（环境工程专业论文）自排沙廊道排沙效果的数值模拟.pdf

= 忑忑= 盖_ 嬲论文题目：自排沙廊道排沙效果的数值模拟 。一 学科名称：环境工程 研究生：陈琛签名： 篷盈 指导教师：程文教授签名： 玺垒赵 黄河粗沙较多，有多处河道淤积，而黄河重要的水利工程三门峡水库也存在淤积问题。 这不仅影响到水库效益的发挥，还影响到潼关高程的升降。单纯依靠水库调水调沙解决河 道、水库自身淤积问题已经不能够满足要求，即使三门峡水库全年泄空敞泄的运用方式， 也不可能将潼关高程降低到建库前的天然水平，故需要辅以其他工程措施来解决。本文针 对这一问题，提出了在河道或水库铺设自排沙廊道排沙来降低潼关高程，解除渭洛河下游 洪涝灾害根源。分别通过资料分析，实验研究，数值模拟等方法对利用自排沙廊道降低潼 关高程的方案进行了研究，着重进行了自排沙廊道排沙效果的数值模拟，并对其结构进行 优化。研究的主要内容及得到的成果如下： ( 1 ) 通过分析黄河水文资料发现，低温期来的泥沙和从河床中冲起的泥沙大部分为 粗泥沙，这是龙门、潼关两站低温期悬沙d s o 大于高温期的主要原因。另外统计了 1 9 5 0 - - 1 9 5 3 年潼关陕县河段冲淤量资料，可以看出三年中有4 个月淤积，其余3 2 个月为 冲刷，年冲刷量0 5 6 1 5 0 亿吨，表明潼关至三门峡河段的下段为冲刷性河段，上段则为 冲淤相对平衡又是微淤的河段。上述结果说明，低温期更利于排沙。 ( 2 ) 在实验室进行了高含沙水流静态剪切应力的测量，目的在于研究最利于排沙的 廊道布设比降，由实验结果可以发现以下规律：随着停留时间的增加，静剪力也在逐渐增 加；随着样品含沙量的增加，静剪力有缓慢增加的趋势；而样品的泥沙粒径级配越小，静 剪力却随之增大，说明泥沙颗粒越细，静态剪切应力越大。 ( 3 ) 使用a n s y s 软件对自排沙廊道三维水流进行数值模拟，以研究自排沙廊道的 排沙效果。分别设计了三种不同的排沙孔偏转角及三种不同的排沙孔偏心距，对廊道内的 水流结构进行模拟。结果显示当排沙孔贴边壁且偏转角为3 0 。时，水流在廊道内部形成 了较好的螺旋流，螺旋化程度较高，螺旋的周期相对较长，这种水流结构排沙效果最好。 关键词：潼关高程：高含沙水流；自排沙廊道：溯源冲刷；数值模拟 本研究得到国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) ：河道洪峰过程洪床岸相互作用 机理( 编号：2 0 1 1 c b 4 0 3 3 0 5 ) 的资助，特此表示感谢。 i 西安理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t l e ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fd r a i n i n gs a n d se f f e c t b yu s i n g f l u s h i n gg a l l e r y m a j o r - e n v i r o m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：c h e nc h e n s u p e r v i s o r - p r o f w e nc h e n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： 以朗“e 八 t o n g g u a ne l e v a t i o n , an o d eo f t h ey e l l o wr i v e r , i sw e i h er i v e ra n db e i l u o h er i v e r sl o c a l b a s el e v e lo fe r o s i o n i t sr a i s i n gi st h er o o to ff l o o dd i s a s t e r so nt h ey e l l o wr i v e r , w e i h er i v e r a n db e i l u o h er i v e r a f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h es a n m e n x i ar e s e r v o i r , i tr a i s e st o n g g u a nt o s a n m e n x i ar e a c h sl o c a lb a s el e v e lo fe r o s i o n t h i sp a p e re x p o u n dt h ep r o j e c t sb a c k g r o u n da n d s e e kt h ep r o j e c ti n s t e a do ft h eo r i g i n a ls t o r i n gc l e a rw