合理确定泄洪排沙洞的进口高程

1、合理确定泄洪排沙洞的进口高程摘要：实践经验表明，水库工程泥沙设计的关键在于合理确定泄洪排沙洞的进口高程、洞径 及其平面位置。本文对陕北红柳河流域新桥水库泄洪排沙洞设计中的几个关键性问题进行了 探讨，并给出了适合北方多沙河流上中小型水库泄洪排沙洞泄流曲线的计算方法。关键词：水库泥沙；造床流量；平衡比降1引言我国北方多沙河流上的水库，泥沙淤积问题十分严重，直接影响水库正常效益的发挥。解决 水库泥沙淤积问题的关键在于合理的设计泄洪排沙洞。造床流量、平衡比降、终极库容曲线和泄流曲线的确定直接影响泄洪排沙洞设计的合理性。 本文针对新桥水库造床流量、平衡比降的确定、泄流曲线的计算这几个关键性问题进行讨论。

2、2新桥水库概况新桥水库位于陕西省靖边县红柳河干流上，距靖边县城4 0 km，是红柳河流域中的一座控 制性骨干工程，承拦坝址以上的洪水泥沙，确保金鸡沙、巴图湾水库正常运用和无定河两岸 的安全生产，同时新桥大坝还是307国道的咽喉工程。新桥水库控制区间流域面积为8 6 1km2,多年平均入库流量为0. 124m3炖s，汛 期为0. 3 2 3 m3炖s，多年平均含沙量2 6 3 kg炖m3,汛期平均含沙量5 4 5 kg 炖m31961年坝体加高到47m，总库容为2. 0亿m3。经过多年运行，截止20 0 1年底，水库已淤积1 .915亿m3,水库防洪能力严重不足，现有库容及泄洪设施已 不能满足防

3、御10年一遇洪水。新桥水库一旦失事，必将造成下游金鸡沙、巴图湾等水库连 续垮坝等灾难性后果。因此，依据陕西省红柳河库坝群治理工程项目建议书及其审查意 见，对新桥水库实施除险加固改造，本次除险加固的主要任务是增建泄洪排沙洞。3几个关键性问题讨论 在新桥水库泄洪排沙洞规划设计过程中，造床流量、平衡比降、泄流曲线确定是关键问题， 直接影响泄洪排沙洞的设计合理性，下面对这几个问题进行讨论。3.1造床流量造床流量1, 2 在泥沙设计中是一个非常重要的参数，理论上现在还没有一个成熟的计 算方法，目前大多是据经验公式确定。有关造床流量的求法很多，一般可取三四种方法进行 估算，然后比较采用两个相近数值的平均值

4、做为造床流量。现将几种确定造床流量的典型方 法加以介绍，以便比较说明。（1）木村认为，造床流量可取为以输沙率加权的平均流量，即Q = （皿。）疙叫i=lX=1式中：Qi为分级流量（m3炖s），Qsi为该级流量相应的输沙率（kg炖s），n为 分级总数。若假定分级流量与Qi与该级流量相应的输沙率Qsi=aQmi，将其代入（1）式，则 得IQ =史弓户/玄w（2）E i=i根据许多输沙公式及天然资料，得出m值为：推移质为主的河流m=1；悬移质为主的河流 m=2 ；推移质和悬移质同等重要的河流m=1.5。（2）造床流量保证率法。根据洪水频率统计确定造床流量。汉德森（F.M.Hende rson ）认为

5、：满槽流量为造床流量，根据美国一些河流的研究，满槽流量约等于重现期1. 0 74年（平 均为1.4年）一遇的洪水。满槽流量法。在我国，一般都把满槽流量作为造床流量，由于水流满槽前，对河床作 用最大的自然是满槽流量，在水位超出河槽而漫滩后，边滩流速很小，主槽流速变化也很小， 其造床作用与满槽流量相近，但出现的机会却较少。黄委会水利科学研究所分析了一部分河流平滩流量和汛期平均流量的实测资料后，采 用如下造床流量计算关系式Q 造=7. 7。汛。86+ 90。汛/式中：Q造为造床流量，Q-汛为汛期平均流量。长江科学研究院提出可按流量级累计的冲刷量达到5 0%时的对应流量为确定水库横 向形态的造床流量。

