利用水力冲刷降低沙坎高度的方法

利用水力冲刷来削减沙坎高度是最简单易行的方法。但冲刷时必须降低水位，在电站与水库的管理中是一件大事。必须了解冲刷的效果与相应的发生条件，否则会造成水量与电能的重大损失。为取得这方面的经验，1981年汛前刘家峡水库举行了现场冲沙试验，收到了降低沙坎高度的效果。由于是首次试验，又遇到一些偶然情况，耗水量多了一些，不过这些问题今后都是可以避免和改进的。

1.1981年冲刷试验概况

自6月25日至7月3日，在遭遇到黄河来的一次小洪水的情况下，进行了不停电的冲刷试验。图10点绘了这次试验的水位、流量、输沙率以及各泄水建筑物启闭的过程。

图10　刘家峡水库冲刷试验综合过程

冲刷历时9d，共冲刷淤积物364.6万t，总出库水量（包括发电用水）16.57亿m3。前5d内，出库水量占64%，冲刷量占76.6%。后4d内虽然水位略低，但流量减小得多，冲刷能力不如前阶段，单位水量所得到的冲刷量仅为前5d的一半左右。

在全部冲刷量中，沙坎上的冲刷占106万m3，平均冲深4m（图11），消除了调峰时坝前水位急降的现象。以淤积物干容重1.3t/m3计算，沙坎上的冲刷量为137.8万t，约占整个洮河至坝前沙坎冲刷区总量之37.8%，大部分冲刷发生在洮河库区。

2.冲刷流量与冲刷水深

前面提到，举行冲刷必须了解冲刷发生的条件与效果。选取适当的流量和冲刷水位是生产上所关心的问题。对于刘家峡水库以削减沙坎高度为目的的冲刷，应了解冲刷流量与所能形成的冲刷水深的关系。

刘家峡水库坝前峡谷狭窄，两岸陡峭。冲刷试验资料表明，大流量冲刷下可使全断面宽度上都发生冲深，峡谷内的水流比较接近于二维性质。在二元的水槽中，水流的底部流速与垂线平均流速之间有比较明确的关系。而冲刷时泥沙的起动与底部流速相关，因而存在一个以垂线平均流速计算的泥沙起动流速v0。假定实际河槽中，由于各种原因，平均流速v=av0时，河底泥沙可被冲刷，其中a为某个系数。设以两个不同的流量来冲刷沙坎：第一个流量为Q1，相应的水深为h1，流速为v1；第二个流量为Q2，水深为h2，流速为v2。若这两个流量下都能使底部的泥沙冲刷起动，则两个平均流速之间应存在如下关系

图11　1981年冲刷试验前后刘家峡水库坝前沙坎纵剖面

式中：v01、v02为对应h1、h2之下的起动流速。引用窦国仁的起动流速公式［2］

式中：γs、γ分别为泥沙颗粒容重及水容重；d为泥沙颗粒直径；h、ha分别为水深及大气压水柱高；δ为水分子厚度。

对于刘家峡坝前沙坎上的淤积物（d50＜0.02mm），式（6）右边的第一项可忽略。此外，两次冲刷对象为同一种泥沙，即d不变。δ为常数。于是，式（6）代入式（5）可得到(www.xing528.com)

取平均流速

由于冲刷时水位变化只有5～6m，在刘家峡峡谷内水面宽度B的变化很有限，为简便起见取B1≈B2。将式（8）、式（9）代入式（7），经整理可得

其中H=h2/h1，R=Q2/Q1，β=h1/ha。由式（10）可以看出，如果通过流量为Q1的试验，得到冲刷水深为h1，则另一次流量为Q2的冲刷深度h2可由该公式求得。表2是冲沙试验期间的几次实测结果。

表2　冲刷流量与冲刷水深实测结果

图12就是取Q1=2700m3/s，h1=8.0m，按式（10）求得的冲刷流量与冲刷水深的关系曲线。

3.水力冲刷的必要性与冲刷时机的合理选择

（1）水力冲刷的必要性。对比图9与图12可知，要维持电站的效能，在沙坎伸长到一定限度之后必须利用水力冲刷。图12表明，基荷流量（约500m3/s）仅能形成2.1m的水深。电站每天都有一定的时间担任峰荷，因历时很短水深不可能发展到峰荷流量下的最终深度。故实际上沙坎上的水深应界于基荷流量的水深与峰荷流量的水深之间。假定沙坎上的实际水深由这两个流量的平均值（约800m3/s）由图12求得，则沙坎上的水深可自动保持在3.2m左右。这一水深可满足峰荷为55万kW、沙坎长度为2km的安全需要（图9）。沙坎伸长超过2km后，就有必要利用水力冲刷来维持电站上述的调峰能力。

（2）冲刷时机的选择。图9与图12可用于选择合理的冲刷时机，并决定冲刷水位和流量。

首先是决定要否举行冲刷。由图9可判断，如果当时的沙坎高度尚不足引起破坏调峰，冲刷便无需进行；其次，由图12可决定冲刷的水位与流量。例如，预定将沙坎高程削减到1690m，若冲刷流量为1500m3/s，则查图12可知，冲刷水位必须控制在1695m以下，因为该流量的冲刷水深为5m。其余类推。

图12　冲刷流量与冲刷水深关系

利用汛期弃水来冲沙是最经济合理的。1981年的冲刷试验资料表明，高水位大流量也能削减沙坎的高度。图12同样可用于判断弃水是否有助于当时沙坎的冲刷。在丰水年汛后回蓄有保障的情况下，应尽量压低弃水的水位，使弃水也能起到削减沙坎淤积的作用。

利用图12还可帮助及时调整冲刷过程中水位和流量的相互关系，特别是在流量变小之后，必须了解后来的小流量是否有效。从图12可看出，如果冲刷流量减少500m3/s，则冲刷水位必须相应降低1.2m才能使沙坎冲低到相同水平。倘若在大流量充分冲刷之后，改用小流量再冲，而水位又不能充分降够，则后来的冲刷效果很差，甚至不起作用。1981年6月30日以后的冲刷即属于此种情形，根据图12今后可避免发生这种情形。