a t e ra n dr e l e a s i n gm u d d yp r o j e c ti n x i a o l a n g d ir e s e r v o i r , m e a n w h i l et ol o w e rt h et o n g g u a ne l e v a t i o ns oa st or e d u c et h ef l o o d s d i s a s t e ri nw 葫l u o h er i v e r sl o w e rr e a c h e s t h ea u t h o ra n a l y z e d 吐l a ti nt o n g g u a nr e a c hb e d e l e v a t i o nl i f tw h e ns c o u r i n gi nu p p e rr e a c ha tl o wt e m p e r a t u r ea n db e de l e v a t i o nd e c l i n ew h e n s i l t i n gi nu p p e rr e a c ha th i g ht e m p e r a t u r e ，b o t ho ft h e mw o u l dt r a n s p o r tal o to fs i l tt ol o w e r r e a c h s n em a i nc o n c l u s i o n so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i ti si n v e s t i g a t e dt h a tl o n g r a e ns t a t i o n sl a t i t u d ei s 10 0 5 m o r et h a nt o n g g u a ns t a t i o n s n em a x i m u mt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w os t a t i o n si sa b o u t3 a tt h e l o w t e m p e r a t u r ep e r i o dw h i c hi s s e n s i t i v et os e d i m e n t m e a n w h i l es a n m e n x i ad a m sn a t u r a l b e d r o c ki si n d e e daw e i rd a m i tb l o c k st h eu p w a r de x t e n do fe r o s i v ef i v e r f o l l o w i n g s a n m e n x i aa n dd r i v e s u pt o n g g u a n - s a n m e n x i a r e a c h sl o c a lb a s el e v e lo fe r o s i o n c o n s e q u e n t l y , t o n g g u a nr e a c hh a sn os u r p l u ss e d i m e n t - c a r r y i n gc a p a c i t y , o n l ys a n m e n x i a r e a c hh a sal i t t l es u r p l u ss e d i m e n t - c a r r y i n gc a p a c i t y 1 1 1 eg r a d i e n ti sa r o u n d2 5 o oa tt h er e a c h w h e r ei sa b o u t2 0k mf a rf m mt o n g g u a na n dt h eg r a d i e n ti sa r o u n d3 5 a tt h er e a c hf r o m t o n g g u a nt os a n m e n x i ad a m i ti n d i c a t e st h a ts m a l lf l o w sc a n n o ts c o u r et ot o n g g u a na n dl a r g e f l o w sc a n n o tg u a r a n t e es c o u r ee v e r yy e a r t h i si st h eb a s i cr i 冀璁o nt h a tt o n g g u a ne l e v a t i o ni s r e l a t i v ee q u i l i b r i u mb u ts l i g h f l ys i l t a t i o n ( 2 ) b yu s i n gt h er e s