6、上述经验方法中，其中(1)、(4)、(5)均是在对较大型的水库进行研究总结出来的， 适用于较大型水库。(2)、(3)可适用于大型水库也可适用于中小型水库的情况，新桥 水库属于大II型水库，用上述几种方法分别计算后，相差在1 0%2 0%；根据新桥水库 的特点，最后采用造床流量保证率法，求得造床流量为12 3m3炖s，计算结果表明是符 合实际的。3.2平衡比降河槽的平衡比降1，2)也是泥沙设计的一个非常重要的参数，它的取值对计算结果影响 较大，和造床流量一样，理论上也没有一个成熟的计算方法，实际当中也用经验公式推求。 新桥水库采用以下3种经验方法估算库区河槽的平衡比降，最后分析确定合理的取值。J

7、/J0HJ0.20之间的经验关系文献2)中，根据不同水库的实测数据，点绘出了/J0HJ0.20之间的经验关系 曲线。J为库区河槽槽底平衡比降，J0为原河道比降，H为坝前平均淤积面高程与原河床 高程差。对于新桥水库，J 0 = 2%。，依据此法得出的库区河槽平衡比降为1.52%。（2）陕西省水科所经验公式法2） 根据陕西省水科所的分析，计算河槽冲刷平衡比降的经验公式为由式（4）可得，库区河槽比衡比降为J = 1.47%。（3）清华大学水利系经验公式法2） 清华大学水利系提出的计算公式为式中，k,m分别为经验系数和指数；其它符号同前。对于新桥水库的情况，k=l. 2,m=0. 24。将有关数据代入

8、计算可得J = l. 1 %。上述3种方法得出的平衡比降平均值为1. 3 6%。，计算结果表明新桥水库的平衡比降取为1.3 6 %。是合理的。3.3排沙洞泄流曲线本文根据新桥水库泄洪排沙洞的设计形式（见图1）,应用水流连续方程和能量方程对新桥水库的泄流排沙洞的泄流曲线计算公式进行了推导，得出在闸门全开情况下的泄流计算公式。云 1/1001图1新桥水库泄洪排沙洞纵剖面示意图新桥水库泄流曲线求法如下:（1）有压流时的泄流曲线3，4 当水库坝前水位较高时，泄洪排沙洞内水流为有压流（满库）此时，泄洪排沙洞泄流量计算公式如下式中，Q压是有压流时的泄流量；A是泄洪排沙洞断面积，A=（ 1炖4）nd2,d是

9、洞径；H是水头，取 水库水位与泄洪排沙洞进口高程之差；p是流量系数，计算公式如下1 +（瑟一a）/丑1 +劣（1/衫）+ ZX（A/）2式中，Az是排沙洞进口高程与排沙洞闸门底板高程之差;入是排沙洞的沿程水头损失系数，A=8gn（d炖4）1/3，其中g是重力加速度，n是糙率；乂是排沙洞进口至闸门出口断面局部水头损失系数之和；A0是坝前断面的面积；1是排沙洞进口至闸门出口的长 度。一般情况下A/AO很小，可以忽略不计。利用式（6）.（7）可计算出不同库水位时，泄流排沙洞的满流泄流量。（2）明渠流时的泄流曲线3，4 当库水位较低时，泄洪排沙洞内的水流为明渠流（非满流），此时，泄洪排沙洞泄流量计算公

10、式如下式中，Q明为一定库水位时的排沙洞泄流量；m是无坎宽顶堰流的流量系数，据工程实际取 值；b相当于堰顶宽度，对圆形排沙洞近似取等效宽度bf （1/2） fltd其它符号同前。利用式（8）,对于某一库水位可通过试算求出相应泄流量。（3）明满流转换时的临界水位库水位下降或上升过程中，泄洪排沙洞中水流的液态会产生明满流转换的情况，存在一个明 满流转换的临界水位。实际计算中，当库水位大于临界水位时，泄流量应采用式（6）计算； 当库水位小于临界水位时，采用式（8）计算。临界水位的确定方法：先利用式（6）和（8）分别计算出满流和明流的泄流曲线，然后在 同一坐标系中将两条曲线绘出，两者的交点对应的水位即为临界水位。通过临界水位将计算出的有压流和明流时的泄流曲线结合起来成为一个完整的泄流曲线，则 据此泄流曲线及其它条件可进行泄洪排沙