建议与试验：洮河口排沙洞增建方案与成果

1.增建洮河口排沙洞的建议

据1981年低水位拉沙时现场观察，洮河入库异重流到达干流对岸。又据河势和历次库区地形测量资料分析，在洮河口对岸约有300m长的深泓线沿水库左岸延伸，如图3虚线所示。这些现象启发我们建议在洮河口对岸设置一个排沙洞通向坝址下游，用以解决洮河入库泥沙直抵坝前、大量泥沙通过水轮机组、加剧磨蚀作用的矛盾。

为了有利于排泄水库异重流，兼顾进水口弧形闸门的工作条件及岩塞爆破施工等，洞口可考虑设在高程1660～1665m附近。排沙洞泄流规模500～1000m3/s，洞身为明流，用高抗磨能力的混凝土衬砌。

洮河口排沙洞主要用于排泄入库的洮河异重流，必要时也可用于低水位拉沙，为刘家峡水库优化运行创造条件。这个排沙洞的功能可概括为：

（1）在远离大坝处截排洮河异重流泥沙，以大幅度地减少过机泥沙。

（2）减少排沙耗水量。

（3）必要时用于低水位拉沙，恢复部分沉沙库容。

（4）结合机械清淤等辅助措施，扩大洞口漏斗范围，控制洮河口沙坎高程的增长等。

2.排沙洞模型试验初步成果

为研究洮河口排沙洞的作用，水利水电科学研究院泥沙研究所自1986年起进行了初步的模型试验研究。模型试验的目的在于：了解电站正常引水发电情况下，洮河异重流进入黄河干流后的运动状况；观察不同运用水位及不同来流量的组合下异重流能否稳定地穿过黄河干流，进入左岸排沙洞；并研究排沙洞的排沙效能。

（1）模型设计。模型为正态，按重力相似准则设计，几何比尺为1∶120。采用模型和原体的浑水容重γ'相等的办法，来保证浑水异重流发生条件相似及满足重力相似，即使浑水容重比尺λγ'=1。当采用天然沙为模型沙时，满足λy'=1的条件是原体和模型的含沙量相同。在模型中，按泥沙沉降相似条件，要求泥沙沉速比尺λω等于流速比尺λv。对于细泥沙，满足沉速相似的泥沙粒径比尺λd为

当采用天然沙为模型沙时，λγ-γ=1，故计算泥沙粒径比尺为

洮河异重流泥沙的组成尚缺乏确切资料，文献［2］对其淤积物作了取样分析，d50变化于0.008～0.023mm之间。我们取其平均值作为异重流泥沙的中值粒径，即原体的d50=0.016mm。取珠窝水库坝前淤泥作为模型沙，该处淤泥为官厅水库异重流排出物，又经珠窝水库再次分选。模型沙的d50=0.0046mm，故实际泥沙粒径比尺为λd=0.016/0.0046=3.48，与计算的λd=3.31很接近，可以认为，所选用的模型沙基本上满足了泥沙沉降相似的要求。(www.xing528.com)

（2）排沙洞布置与试验条件。试验排沙洞进口布置在洮河口对面黄河左岸（见图3）。

洞口高程1660m和1665m，低于淤积面30～25m，洞口尺寸暂试用8m×12m。洞前冲刷漏斗边坡比较了1∶1、1∶2和1∶3三种边坡。试验中各有关参数范围如下：

图3　洮河口淤积地形

黄河干流通过清水流量，按4台机组发电的引用流量1000m3/s施放，其下再定500m3/s一级。洮河入库浑水流量，分成200m3/s、500m3/s与1000m3/s三组。其中200m3/s的流量为洮河每年都有发生的洪水流量，而500m3/s和1000m3/s则分别为2年一遇和3年一遇的洪水流量。

排沙洞流量按与洮河入库浑水流量相等来考虑。

库水位选取了汛期限制水位1720m及其上下的1730m、1705m、1710m等四种情况。

实测洮河含沙量可达300～400kg/m3。考虑到较高含沙量的异重流必然比低含沙量异重流更易于穿过黄河由排沙洞排出，故在试验中暂考虑16～91kg/m3的较低含沙量。

（3）初步试验成果。对比模型异重流和刘家峡水库洮河异重流观测资料（见图4）可以认为，模型异重流的生成条件和原体是相似的。

试验结果表明：在刘家峡水电站正常引水发电，即黄河干流通过发电流量的情况下，洮河来沙以异重流方式进入干流后，能在底部穿过黄河干流，到达对岸，进入排沙洞排出；而且覆盖在洞口前沿冲刷漏斗上的异重流流态平顺、稳定，排沙洞的排沙效率相当高。例如，当库水位1730m，黄河及洮河流量均为1000m3/s，漏斗边坡为1∶1时，排沙洞的排沙比为54%。当库水位1705m，黄河来流量500m3/s；洮河来流量200m3/s；漏斗边坡为1∶3时，排沙洞的排沙比可为94%。从居中的平均情况来看，当排沙漏斗边坡为1∶2，黄河及洮河来流量均为500m3/s，在1705m、1710m、1720m、1730m各种水库水位下排沙洞的排沙比变化于62%～76%之间，平均为69%。

图4　洮河异重流生成条件

试验初步成果表明，对排沙比影响比较明显的是水库水位、排沙洞流量与洞前漏斗的规模等。一般在大流量、高库水位、小漏斗时，排沙比较小；反之则较大。