枢纽上游泥沙处理对下游河道的影响

三盛公枢纽设计中决定暂不修建沉沙池。灌溉季节壅高上游水位，以保证入渠流量和减少泥沙入渠。在灌溉停水期间开启拦河闸，冲刷枢纽上游淤积泥沙。

（一）枢纽壅水沉沙效果

三盛公枢纽投入运用后，后套灌区引水量较无坝引水时期增加31%，灌区进沙量及平均含沙量分别相当无坝引水时期的48.6%及37%。枢纽运用初期（1961～1962年）壅水段淤积较多。1963年壅水段主槽未继续淤积，全断面淤积量较1961～1962年也有显著减少。输水总干渠因施工开挖断面不足，初期（1961～1962年）普遍冲深展宽，至1963年已接近趋向于稳定，总干以下渠道的淤积量亦大为减少。所以探讨枢纽上游壅水沉沙的作用以分析1963年的资料，较为接近枢纽当前的实际情况。

在三盛公枢纽工程设计中〔2〕，对沉沙处理采用特征资料如下：

设计来沙量7.58kg/m3，泥沙组成采用5年一遇的8月份来沙。沉沙百分率为30%，使粒径大于0.02mm泥沙发生沉积。在此顺便指出，原设计文件中因引用泥沙沉速值不够确切，所以选用的沉沙池规模难以对0.02mm泥沙得到预期的沉淀效果。

根据黄河下游引黄灌区调查研究资料，一般从灌区农田需要及减少渠道淤积出发，要求防止粒径大于0.03mm泥沙大量入渠。依此将1963年壅水运用下进库及引水总干渠同期相应之悬移质含沙量及其组成的变化统计见表7。

表7　枢纽壅水运用同时期进库总干含沙量及组成变化

由表7可以看出，当来水流量在2000 m3/s以下时，枢纽壅水运用沉沙效果显著。以1963年7月16日为例：进库流量1980 m3/s，含沙量8.22kg/m3，闸上300m水位壅高至1053.89m，相应总干引水流量146m3/s，含沙量降低至3.92 kg/m3；泥沙平均粒径由进库的0.0266mm，减小为0.0117mm，大于0.03mm的泥沙含量由进库的22.8%（1.87kg/m3）降低为10%（0.39kg/m3）。颗粒级配变化情况如图10所示。而流量大于2500 m3/s时，则在枢纽前保持正常的壅水位时，因流量加大流速提高，入渠含沙量及粗粒泥沙含量较入库站均无显著降低。至于宣泄大洪水时，虽因拦河闸卡水作用增大，闸前含沙量有所降低，但因此时泥沙含量绝对值大大超出正常壅水期的含沙量不宜开闸引水。

图10　三盛公枢纽壅水运用同时期进库、总干悬沙级配曲线

枢纽壅水后所以能起沉积泥沙的作用，由于壅水段水深加大，比降减缓，挟沙能力降低所致。根据1964年壅水期沿程主流一线水力泥沙因子测验资料，及1962年泄水冲刷沿程水位稳定后的测验资料，可以明显看出壅水对降低水流挟沙能力的作用。实测资料表明不同壅水位下的挟沙能力符合以下经验关系（参见图11）：

式中：ζ为含沙量，kg/m3；V为平均流速，m/s；H为闸上水深，m，其变化情况如表8。

从上列资料可以看出，随着壅水值的增大，挟沙能力降低。目前测验资料甚少，如继续观测累积资料，可望求得壅水段挟沙能力变化的规律性，据以推算枢纽壅水段的含沙量变化。

三盛公枢纽建成后，总干渠历年引水历时，和同时期枢纽上游河道来水流量小于2000m3/s及大于2500m3/s时的天数，见表9。

图11　不同壅水位下壅水段水流挟沙能力关系

表8　壅水值与挟沙能力的变化情况

注　ΔH为拦河闸壅水值，m。

表9　总干渠历年来水流量情况

由引水历时统计资料看出，枢纽运用后，其壅水期有效的沉沙引水历时可达60%以上（不包括河道中产生较大沙峰时的特殊情况，一般中水期出现大沙峰的历时不长）。说明枢纽壅水段当前还具有良好沉沙效果。所以如何合理运用枢纽，减少上游泥沙淤积，使枢纽保持相当的壅水沉沙容积，是减轻灌区渠道淤积的重要措施。这样就有可能在三盛公枢纽不再另建沉沙池，而通过枢纽拦河闸的运用起到引水防沙的作用。