u l t so fc o l l e c t i o na n da n a l y s i s i nw e i h er i v e rs e d i m e n ts a m p l e ， e x p e r i m e n t a lr e s u l t sc a nb ef o u n di nt h ef o l l o w i n gr u l e s ： s t a t i cs h e a ri s i n c r e a s i n gw h e n r e s i d e n c et i m ei si n c r e a s i n g , a l o r 唱、) i r i t hs a m p l e so fs e d i m e n tc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s ei ns t a t i c s h e a rs l o w l yi n c r e a s i n gt r e n d , i n d i c a t i n gt h a tt h ef i n e rs e d i m e n tp a r t i c l e s ，t h eg r e a t e rs t a t i c ； 西安理工大学硕士学位论文 s h e a rs t r e s s ( 3 ) a u t h o rs i m u l a t e dt h et l l r c e - d i m e n s i o n a lf l o wi nf l u s h i n gg a n e r yu s i n ga n s y ss o f t w a r e ， d e s i g n e dt d i f f e r e n ts e d i m e n th o l ed e f l e c t i o na n g l ea n dt h et h r e ed i f f e r e n ts e d i m e n th o l e e c c 舶t r i c i t yo fd i f f e r e n tf o r m s 1 1 1 ed i f f e r e n td e s i g n sm a yc a u s et h ed i f f e r e n tf o w s i nf l u s h i n g g a l l e r y w bo f l 1 lf i n do u tt h er e s u l t st h a tt h ef l o wi s9 0 0 df o rd e a nt h es e d i m e n tw h e n t h ea n g l e i s3 0 a n d 也eh o l ei sc l o s et og a l l e r yw a l l k e y w o r d s ：t o n g g u a ne l e v a t i o mh y p e r e o n e e n t r a t e df l o w ；f l u s h i n gg a l l e r y ：h e a d c u ts c o u r ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h i sr e s e a r c hi ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a lb a s i cr e s e a r c hp r o g r a mo fc h i n a m e c h a n i s m o fi n t e r a c t i o no nf l o o d - b e d - b e a c hi nf l o o dp e a k p r o c e s s ”( 9 7 3p r o g r a m , g r a n t n o 2 0 11c b 4 0 3 3 0 5 ) n 1 绪论 1 绪论 研究自排沙廊道排沙效果的主要目的在于利用自排沙廊道排沙解决河道或水库的淤 积问题。黄河- - i 1 峡水库的淤积问题一直无法从根本上解决，若将自排沙廊道铺设在- - f - j 峡水库，不仅可以解决水库的淤积问题，而且还可以产生自下而上的溯源冲刷从而降低潼 关高程。本文由此提出了降低潼关高程的一种方案，分析了利用自排沙廊道降低潼关高程 的可行性，并针对这一问题进行了自排沙廊道排沙效果的数值模拟。 1 1 研究背景 1 1 1 潼关高程的历史演变 黄河小北干流在潼关接纳了渭河、北洛河经潼关折向东流，潼关是一个卡口，其上游 形成汇流区。小北干流、渭河、北洛河有各自的来水来沙条件及演变规律1 。其中，小 北干流处于淤积环境，河道游荡散乱，无固定主槽，粗泥沙是河床组成的主体。小北干流 的大多数高含沙洪水都会造成小北干流和潼关河床的淤积，只有来自延河等黄土地区的高 含沙洪水在小北干流会产生冲刷。