满足冲刷条件相似。由此进行模型设计。沉降相似λωλv4.474挟沙能力相似λsλsλγs/λγsγ5起动或扬动相似λvfλv6冲淤变形相似λt2λγ0λl/λvλs7式中λω、λs、λvf、λt2分别为沉速、含沙量、扬动速度和冲淤时间比尺。由于沉沙条渠中各级粒径的泥沙颗粒都存在沉降问题,因此应考虑全部粒径都满足沉降相似来计算粒径比尺。显然,λω不是常数,随原型沙粒径变化。3.4模型沙的选择原型沙特性试验表明,沙粒重度为26.8kN/m3,淤积物干重度平均值为12.1kN/m3。沉降试验表明,原型沙絮凝现象很微弱,在模型沙选择时可不计絮凝的影响。经过比较,选用粒径广泛的电木粉作为模型沙,其重度为14.1kN/m3,淤积物干重度4.41kN/m3。在沉沙条渠运行后期,随着泥沙的累积性淤积,水流流速增大,出口水位下降调度时,可导致已淤泥沙的局部冲刷,模型沙应满足泥沙起动(扬动)相似。因此,对模型沙的起动(扬动)流速相似条件进行校核计算。按窦国仁起动流速公式2,对几个典型水深条件下的原型沙和模型沙进行计算,结果表明,其起动(扬动)流速比尺略小于流速比尺,而使模型淤积物偏于难冲,在模型中形成的沉沙条渠淤积面比降将较天然情况为陡。由上述各相似条件可算出各模型比尺λsλs0.482,t2180。4方案优化试验和分析4.1原方案试验3由于条渠上段地势较高,在进水闸至池桩号3940处挖有引水渠一条,渠宽43m,纵向底坡15000。引水渠沿池中心线偏左侧布置,在池桩号2630以下与丁村沟汇合。条渠内筑三条横隔堤,每条隔堤上有两座桥,其分别位于总干渠桩号5376、6941和9498三处,沉沙水流通过桥孔流向下游。见图2。图2原方案工程布置Sketchonlayoutofpreliminarydesignscheme开始引水时,含沙水流自进水闸沿引水渠进入沉沙条渠。由于引水渠底坡比降较大,渠内流速在2m/s左右,泥沙基本不落淤。强烈的淤积首先发生在引水渠下端(池3000~4000),形成三角形淤积体,并不断向下游延伸。当淤积体高程接近水面时,形成淤沙滩地和主流沟槽。随着淤沙的不断堆积发展,沟槽变动较大,有的呈横向流动,有的可绕过右侧的原淤沙高地,使泥沙横向淤积分布趋于均匀。沟槽的发展受横隔堤和桥孔的影响较大,到条渠使用末期,沟槽大多沿左右桥孔分成两条,既有交汇,又能各自流向下游。试验表明泥沙淤积从上游逐渐向下游发展,中下段在较长时间内处于水深大、流速小的状况,水流经此段至出口,含沙量大大降低,泥沙粒径较细,大部分泥沙落淤在池内,无法满足设计的沉粗排细要求,大大缩短了沉沙条渠的使用时间。4.2修改方案试验4鉴于原设计方案中存在的问题,在修改方案中提出加筑导水堤,分期分区淤积的工程措施,以达到沉粗排细,有效利用沉沙池容积,延长使用时间的目的。应当指出,只要合理调整每个淤积区的大小,就可使出口含沙量和粒径不致过高或过低,以满足设计要求。为此,进行了两组优选方案试验。在第一组方案中,将条渠内的第一条隔堤上移至总干渠桩号4776,在第一和第三条隔堤之间的右岸设导水渠,第二和第三条隔堤之间的左岸设退水渠,设计渠底宽60m,底坡15000为了使条渠能分期分区淤积,以达到设计要求的出口粒径和含沙量的指标,在导水堤上开六个拢口,每个拢口宽75m,其分别位于沉沙池桩号3140、4520、5140、5820、6640和7140第一和第三条隔堤的右岸各设一座桥,第二条隔堤的左、右岸设两座桥,其宽度皆为60m。见图3。图3第一组修改方案工程布置SketchonlayoutofoptimumschemeⅠ在第二组优化方案中,平顺进水闸至第一条隔堤间的引水渠,不设左岸退水渠,只设右岸导水渠,在使用C区淤积时,在第二条隔堤上游60m处筑一长约500m的横导堤,并封堵隔堤上的左桥孔,使水流通过横向导水渠从左岸转至右岸的桥孔流入导水渠。将导水堤上的拢口减为四个,其位置分别为沉沙池桩号3140、4520、5820和6640。见图4。图4第二组优化方案工程布置SketchonlayoutofoptimumschemeⅡ两组方案的操作程序为(1)封堵导堤上的所有拢口,由导水渠引水至池末的A淤积区,出口以低水位控制。(2)当淤积区内已有滩地形成,且出口含沙量和粒径即将达到设计上限指标时,逐渐抬高出口水位至最高限制水位运行。(3)沉沙条渠在出口最高限制水位状况下运行,出口含沙量、粒径增大至设计上限指标时,需在导水堤上打开一拢口,放水入B淤积区。(4)按上述步骤依次使用B、C淤积区,直至条渠淤满。开始引水时,进入沉沙条渠的含沙水流集中在引水渠内往下流动,经导水渠流入A淤积区。由于引水渠和导水渠内的底坡比降较大,流速大,泥沙基本不落淤,因此,大量的淤积首先发生在导水渠拢口出口一带,并不断向下游发展。随着淤积的不断发展,沟槽变动较大,使泥沙的横向分布趋于均匀。同时,由于池内淤积的不断向下游延伸,水流挟沙力在池内逐渐恢复,出口含沙量和粒径也不断增大,直至达到设计上限指标,开辟另一个淤积区。表2为优化方案试验淤积量和沉沙率统计。从表中可知,在给定的水沙条件下,沉沙池的淤积总量约为4,000,000m3。第二组优化方案工程量明显少于第一组,而使用时间略长,

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