（二）枢纽上游泄水冲刷与泄流冲刷

枢纽壅水运用时，上游挟沙能力降低，在壅水回水范围内发生泥沙淤积。上游壅水河段淤满后，枢纽上游将不再能起到沉积泥沙的作用，入渠泥沙增加，加重渠道淤积。因此，保持三盛公枢纽上游壅水沉沙效能，在节约工程投资及减少灌区清淤负担上都有重大的价值。再则三盛公枢纽位于后套平原上首，有包兰铁路通过又紧临巴彦高勒，枢纽上游淤积后，河床抬高，同水位下河道泄洪能力降低，将加重库区围堤的防洪负担。

三盛公枢纽运用中证明，在冬季停灌自由泄流，汛期泄流，以及壅水灌溉时期降低枢纽上游水位泄水都可以引起上游河床淤积泥沙的冲刷。枢纽运用以来，特别是1963年及1964年由于枢纽上游进行冲刷，大大减少了泥沙淤积量，保持主槽部分未再继续淤积。所以，对三盛公枢纽研究其上游冲刷的特点及其规律性，是很有现实意义的。由于冬季停灌自由泄流冲刷时流量小，河床调整缓慢且测验资料少，以下着重就枢纽泄水及泄流冲刷的效果及其影响因素进行分析。

1962年至1964年7月计有4次泄水及泄流冲刷资料，其来水来沙特征及冲刷数量如表10，前期淤积分布及冲刷影响范围如表11。

表10　冲刷测验特征

注“+”表示淤积，“-”表示冲刷。

表11　前期淤积分布及冲刷分布和范围

泄水冲刷或泄空冲刷，通常系指泄空蓄水量期间，开启闸门后闸前水位降低，比降变陡，出流量加大，引起水流流速骤然增大，而造成闸上库区淤积泥沙的冲刷；至上游蓄水泄尽，出流量等于来流量时，则认为泄空冲刷阶段结束。泄流冲刷之特点则为枢纽上游来流及过闸出流量并无差别，闸前水位也没有降落，而来水流经枢纽前期壅水淤积段时，调整河床比降及断面形态，冲刷壅水段淤积泥沙。

从图12、图13所附三盛公枢纽冲刷测验资料可以看出各次冲刷资料都包括这两种冲刷过程。

图12　1962年9月4～10日泄水冲刷综合过程图

图13　1963年7月25日～8月1日泄洪冲刷综合过程图

为判明泄水与泄流的冲刷效果，我们在表12中比较了1962年、1963年两次测验资料。

表12　不同冲刷阶段冲刷强度及冲刷量

从所得结果显而易见，在三盛公低水头引水枢纽情况下，泄水冲刷阶段，冲刷量远小于泄流冲刷阶段冲刷量。在两次冲刷资料中泄水冲刷量的比重约在11.6%～30.8%，但泄水冲刷之强度则大于泄流阶段之冲刷强度。

为便于分析影响冲刷的主要因素，我们对冲刷过程中壅水段水流、泥沙因素的变化整理分析如下。

1.闸前水位降落，水面线及比降变化

为了拦河闸的安全，开闸泄水时，按管理办法规定闸门应逐次缓慢开启，1962～1964年四次冲刷开始启闸到闸门全开，历时平均为4～15h，开闸后水面下降缓慢。以1962年9月冲刷为例：闸上0+300处，自9月4日9时开闸后水位连续下降，至9月4日24时水位稳定时，水位平均下降速率为0.17m/h，折合每分钟下降0.28cm；最大下降速率1cm/min。水面线变化情况如图12。开闸前9月4日8时水面比降为0.7‱，至4日24时闸前水位逐渐趋于稳定，水位下降过程中比降逐渐加大，而闸前水位趋于稳定时，比降达1.72‱；此后至9月10日关闸壅水前，沿程水面接近平行下降，比降由稳定后的1.72‱调整至1.78‱。

2.含沙量的变化及流量的影响(www.xing528.com)