如1 9 7 7 年第一、三场高含沙洪水，龙潼河段产生揭河底 冲刷，并形成单一的窄深河槽，但这种单一河槽不能持久，不断的坍滩淤槽又呈现游荡散 乱河型。 表1 1 ( a ) 1 9 2 9 - - 1 9 5 9 年潼关高程变化表5 水位( 米)冲淤变化( 米) 水位( 米)冲淤变化( 米) 年份年份 6 月3 0 日1 1 月1 日汛期非汛期6 月3 0 日 1 1 月1 日汛期非汛期 1 9 2 93 2 1 2 83 2 1 1 4叫0 1 41 9 5 13 2 3 7 03 2 3 0 80 6 20 5 l 1 9 3 03 2 1 2 8 3 2 1 6 1 0 3 30 1 41 9 5 2 3 2 3 2 73 2 2 8 0一o 4 70 1 9 1 9 3 33 2 2 3 73 2 0 8 61 5 lo 7 61 9 5 3 3 2 3 0 83 2 2 7 0 0 3 80 2 8 1 9 3 43 2 1 2 93 2 1 2 00 0 90 4 31 9 5 43 2 3 1 63 2 2 6 80 4 80 4 6 1 9 3 53 2 2 1 93 2 1 8 30 3 60 9 91 9 5 5 3 2 3 0 43 2 2 8 2o 2 20 3 6 1 9 3 63 2 2 4 53 2 2 3 00 1 50 6 21 9 5 63 2 3 4 83 2 3 4 6一o 0 2o 6 6 1 9 3 73 2 2 3 43 2 1 6 4一o 7 00 0 41 9 5 7 3 2 3 4 63 2 3 6 40 1 80 1 9 3 83 2 2 2 33 2 1 9 60 2 70 5 91 9 5 83 2 3 8 3 3 2 3 2 60 5 70 1 9 1 9 3 93 2 2 2 6 3 2 2 0 4 0 2 20 3 0 1 9 5 93 2 3 3 33 2 3 4 50 1 2o 0 7 1 9 5 03 2 3 2 03 2 3 1 90 0 l 渭河则不然，渭河的高含沙洪水多来自泾河，也有部分来自咸阳以上渭河。渭河的高 含沙洪水因粒径细、含沙量高，故其流型多为非牛顿体，而且有的为与时间有关的非牛顿 体，具有静态极限剪应力，当高含沙洪水即将漫滩时，静态极限剪应力使即将漫滩的水流 在两岸滩坎处发生滞流淤积，形成自然堤m 2 。秦毅3 等在复式断面的水槽中模拟出了宾 西安理工大学硕士学位论文 汉体高含沙水流形成自然堤的过程。自然堤高度随洪水位上涨而增高，滩唇上的水深不足 以克服静态极限剪应力，所以漫过滩唇的浑水不会漫淤流远j 。又由于深槽岸边的贴边 淤积，高含沙洪水密度大、拖曳力大、上举力大，河床冲刷，致使深槽趋于窄深5 。渭 河的河槽具有调节泥沙的能力，不利水沙条件时河槽中发生淤积，有利水沙条件下河槽冲 刷恢复平衡，所以历史上渭河是地下河，主槽动态冲淤平衡，滩地微淤。 表1 1 ( b ) - - i - 峡水库潼关高程变化表啪6 潼关站( 六) 渣关高程升降值渣关站( 六)潼关高程升降值 年份 1 0 0 0 立方米每秒水位 ( 米)年份1 0 0 0 立方米每秒水位( 米) 汛前汛后汛期非汛期年汛前汛后汛期非汛期 年 1 9 5 93 2 3 3 33 2 3 4 50 1 21 9 8 33 2 7 3 93 2 6 5 70 8 20 3 3_ _ 0 4 9 1 9 6 03 2 3 8 3 2 3 40 40 3 5 1 9 8 43 2 1 1 8 3 2 6 7 50 4 30 6 l0 1 8 1 9 6 11 9 8 53 2 6 9 63 2 6 6 4_ 0 3 20 2 l一0 1 1 1 9 6 23 2 5 9 33 2 5 1 10 8 21 9 8 63 2 7 0 83 2 7 1 80 10 4 40 5 4 1 9 6 33 2 5 1 43 2 5 7 60 6 20 0 30 6 51 9 8 73 2 7 33 2 7 1 6叫0 1 40 1 20 0 2 1 9 6 43 2 6 0 33 2 8 0 92 0 60 2 72 3 31 9 8 83 2 7 3 73 2 7 0 80 2 9o 2 10 1 9 6 53 2 7 9 53 2 7 6 4- 0 3 l一0 1 4- 0 4 51 9 8 93 2 7 6 23 2 7 3 60 2 60 5 4o 2 8 1 9 6 63 2 7 9 93 2 7 1 30 8 60 3 50 5 11 9 9 03 2 7 7 53 2 7 60 1 50 3 90 2 4 1 9 6 73 2 7 7 33 2 8 3 5o 6 20 61 2 21 9 9 13 2 8 0 23 2 7 90 1 20 4 20 3 1 9 6 83 2 8 7 l3 2 8 1 10 60 3 60 2 41 9 9 23 2 8 43 2 7 31 10 50 6 1 9 6 93 2 8 73 2 8 6 50 0 50 5 90 5 41 9 9 33 2 7 7 83 