工程泥沙问题(河流动力学)

工程泥沙问题这类受人类活动影响而发生的河床变形及有别于自然情况下的泥沙问题，称为工程泥沙问题水库泥沙的淤积及防治水库淤积的现象和规律水库淤积形态淤积纵剖面形态三角洲淤积这类淤积形态的形成条件是：库容大、来沙粒径粗、库水位变幅小、库区地形开阔(如湖泊型水库)。官厅水库是最典型的三角洲淤积带状淤积多出现在河道型水库中，丰满水库是典型的带状淤积淤积物自坝前一直分布到正常高水位的回水末端，呈均匀的带状淤积形态锥体淤积在多沙河流上修建的小型水库，普遍存在锥体淤积形态特点是：泥沙淤积很快发展到坝前，形成淤积锥体水库壅水段短、底坡陡、坝身低、进库沙量大是形成锥体淤积的主要条件因为底坡大、坝身低，故水库流速大，能将大量泥沙挟带到坝前淤积，加之入库含沙量高，使坝前淤积的厚度大、速度快其次，异重流淤积也是重要原因之一因为水库壅水段短、底坡大，异重流极易运行到坝前，井很快变为浑水水库，异重流随之消失，所挟带的泥沙便在坝前大量堆积影响水库纵剖面淤积形态的主要因素有：入库水沙特性、水库壅水程度及坝前水位变幅、水库库容及库区形态等淤积横断而形态淤积的横向分布当水库发生单向淤积时，由于入库水沙条件及边界条件的不同，形成以下四种较普遍的横向淤积形态，即淤积面呈水平抬高；沿湿周等厚淤积；淤槽为主和淤滩为主淤积后的冲刷形态水库在水位消落期或汛期泄洪排沙时，先期淤积物将受到某种程度的冲刷，完成库区河床的再造床过程上述淤积和冲刷造床过程的综合结果，使库区横断面形态变化表现出“死滩活槽”的规律，即滩地单向淤积，滩面逐年抬高，而主槽则是冲淤交替，在运用方式合理的前提下，被淤废的主槽可以复活。恢复一部分槽库容，从而延长了水库的使用寿命水库淤积物的组成水库悬移质淤积物组成的基本特点是：淤积物中值粒径自上而下沿程细化，但这种细化过程并不是逐渐完成的，而是集中在两个主要区段第一个细化区约出现在从回水末端至坝身之间60%~80%相对里程处，在该区中值粒径明显细化第二个细化区，对某些水库已不复存在，有些水库虽依然存在，但细化幅度很小水库淤沙粒径在平面上的分布特点，一般是主槽较粗，滩地较细一般都是水深处淤沙较细，水浅处淤沙较粗；静水处淤沙较细，动水处淤沙较粗；淤沙厚的部位粒径较细，反之较组水库淤积的上延现象当水流进入水库变动回水区后，内于水流条件的变化，水深增大，流速骤减，使泥沙集中在变动回水区末端落淤，而淤积的结果又反作用于水流结构，使回水区水面曲线在淤积区及其上、下游一定范围内普遍抬高，为泥沙继续在变动回水区淤积并向上、下游发展提供了条件。这种淤积自变动回水区末端(通常指正常苦水位的回水末端)向上游发展的现象，称为水库“翘尾巴”现象水库淤积估算水库泥沙的防治积几十年解决水库淤积问题的实践经验，不外“拦“(上游拦截，就地处理)、“排”(水库排沙．保持库容)、“清”(清除淤沙，恢复库容)等三种基本途径水库泥沙的拦截与合理利用拦泥库或拦沙堰子母水库旁引水库水力排沙水力排沙包括将进入水库的泥沙尽可能多地排走和将前期淤积的泥沙尽可能多地冲走两方面清淤技术机械清淤水库横向冲蚀技术横向冲蚀是依靠重力侵蚀及水力冲刷作用，对水库中的滩地淤积进行破离和输移的一种清淤新技术低水头枢纽的泥沙问题低水头枢纽又称径流式枢纽，即水库正常运用水位较低，汛期为了排泄泥沙，降低水位运用，以减少水库淤积量船闸引航道的泥沙问题低水头综合运用水利枢纽，往往设有通航建筑物(如船闸、升船机或滑道等)，以满足航运之需要。