冲刷测验资料表明，当来水流量变幅不大时，闸门开启后闸孔泄流含沙量立即迅速增长，一般在闸前水位连续降落至最低（达到稳定）前，含沙量已接近冲刷阶段的最大含沙量。当冲刷进入泄流冲刷后含沙量即逐渐随着冲刷历时的延长，而含沙量即逐渐降低。这以1962年冲刷资料较为明显，见图12。

进出库含沙量的比值变化：来水含沙量较低时，闸孔泄流含沙量增值比较大，来水含沙量高，闸孔出流含沙量增值较低，变化情况如表10。

三盛公枢纽上下游河段在天然泄流情况下其输沙率为随流量增大而增加，枢纽修建后的资料表明，当河流受枢纽卡水影响较小时，随着流量的增大，泄流冲刷含沙量也逐渐提高，如表10，但当枢纽宣泄较大洪水。（譬如超过4000m3/s以上）时，卡水影响作用显著（卡水值约1.21m），则泄出水流的含沙量已难再予增高。1964年枢纽泄洪平均流量在4000m3/s以上，河段测验结果即发生淤积。

3.前期淤积的影响及冲刷前后河床比降的调整变化

前已指明泄流冲刷在进、出库流量差别不大时，水流沿程所以尚能发生冲刷，增大挟沙量，同河床前期淤积密切有关。前期淤积主要反映为河床比降变缓与河道淤积前水流固有的比降不相适应，水流即冲刷河床的淤积泥沙调整河床比降，随着河床比降的逐渐调整，冲刷泥沙减少，含沙量逐渐降低。这是对照图12中的1962年水面线水面比降、河床比降变化及对应之闸孔含沙量增高、升降过程，可以得到明晰的印象。

1962年、1963年两次冲刷测验，水面及河床比降变化情况如表13。

表13　1962年和1963年两次冲刷测验的水面及河床比降变化情况

另外，从表12前期淤积同冲刷量的对应关系，也证明了前期淤积量较多的河段，泄流冲刷量也较大。

通过以上影响冲刷因素的分析，进一步试而探讨影响冲刷量的主要因素。泄水及泄流冲刷泥沙数量，可以用以下关系表示：

式中：W为冲刷量；Q进、ζ进为进库来流量和含沙量；Q出、ζ出为闸孔出库流量和含沙量。

如果泄流冲刷时，进出库流量相差不大，泄水冲刷时也取一平均流量代表时，则上式简化为

可以看出，冲刷量主要受流量，进、出库含沙量差值及冲刷历时的影响，由此可以看出：在泄水冲刷阶段虽然流量Q有所加大，进出库含沙量差值也较高，但由于低水头枢纽中泄水冲刷历时很短，所以冲刷总量为量不大。泄流冲刷阶段则由于冲刷历时久，在同样来流量下，虽然进出库流量及含沙量差值可能较泄水阶段为小，但其冲刷总量仍然可以较大。至于淤积前后河床比降的差值主要反映在对流速及水深的影响，在泥沙组成不变的情况下，流速与水深又为挟沙能力表达式之主要参数，挟沙能力之变化则影响式中（ζ出-ζ进）含沙量之差值一项。

通过以上分析，我们对三盛公引水枢纽上游的泄水及泄流冲刷问题，取得以下认识：

（1）利用枢纽泄流冲刷枢纽上游淤积泥沙，是保持枢纽具有一定的壅水沉沙效能、及减少库区淤积、有利于枢纽上游防洪的最有效措施。在管理运用中应掌握时机适时进行。

（2）泄水冲刷阶段冲刷泥沙总量较少，泄流冲刷阶段占整个冲刷总量的69.2%～88.4%。因此，在冲刷前关闸施行抬高上游水位，难以期望会对冲洗壅水段淤积泥沙起到重要作用。如1962年9月一次因附加壅水增加滩地淤积则更属不利。

（3）由测验资料及上述分析证明：流量为影响冲刷总量的重要因素。据已有资料，在流量大于1000m3/s时进行冲刷已有显著效果。就冲刷总沙量而论，在三盛公枢纽选择2500～3000m3/s流量进行泄流冲刷，可望得到最好的冲刷效果。3500m3/s左右流量仍然可望在库区发生冲刷。流量超过4000m3/s时，则不能在库区造成泥沙冲刷。但4000m3/s以上洪水仍应开闸泄洪，排泄沙峰及减少库区淤积。