2 7 7 80o 4 80 4 8 1 9 7 03 2 8 5 5 3 2 7 7 10 8 40 1旬9 41 9 9 43 2 7 9 53 2 7 6 90 2 60 1 70 1 9 7 13 2 7 7 43 2 7 5o 2 40 0 30 2 l1 9 9 53 2 8 1 23 2 8 嬲0 1 60 4 3o 5 9 1 9 7 23 2 7 4 13 2 7 5 5o 1 40 0 90 0 51 9 9 63 2 8 4 2 3 2 8 0 70 3 5 0 1 40 2 l 1 9 7 33 2 8 1 33 2 6 6 4一1 4 90 5 80 9 l1 9 9 73 2 8 43 2 8 0 5_ _ 0 3 50 3 3o 0 2 1 9 7 43 2 7 1 93 2 6 7o 4 90 5 50 1 9 9 83 2 8 4 3 2 8 2 8 0 1 20 3 50 2 3 1 9 7 53 2 7 2 3 3 2 6 0 4一1 1 9 0 5 30 6 61 9 9 93 2 8 4 3 3 2 8 1 2- 0 3 l0 1 5 o 1 6 1 9 7 63 2 6 7 13 2 6 1 20 5 90 6 70 2 0 0 03 2 8 4 83 2 8 3 30 1 50 3 60 2 l 1 9 7 73 2 7 3 7 3 2 6 7 9 0 5 81 2 50 6 72 0 0 l3 2 8 5 6 3 2 8 2 3o 3 30 2 3 o 1 1 9 7 83 2 7 3 3 2 7 0 9 0 2 10 5 l0 32 0 0 23 2 8 7 23 2 8 7 80 0 4 9o 5 5 1 9 7 93 2 7 7 6 3 2 7 6 2 o 1 40 6 7o 5 32 0 0 33 2 8 8 2 3 2 7 9 4o 嬲0 吨明 1 9 8 03 2 7 8 23 2 7 3 8- 0 4 40 20 2 42 0 0 43 2 8 2 43 2 7 9 80 2 60 3 00 1 9 8 13 2 7 9 5 3 2 6 9 4 一1 0 l0 5 70 “2 53 2 8 2 5 3 2 7 7 1勺5 4 0 2 70 2 7 1 9 8 23 2 7 4 43 2 7 0 60 3 80 5 0 1 2 2 1 9 6 0 年9 月，三门峡水库运用后，从根本上改变了潼关河段的演变进程。表1 1 为 l 绪论 1 9 2 9 1 9 5 9 年及三门峡水库建库后澶关高程变化1 6 。由表可看出1 9 2 9 1 9 5 9 年，3 0 年间 潼关高程上升2 3 1 m ，年均0 0 8 m 。这一数字值得商榷，首先是1 9 3 3 年的大水是稀遇洪 水，且大水前后资料不全，参照1 9 5 0 1 9 5 9 年潼关高程变化很小；其次表中所列数据汛 前为6 月3 0 号，汛后为1 1 月1 号，由于来水来沙的随机性，6 月3 0 号不一定能完全代 表淤积最高值，l1 月1 号也不一定能完全代表冲刷最低值。建库后1 9 5 1 1 9 5 9 年，潼关 高程升降幅度很小，仅0 2 6 m 。水库1 9 6 0 年9 月蓄水，蓄水前潼关高程为3 2 3 4 0 m ，最 高蓄水位3 3 2 5 8 m ，1 9 6 2 年3 月水库改为防洪排沙运用，潼关高程升至3 2 5 9 3 m ，1 9 6 9 年升至3 2 8 6 5 m ，经过两次改建至1 9 7 3 年汛后降至3 2 6 6 4 m ，下降2 m 。这主要是改建期 水库除防凌蓄水外，水库基本为敞泄运用，这是促使潼关高程下降的根本原因7 j 。但由 于7 3 年后水库蓄清排浑运用使得非汛期蓄水位过高、8 6 年上游水库蓄水等影响，至2 0 0 3 年汛前潼关常水位升至3 2 8 8 2 m ，为建库后最高，近期潼关水位降至3 2 8 m 左右。 1 1 2 潼关站是向下游输送泥沙的搿关口刀 潼关是一个卡口，其上黄、渭、洛河有各自的来水来沙条件，各自的演变规律。由于 地理因素及纬度差异，每年1 0 至翌年5 月的低温期及6 月至9 月的高温期，龙门河段和 潼关河段的冲淤规律是不同的【8 1 。这是因为低温期龙门站水温比潼关站水温低，最大温 差超过3 ，必须考虑热力因素，低温效应，冻融效应等对河床演变的影响。 表1 - 2 ( a ) 1 9 5 0 - 1 9 5 3 时段龙华河状四站潼关陕县冲淤量 单位：亿吨 t a b 1 - 2 ( a ) t h es c o u r i n ga n dd e p o s i t i o nq u a n l i 哆o ff o u rs t a t i o n s - t o n g g u a n s h a n x i a nf r o m19 5 0t o19 5 3 u n i t ：l0 0m i l l i o nt o 璐 龙华河状分别指黄河龙门、渭河华县、汾河河津、洛河状头四个水文站 注：本文中有关黄河各水文站的水文资料均来自黄河流域水文资料 表1 2 ( a ) 为1 9 5 0 - - 1 9 5 3 时段龙华河状四站潼关站陕县站冲淤量，可看出：( 1 ) l 月低温期龙门河段冲刷，潼关河段淤积，但四站至陕县站总体是冲刷的，通过陕县站的沙 量年均为3 1 5 2 亿t 。