在通航建筑物的上、下游，通过引航道与枢纽上、下游航道衔接引航道的泥沙淤积现象水利枢纽下游的泥沙问题发生两种不同类型的冲刷枢纽下游较长河段上普遍发生的一般冲刷枢纽下游附近较短河段内发生的局部冲刷前者的冲刷距离往往长达数十千米至数百千米，后者的冲刷距离仅数十米至数百米，但其冲刷深度较前者大很多下游河床的一般冲刷现象河床自上而下普遍冲刷在枢纽下泄清水的条件下，下游河床将发生自上而下的普遍冲刷；当水库淤满后下泄浑水时，将发生自上而下的普遍回淤。这是枢纽下游河床演变的普遍现象枢纽下游河道的一般冲刷是自上而下逐渐发展的，距坝愈近冲刷强度愈大，反之愈小坝下游河床一般冲刷的距离和速度与枢纽下泄流量的大小及下游河床组成有关下泄流量大，冲刷能力强，冲刷距离长；卵石夹沙河床，其冲刷发展十分迅速；细沙组成的河床，其开始阶段的冲刷过程也十分迅速．以后逐渐变慢，直至达到起动平衡为止含沙量显著降低水库蓄水后，下游河道的含沙量明显降低造成合沙量显著变小的原因，除枢纽因蓄水使出库含沙量显著减小外，还与下游河道的沿途补给条件和水流挟沙力的变化有关河床显著粗化枢纽下游河道的冲刷，将引起河床的粗化。河床粗化过程因原河床组成的不同而不同，河床为卵石夹沙时，粗化过程非常迅速河床为细沙组成时，其粗化是在冲刷过程中因悬沙和床沙的交换而完成的。因此，粗化发展没那么迅速，但河床逐年变粗的趋势仍很明显断面形态及纵比降的调整就断面形态而言，视河床组成的不同，冲刷发展过程存在着下切、展宽、下切与展宽同时进行等三种情况在河道断面形态调整的同时，纵比降也相应进行调整。在一般情况下，只要河床为可冲刷的沙质组成，其纵比降将逐渐变缓，这是因为冲刷是自上而下发展的，且上游冲得深，下游冲得浅的缘故。只有当下游河段的河床表层为沙层，而底层为比降较陡的卵石层时，才可能出现相反的情况河型转化通常比较稳定的蜿蜒型河段和分汊型河段将会变得更加稳定；游荡型河段则有可能转化为其它比较稳定的河型河道上修建大型水利枢纽之后，长期下泄清水改变了下游河道的来水来沙过程，导致河床断面形态、河床纵比降及河床组成重新调整，为下游河道发生河型转化提供了契机一般说来，修建水利枢纽后水沙条件的变化是有利于下游河道朝着较稳定的方向发展的。流量过程的调平和比降的减缓，将使河道的输沙强度减弱，枢纽下泄沙量的减少，将使下游河道由堆积抬高转化为侵蚀下切；滩槽高差的加大和床沙的粗化，将增强河床的抗冲能力，这些都是有利于削弱河床演变强度的水库的运用方式不仅是决定水库淤积量和淤积形态的关键因素，同时也是决定下游河道变形强度和演变趋势的关键因素，是构成水利枢纽库区冲淤和下游河道冲淤的话矛盾中的主要矛盾，在分析水利枢纽上、下游河床演变时，应给予足够的重视引水工程中的泥沙问题无坝取水工程的取水防沙问题取水口位置的选择在规划设计阶段，必须认真分析取水口所在河段的河床演变、泥沙运动及其对取水口的影响对顺直微弯河段，应着重分析边滩移动规律，防止移动的边滩将主流挑离取水口，甚至淤塞取水口对分汊河段，应着重分析各汉演变趋势，以免由于汊道的衰亡而使取水口淤废对蜿蜒型河段，应仔细分析凹、凸岸冲极强度及裁弯的可能性、以确保取水工程安全运行对变形强烈的游荡型河段，应尽可能使取水口靠近节点据河床演变规律及环流理论，无坝取水口的位置最好选择在弯道凹岸顶点的下游，距弯道起点4~5倍河宽处这一部位水流集中，水深较大，在环流作用下，含沙量较低的表层水流引向取水口，含沙量较高的底流则流向取水口对意图。只要在取水口上、下游实施护岸工程，防止弯顶崩退下移，可确保取水工程安全稳定试验表明，弯道取水口位置不仅与河宽有关，与河道几何轴线的曲率半径R也有关，取水口至弯道起点距离L可按下式计算式中，k为比例系数．