（4）在灌溉壅水期冲洗淤积泥沙时，如需节约泄水量，冲刷历时可以选择3～4d，在此期间内冲刷效果较高。

（5）泄流冲刷主要冲刷主槽淤积泥沙，滩地除发生坍塌外不能减少淤积，也就是说不能降低淤积滩面。泄流冲刷的影响范围小于回水淤积的影响范围，已有资料说明冲刷范围约在18km左右。

（6）目前三盛公枢纽仅利用因灌溉停水空隙进行泄流冲刷，今后壅水灌溉期间枢纽的适宜冲洗周期，应该结合枢纽及灌区渠系减少淤积的要求及保证灌溉效益的情况来全面权衡，继续注意探求。

（三）枢纽运用后下游河道的冲刷

多沙河流上修建低水头引水枢纽后，初期由于壅水，上游发生淤积；而枢纽下游由于下泄水流含沙量降低，下游河床发生冲刷。当枢纽运用一定时期后，上游淤积增加，枢纽壅水沉沙作用降低，由于引水渠的引水防沙，泄往枢纽下游的泥沙加多，此时枢纽下游河床转为逐渐淤积抬高。

三盛公枢纽运用后下游河道变化情况，尚未进行过研究，测验资料也少，仅在枢纽拦河闸下800m处观测水位。再往下游则在距拦河闸14km处有渡口堂水文站资料可以利用。

为了解三盛公枢纽下游河段建闸前冲淤变化情况，首先点绘了渡口堂1951～1960年实测水位—流量关系。从中查得逐级流量历年水位差值变幅如下：

上述资料说明渡口堂站历年冲淤变化幅度不大，平均约为0.45m。

为探讨三盛公枢纽修建后，下游河床冲刷发展情况，进而分析对比闸下800m及渡口堂站枢纽修建前后1959～1964年的水位—流量关系曲线的变化情况。

闸下800m断面位于新开挖的河槽上，自1961年5月经拦河闸泄流后，断面随即发生冲刷，经过与模型试验所附拦河闸下游水位—流量关系曲线（简称为设计水位—流量关系）相比较（见图14），得到1961～1964年各年不同流量的水位下降最大值如表14。

图14　磴口及拦河闸下历年的水位与流量关系图

（a）磴口水位流量关系（1962年5月～1964年7月）；（b）拦河闸下历年（1961年5月～1964年7月）水位流量关系

表14　1961～1964年各年不同流量的水位下降最大值表

由表14可知：1961年河床下降速率最大，1963年继续冲刷下降。

枢纽修建后下游河床普遍冲刷的影响范围，如粗略按三盛公至渡口堂河段枯水期河床比降变化估计，则1959～1960年枢纽修建前河段河床比降为1.85‱，而1961～1964年比降在1.75‱～1.56‱之间；再结合闸下800m处，修建枢纽后的河床下降值来考虑，普遍冲刷影响所及范围已到渡口堂以下。

渡口堂建闸前后水位—流量关系变化情况列于图15，各级流量下逐年水位下降值如表15。

图15　1959～1964年黄河渡口堂流量站水位流量关系图

表15　各级流量下逐年水位下降值

注　“+”表示水位升高。

由闸下及渡口堂实测资料对三盛公枢纽下游河床的普遍冲刷有以下的认识：

（1）三盛公枢纽修建于河床淤积期（1959～1960年）以后，运用初期，下游河床很快下降，水位降低。

（2）枢纽运用后第一年（1961年）拦河闸下游河床即迅速冲刷下降，影响已到渡口堂以下，冲刷逐渐向下游传递。渡口堂河床下降速率在第二年（1962年）大于1961年。

（3）枢纽下游河床的普遍冲刷下降，将直接引起闸下水位降低，会影响到水跃的发生条件及闸下泄流的充分消能问题，对枢纽安全直接有关。1963年各级流量下的闸下水位最大下降值多已略超过设计采用的数值〔2〕（在设计文件中考虑了由于下游河道普遍冲刷，闸下水位下降1m）。加以闸下水位下降与渡口堂水位下降可能相互影响，下游河床仍有可能继续冲刷下降，在管理运用中应予以注意，以策安全。