l 月黄河流量不大，挟带的粗沙进入黄河下游造成淤积。6 - 9 月 高温期龙门河段淤积，潼关河段冲刷，潼关至陕县河段冲刷，四站至陕县总体是淤积的， 这同样对黄河下游不利。因为月流量大，挟带的泥沙却有相当部分淤在龙门河段， 成为l 叽5 月水流的负担。( 2 ) 潼关至陕县河段年均l 肚5 月冲刷量0 6 0 6 9 亿t ，三门峡坝 址基岩是该河段的侵蚀基准面。所以潼关河段不可能持续性淤积，也不可能持续性冲刷。 3 西安理工大学硕士学位论文 该河段l 肛5 月不会冲刷这么多的泥沙。年均1 0 - , - 5 月冲刷0 6 0 9 6 亿t 泥沙的原因一是区 间的一条小支流产沙，它仅占小部分，二是潼关站漏测的推移质输沙量在陕县河段转化为 悬移质输沙量，这应占大部分。 潘贤娣n 等统计了三门峡水库1 9 7 5 - - , 9 6 年的2 6 场洪水中潼关、三门峡至利津冲淤情 况。潼关日均最大流量大于2 0 0 0 m 3 s 的1 7 场，大于4 0 0 0 m v s 的2 场，小于1 0 0 ( ) l n 3 s 的 1 场。洪水冲淤情况为潼关至三门峡均为冲刷，排沙比1 0 8 - - 6 3 2 ，三门峡至利津2 5 场淤 积，冲刷仅1 场。究其原因，应是低温期由潼关排入水库的泥沙淤在水库里，汛初水库排 沙时，出库水流来沙系数s q 增高，降低了下游河道的排沙能力。 4 表1 - 3 三门峡水库汛初小水排沙情况m 9 t a b 1 3t h er e m o v eo fs e d i m e n ti ns a n m e n x i ar c s c r v o rb e f o r ef l o o d 潼关三门峡 潼关一三门峡 下游河道冲淤量( 亿t ) 时段日均最大平均 沙量 沙量 平均含沙量 来沙系数捧沙比冲淤量 三门峡一花园口一高村一艾山一三门峡一 ( 年月日)流量流量 ( 亿t )( 亿t ) ( k g m 3 )( k g - s m 6 ) ( )( 亿t )花园口高村艾山利津利津 ( m 3 s )( m s ) 1 9 7 5 0 7 一1 0 0 7 一1 42 4 7 0 0 1 7 l 1 7 4 0 0 6 5 18 6 8 0 0 4 9 9 3 8 l一o 伯0 4 40 0 1 9- 0 0 3 2o 0 0 l0 4 2 5 1 9 7 5 0 7 一1 5 0 7 一1 21 9 5 00 0 1 7 6 00 6 2 65 8 50 0 3 3 26 3 2- 0 5 2 70 4 4 30 0 0 80 0 3 4 40 0 3 7 40 3 6 3 1 9 7 6 嘀一3 0 0 7 一1 51 8 4 0o 2 1 4 8 70 9 5 64 6 50 0 3 1 34 0 7 伯0 7 2 80 1 0 0 4o 0 2 0 60 8 1 5 1 9 7 6 帕7 一1 6 0 7 2 72 0 4 00 2 7 51 8 7 40 6 2 03 1 90 0 1 72 2 5- 0 3 4 50 2 7 40 0 0 1o 1 1 2o 0 7o 0 9 3 1 9 7 8 - 0 7 - 11 0 7 - 1 92 0 5 01 8 41 4 8 l2 3 82 0 7o 1 4l 约0 5 40 8 5 30 3 7 50 1 20 0 1 21 3 6 1 9 7 8 - 0 7 2 0 0 7 2 72 7 3 02 0 41 8 6 32 4 l1 8 9o 1 0 11 1 8一o 3 70 5 1 50 3 4 90 2 0 0 0 41 o 1 9 7 帅6 - 3 0 0 7 2 0 1 2 5 0 0 3 8 7 7 4 1 0 8 l20 1 22 - 0 4 2 30 4 1 40 1 勰- 0 0 1 3- 0 0 2 20 5 0 7 1 9 8 m 电6 - 3 0 0 7 一1 32 5 0 7 4 1 1 0 8 9 1 1 约8 5 70 0 7 8 71 5 2- 0 3 8 80 4 9 20 1 3 3o 1 40 0 5 20 5 3 7 l 驰0 0 7 一1 4 - 0 32 3 9 01 1 7 81 3 2 0 2 11 6 5 30 1 毖1 7 2 - 0 8 4 3 1 2 1 6 0 1 5 50 0 0 6 41 4 9 5 l 驰1 0 7 - 0 3 0 7 一1 44 2 5 0i 2 3 12 2 8 62 68 1 20 0 3 5 51 6 9- 0 8 5 50 7 3 80 2 0 2 8 70 0 5 4o 7 0 5 1 9 8 2 - 0 7 - 1l 一0 7 一龃1 6 4 0 0 2 4 1 2 7 0 5 42 8 30 0 1 0 