当k＝0.8~1.0时，相当于凹岸最大水深和最大单宽流量所在之处，引水条件最佳调整和稳定取水口附近的河道在实际工程中，有时不一定有合适的弯道可以利用，要造成在凹岸引水的条件，须采用系列整治工程将河段整治为人工弯道，形成有利于取水防沙的河势从投资角度考虑，可以进行局部改造。其问题是不能从根本上改变河道对取水的不利影响渠首建筑物的布置在非通航的中小河流上，为保证设计引水量，往往采取如右图的布置形式这类渠首建筑物主要包括进水闸、泄水闸和引水坝三部分引水坝的作用是收缩水流，拾高闸前水位，导水入渠泄水闸的作用是排走进入引水槽的多余水量，保护渠首建筑物的安全，另外还可将沉积在进水闸前的泥沙排往下游河道进水闸的作用是控制入渠流量，保护引水渠系的安全防淤措施当渠道自河流侧面取水时，由于横向环流的作用，含沙量较高的底层水流比含沙量较低的表层水流能更多地进入取水口另一方面，河道中表层水的流速远大于底层水流速，即表层水流具有更大的惯性随河道主流向下游流动，要使动量较大的表层水流改变方向进入取水口，远比动量较小的底层水流困难，因而底层水流比表层水流更易于进入取水口为防止或减少取水口泥沙淤积，可采取下述工程措施导沙坎导沙坎又称为拦沙潜堰．设置在引水渠道口门附近，其作用类似于水电站进水口前的导沙坎。资料表明，导沙坎防推移质的作用比较显著，但防悬移质的效果不甚理想，特别是对含沙量高、含沙量沿垂线分布特别均匀的多沙河流效果甚差，这种河流河床冲淤幅度大、变化快，导沙坎常常很快被泥沙淤平而失去作用导流屏利用导流屏制造人工环流，以增加表层引水灾度、减小底层引水宽度的做法，可有效地减少入渠沙量其构造复杂，成本高，运用管理不便，在生产实践中未得到广泛运用为防止或减少取水口泥沙淤积，可采取下述工程措施水力拉沙为避免引水渠淤堵，在关闸停引期间要密切注意引渠的淤积发展情况，当淤积到一定程度时应及时开闸放水，冲刷淤沙有坝取水工程的取水防沙问题侧面取水这类取水工程主要由溢流坝、沉沙塘、冲沙闸及进水闸组成其布置特点是在迎流面布置壅水和冲沙设施，而将引水闸布置在河道的侧面据有坝取水工程运用经验和模型试验，取水口前缘与坝线之间的夹角可取为105度~110度。引水时水流经过沉沙塘后再进入引水闸，多余的水则通过溢流坝泄入河道下游。当泥沙淤积超过允许限度时，停止引水，开启冲沙闸冲沙侧面取水存在以下主要缺点：由于进水闸布置在河流侧面，当开闸引水时，水流急转弯形成横向环流及其它复杂的局部环流，大部分泥沙并不按设计意图淤积在沉沙塘内由于进水闸与冲沙闸正交，当两者同时开启时，水流紊乱，容易招致泥沙入渠。因此，必须经常停水冲沙，严重影响正常供水正面取水正面取水的设计思路主要是利用弯道(自然的或人工的)，将进水闸设置在弯道凹岸迎流处，使冲沙闸与水流方向斜交，形成正面取水、侧面排沙的格局。由于这类取水工程主要是利用环流，故又称弯道取水工程工程实践表明，正面取水工程对减少推移质入渠效果显著底栏栅取水底栏栅取水工程多用于坡陡流急，河床为卵石、砾石组成，推移质输移量较大的中小山区性河流图示新疆头屯阿上的底栏栅取水工程，主要由栏栅堰、引水廊道、泄洪冲沙闸、溢洪侧堰及进水闸组成水流通过栏栅堰堰顶，在释放较粗颗粒的推移质泥沙后，向下进入引水廊道这类取水工程的主要优点是：结构简单，投资省，运行管理方便，能有效地排除粗颗粒泥沙，但比栏栅缝隙小的泥沙仍会大量进入引水渠，且栏栅极易被淤塞而影响正常取水入渠泥沙的防冶从大江大河中引水灌溉，终究会有一部分泥沙进入渠道，若不采取有效措施，泥沙会在渠道内大量落淤，降低渠道的输水输沙能力。解决入渠泥沙问