小浪底水库运用方案试验分析

小浪底水库运用方案试验分析

小浪峰水库于1999年10月开始蓄水，表明水库已进入充分利用防洪、减少淤泥等综合利益的新阶段。水库投入运用后,库区水流泥沙运动规律及断面形态将发生很大改变。为预测小浪底水库运用初期在拟定的运用方式下库区泥沙运动规律及泥沙淤积机理,特选用模型试验这一途径对其进行了研究。在利用现代模型相似理论和异重流运动相似条件及分析原型资料和对模型沙特性比选的基础上,完成模型设计,并利用水沙条件及河床边界与之相近的三门峡水库完成了模型验证。验证试验结果表明,模型设计给出的模型比尺及选定的模型沙,可使模型较好地复演原型水流泥沙运动规律及水库冲淤变化过程,从而说明模型设计是合理的,其比尺值用于小浪底水库模型,并采用相同的模型沙,可保证试验结果的可靠性。模型的主要比尺见表1。在模型设计与验证试验的基础上,制作小浪底库区模型,并开展了小浪底水库2000年拟定方案的模型试验。1初始地形条件试验水沙条件采用1995年典型水沙过程。模型进口断面7～9月份总水量为112亿m3,总沙量为8.22亿t。水库运用方案为:起始运行水位205m,调控库容8亿m3,调控上限流量2600m3/s。初始地形为2000年6月30日地形。该地形是在小浪底库区原始地形基础上,估算出至2000年汛前库区淤积总量,按一定的设计形态进行铺沙而成。坝前水位为模型出口边界的控制条件,由数学模型调节计算得到。模型排沙洞、发电洞及泄洪洞的泄量是基于小浪底水库泄水洞的调度原则进行分流计算得到,以此控制模型中各泄水洞的启闭。2试验结果2.1异重流入库点点领导能量分析7月上旬,水库回水末端超过模型进口,挟沙水流入库后,泥沙大多淤积在模型进口。随着模型进口段不断淤积抬升及坝前水位的逐渐下降,进口段自上而下逐渐由壅水输沙转为明流输沙。在回水末端附近,浑水潜入清水下面沿库底向下游运行,形成异重流。异重流潜入位置取决于该处水力条件。根据异重流潜入点处的水力条件点绘的V0∼g′h0−−−−√V0∼g′h0关系(V0、h0分别为异重流潜入处流速及水深)仍符合实测资料以及试验结果给出的一般规律。由于横轴环流的存在,异重流潜入点以下库区水面倒流,使下游漂浮物向上游漂移并聚集在潜入点处。位于潜入点上游的库段流速及含沙量沿垂线呈明流分布规律,以下各断面均呈异重流分布规律。由于异重流的泥沙输移总是处于超饱和状态,因此在异重流泥沙淤积的同时含沙量随之降低,且随着沿程清水的析出及向支流的倒灌而使异重流的流量逐渐减小,其运动能量亦相应减弱。所以,当入库流量较小时,异重流潜入后往往随着能量的减弱而消失在库区。8月底至9月初发生了一场洪水过程,模型入口最大日平均流量为3868m3/s,水库相应泄水,库水位逐渐下降,随之出现一次较大的排沙过程,且出库沙量几乎全部由位于泄水建筑物底部的排沙洞及孔板洞下泄,发电洞出流几乎为清水。2.2堆栈形式和过程2.2.1坝前泥沙层沉积相挟沙水流进入回水末端后处于超饱和状态,泥沙迅速在此落淤并逐渐出露水面。之后,随着异重流的形成使较粗泥沙在潜入点处落淤,较细泥沙随异重流向下游输移的过程中产生沿程淤积。随着坝前水位的变化,异重流潜入点发生位移,粗泥沙堆积部位亦随之改变。7月底在距坝约40km以上受水库回水的影响淤积泥沙较多,而以下部位基本上为等厚淤积,只是在坝前段局部范围纵剖面接近水平,这主要是由于坝前初始地形高程与最低的泄水洞之间高差达20m以上,挟沙水流到达坝前不能排泄出库,浑水在坝前聚集后泥沙沉积所致。至9月底库区淤积形态接近三角洲,距坝约40km以上的三角洲顶坡段淤积厚度一般接近30m;距坝10～30km的异重流淤积段,淤积纵剖面大致与库底平行,一般淤积厚度约10m;坝前10km范围的坝前淤积段纵剖面接近水平,距坝1.45km处的HH1断面淤积面高程约为170m。距坝约50km以上库段在脱离回水影响时可塑造出滩槽高差不显著的河槽,河槽亦会随入流量的大小而变化。9月份蓄水位逐渐抬升,泥沙大多淤积在河槽中,至9月底大部分库段已无明显的滩槽之分,个别库段仅显示出浅碟状的河槽。在模型下段为异重流淤积,河床基本上为水平抬升。2.2.2异重流倒灌沉积相对于距坝约64km处的板涧河河底高程而言,干流水位低几乎无浑水灌入,仅在沟口略有淤积。位于距坝约55km处的氵允西河,大多时段为异重流倒灌淤积,只是当库水位较低,且干流流量较大时,浑水以明流的形式倒灌支流。位于其下游的各支流均为异重流倒灌淤积。异重流倒灌时往往可看到支流表层水缓慢向沟口流动。支流沟口淤积高程与干流衔接,沟口的淤积厚度取决于干支流交汇处干流的淤积高程。位于三角洲洲面的氵允西河口向内有倒坡,高差约3m,而其余支流沟口无明显的倒坡。3资料区及坝段不同沉积段的沉积特征(1)水库主汛期基本上为异重流排沙。异重流潜入点水力条件符合实测资料及水槽试验得出的一般规律。异重流向下游运行的同时发生沿程淤积并向支流倒灌。(2)受库水位变动等因素影响,7、8月份库区淤积纵剖面呈不十分明显的三角洲淤积形态,至9月底库区淤积形态基本接近三角洲。三角洲顶坡段淤积厚度一般为30m;异重流淤积段基本上为等厚淤积,一般淤积厚度10m以上;坝前段淤积纵剖面接近水平,HH1断面淤积面高程约为170m。(3)模型上段若脱离回水影响则可塑造出较为明显的滩槽,河槽会随河势或流量的变化