32 2 40 2 9 90 3 0 7- 0 0 1 5o 4- 0 0 1 30 2 7 5 1 9 惦2 3 - - 0 7 0 il 硒0o 1 1 3 5 50 3 1 82 2 60 0 1 6 71 6 2 - 0 1 2 20 1 3 4 o o 毖 0 0 3 80 0 6 20 1 8 5 续表1 3 _ - f - 峡水库汛初小水排沙情况9 1 t a b 1 3t h ef o m o v oo fs e d i m e n ti ns a n m e n x i ar e s e r v o i rb e f o r ef l o o d 1 9 8 3 0 7 0 5 0 7 一1 41 8 4 00 1 2 91 2 9 60 4 8 23 5 90 0 2 7 73 7 4- 0 3 5 30 7 0 0 0 3- 0 0 0 60 0 2 70 7 8 9 1 9 8 4 - 0 6 2 3 0 7 0 l1 8 3 00 2 8 11 5 3 l0 5 8 54 9 10 0 3 2 l2 - 0 3 0 40 3 4 10 0 3 6一o 0 5 l一o 0 3 10 2 9 5 l 驰4 0 7 0 2 0 7 一3 3 2 00 1 8 61 3 7 90 6 0 45 6 40 0 4 3 2 5- 0 4 1 80 3 3 20 0 4 8- 0 1 6 50 0 4 30 1 7 2 1 9 8 4 - 0 6 - 3 0 - - , 0 7 一5 9 40 0 5 2 50 0 3 71 1 70 0 2 2 24 1 1- 0 0 2 80 0 0 1o 0 1 l0 0 0 70 0 0 60 0 2 5 1 9 8 6 0 7 0 2 0 7 一0 83 1 4 00 4 1 61 9 3 40 8 97 6 10 0 3 9 32 1 4- 0 4 7 40 2 9 10 0 0 50 0 l l0 1 l l0 4 1 8 1 9 8 6 - - 0 7 0 9 0 7 2 53 6 9 00 9 3 72 4 9 41 5 明4 3 40 0 1 7 4 l - 0 6 5 10 3 9 00 60 0 30 0 5 40 5 7 1 9 8 8 - 0 7 - 0 1 0 7 1 52 7 6 01 1 5 21 4 2 51 8 9 21 0 2 4 o 0 7 1 91 6 4一o 7 4 0 6 8 80 3 0 3- 0 0 2 3o 0 的1 0 3 3 1 9 8 8 0 7 一1 6 0 7 1 92 8 0 5 4 31 7 0 70 6 4 61 1 00 0 6 4 41 1 9- 0 1 0 30 2 5 50 1 4 3- 0 0 l l0 0 1 20 3 9 9 1 9 9 0 - 0 6 3 0 0 7 0 61 9 9 00 1 8 5 1 2 6 50 5 77 4 50 0 5 8 93 响 - 0 3 8 50 3 0 2 - 0 2 7 10 0 4 0 0 0 50 0 7 6 1 9 9 0 - 0 7 0 7 0 7 一1 44 0 8 0 0 7 5 41 9 1 81 2 5 49 4 60 0 4 9 31 6 6- 0 5 0 00 4 6 7- 0 7 9 7 0 2 3 4- 0 0 5 7- 0 1 5 3 1 9 9 3 - 0 7 - 2 l 0 7 3 l2 8 0 00 5 4 91 7 5 81 5 1 69 0 70 0 5 1 62 7 6- 0 9 6 70 6 2 50 2 3 3- 0 1 0 1- 0 0 2 10 7 3 6 l 6 0 7 一1 6 0 7 2 l2 2 8 0l 。5 l1 3 9 92 。4 l3 3 20 2 3 7 61 6 00 9 01 2 l0 。5 90 0 6o 0 6l 。9 2 1 9 9 6 0 7 2 2 0 7 2 61 5 5 0 o 3 41 1 1 60 6 21 2 90 1 1 5 61 8 2一o 2 8o 0 30 1 60 0 6 0 0 70 1 2 1 9 9 6 0 7 2 8 - 0 12 0 4 02 1 61 5 3 52 3 33 5 10 2 2 8 7l 一o 1 71 0 5o 6 90 0 8o 1 5 7 6 1 绪论 1 1 3 小浪底水库“蓄清排浑一运用应考虑问题 小浪底水库库区天然河道比降为l1 o o ，是- - i - j 峡水库库区比降3 5 o o 的三倍。当小 浪底水库泄空恢复天然河道时，库区将产生强烈冲刷，出库水流含沙量高，来沙系数大， 不可能将出库泥沙全部排沙入海1 0 l 。 表l - 3 为- - i - j 峡水库蓄清排浑运用期间水库排沙引起下游河道沿程冲淤情况。表中统 计的2 6 场洪水中，潼关站最大日平均流量大于4 0 0 0 m 3 s 的洪水有两场，流量小于1 0 0 0 m v s 的仅一场m 9 。 分析表l - 3 可知，2 6 场洪水中，三门峡库区潼关站 三门峡站河段均为冲刷，排沙比 1 0 8 - - 6 3 2 ：下游河道= - - n 峡站一利津站河段仅一场洪水冲刷，其余2 5 场洪水均为淤积， 三门峡站花园口站河段2 6 场洪水均为淤积，花园口站高村站2 2 场洪水淤积、4 场洪水 冲刷，淤多冲少；高村站一艾山站河段1 6 场洪水冲刷、1 0 场洪水淤积，冲多淤少；艾山 站利津站河段1 5 场洪水淤积、l l 场洪水冲刷，淤多冲少。流量大于4 0 0 0 m v s 的两场洪 水中，一场q = 4 0 8 0 m v s 的洪水虽为冲刷但却呈现冲淤交替，两个河段淤、两个河段冲， 、 最终的冲刷量仅为o 1 5 3 亿t 。另一场q = 4 2 5 0 m v s 的洪水来沙系数0 0 3 5 5 k g s m 6 ，仅高村 站一艾山站河段冲0 2 8 7 亿t ，其余河段均为淤积，全河段淤0 7 0 5 亿t 。q = 5 9 4 m v s 的小洪 水中，全程淤积，但各河段淤积量均很小，仅为0 0 0 1 - - - 0 0 1l 亿t ，全河段淤0 0 2 5 亿t 。 表l _ 4 为三门峡水库不同运用时期的冲淤量。由表1 4 可看出1 9 7 3 1 1 - - 2 0 0 6 1 0 蓄清 排浑运用期间，三门峡库区各库段均为淤积，潼关三门峡库区淤1 4 2 1 亿m 3 。对比小浪 底水库调水调沙期，库水位降至汛限水位时，恢复天然河道的尾部段淤沙几乎全断面冲刷， 所以高程2 3 0 m 以上库区淤积很少，见图1 1 1 1 1 。 表l _ 4 三门峡水库库区不同运用时期的冲淤量 ( 单位：亿m 3 ) t a b 1 - 4t h es c o u r i n ga n dd e p o s i t i o nq u a n l i t yi ns a n m e n x i ar e s e r v o i ra r e aa td i f f e r e n to p e r a t i o np e r i o d s 时间 河段 潼关三门龙门潼 运用方式 年月 渭l 3 7北洛l 2 3累计 峡关 1 9 6 0 9 1 9 6 4 1 03 5 7 5 26 3 4 31 8 7 3 o 4 8 14 4 4 4 9蓄水 1 9 6 4 1 l 1 9 7 3 1 09 2 2 51 2 0 2 88 4 7 00 81 2 0 7 3 滞洪 1 9 7 3 1l 1 9 8 6 1 00 5 5 40 5 6 2 - 0 2 3 50 1 4 81 0 2 9蓄清排浑 1 9 8 6 1l 2 0 0 6 1 0 0 8 6 74 6 6 63 0 5 21 5 4 81 0 1 3 3 蓄清排浑 1 9 7 3 1 l 2 0 0 6 1 01 4 2 l5 2 2 82 8 1 7 1 6 9 61 1 1 6 2 蓄清排浑 1 9 6 0 9 - - - 2 0 0 6 1 02 7 9 4 82 3 5 9 91 3 1 62 9 7 76 7 6 8 4 据上分析，可以得出这样的结论：小浪底水库蓄清排浑泄空水库时，因冲刷强度比三 门峡水库大，库区恢复河槽库容的历时会比三门峡水库短，但出库水流的来沙系数也会比 三门峡水库高，这就必然导致下游河道淤积量大。可以确定地说，小浪底水库蓄清排浑泄 空冲沙加重下游河道淤积的可能性很大。 7 西安理工大学硕士学位论文 萋 至墨墨墨墨兰芝兰墨曼墨囊善暑磊鑫裔翕蟊暑暑弱蟊虽温居嚣 禽袖口n 图1 1 小浪底水库泥沙沿高程累计淤积量1 0 1 f i g 1 - 1s e n d i m e n ta c c u m u l a t e da l o n gt h ee l e v a t i o ns i l t a t i o ni nx i a o l a n g d ir e s e r v o i r 黄河小浪底水库1 9 9 9 年9 月建成，采用“初期拦沙和调水调沙运用”。经实施9 次调 水调沙实验，异重流排沙，把7 亿吨泥沙输入渤海。下游河槽全面冲刷，河槽过洪能力由 1 8 0 0 m 3 i s 提高到4 0 0 0 m 3 s 。但这是在水库几乎拦截了全部来沙中的粗沙取得的，当水库 调沙库容淤满，转为“后期蓄清排浑和调水调沙运用一，粗泥沙将下泄，下游河槽将回淤。 这是由下游河道输沙特性决定的1 2 1 。目前，水库淤积泥沙已达3 0 亿立方米，三角洲己推 进至坝前，水库即将转入“蓄清排浑 运用，下游河道又面临着回淤1 3 1 。因此迫切需要 找到一种替代小浪底“蓄清排浑 运用的方案，使得水库减淤与下游不淤兼得。 新型自排沙廊道结构符合泥沙输送动力学机理，输沙效率高，善于排除粗颗粒泥沙， 若利用低温时水流排沙，效率将更高。考虑到水库排出的泥沙输入下游河道将加重河道淤 积，这里提出在小浪底水库布设自排沙廊道，利用廊道在河流低温期排沙1 4 1 。同时新建 u 型人工渠道，将廊道排出泥沙输送到可以利用的地方或直接输沙入海的系统工程方案， 该方案既可恢复小浪底水库的淤损库容，又可避免下游淤积，使小