《水库泥沙论》word版.docx

摘要：由于我国有许多河流是含沙量高、输沙量大的多泥沙河流, 水库泥沙淤积问题异常严重，所以水库泥沙淤积的研究具有重要的现实意义。前人对水库泥沙淤积问题做了大量研究探讨，本文对我国水库泥沙淤积研究的状况和成果进行了全面的综述。内容包括：水库泥沙淤积的形态、入库水沙条件变化引起的问题、水库变动回水区泥沙问题研究等方面，并举例国内著名的小浪底水利枢纽工程作为案例分析。关键词：水库；泥沙；淤积问题；处理方法；小浪底工程一引言水库泥沙淤积主要是河水挟带的泥沙在水库回水末端至拦河建筑物之间库区的堆积。拦河筑坝后抬高了水位, 形成了在建筑物前近似水平、而在上游末端与天然河流原水面线相切的水面曲线。水流进入库区后, 由于水深沿流程增加, 水面坡度和流速沿流程减小, 因而水流挟沙能力沿流程降低, 出现泥沙淤积。水库淤积是水库设计和管理中的一个难题。在河道上兴建水库会改变河流的水流条件和泥沙运动状态, 使泥沙在水库库区内淤积, 从而降低水库的使用效益, 甚至导致水库失效报废。所以, 对水库泥沙淤积问题的研究就显得尤为重要。二水库泥沙淤积的形态水库泥沙淤积形态可分为纵剖面形态和横断面形态。2.1 纵剖面形态纵剖面形态包括三角洲、锥体和带状淤积三种形态。在库水位变化幅度不大, 淤积处于自由发展情况下, 水库淤积一般呈三角洲形态；在回水曲线较短, 入库水流在通过库段时紊动强度较大, 或含沙量较高, 含沙水流在达到拦河建筑物前泥沙来不及完全沉积情况下, 水库淤积将形成锥体形态。2.2 横断面形态横断面形态在多沙河流与少沙河流的水库中有所不同。多沙河流上的水库普遍有淤积一大片, 冲刷一条带的特点。淤积一大片指泥沙在横断面上基本呈均匀分布, 库区横断面上不存在明显的滩槽。冲刷一条带指水库在有足够大的泄流能力, 并采取经常泄空的运用方式时, 库底被冲出一条深槽, 形成有滩有槽的复式横断面。在水库淤积形态方面, 我国对三角洲形态的淤积研究较早。这方面的成果有对官厅水库的三角洲的淤积形态及计算的初步研究, 三角洲的计算方法, 及根据非均匀悬移质不平衡输沙的规律首次从理论上详细论证了水库三角洲淤积的趋向性、形成特点、三角洲和前坡淤积比降、洲面线与水面线方程以及前坡长度等, 并得到了官厅水库资料的验证。此外水槽试验亦证实了沙质推移质在壅水区也是以三角洲形式向前推进的。除三角洲淤积形态外, 还有对锥体淤积形态, 从理论上给出淤积剖面近似于直线, 坝前淤积厚度与总淤积体积的近似线性关系, 带状淤积的条件, 对滞洪期锥体淤积水库的冲淤变化特征分析研究、三角洲、锥体及带状等三种淤积形态的判别方法研究等成果。三水库泥沙淤积的几种防治措施为了尽量减少水库的淤积，在规划设计和应用管理中，应布设必要的工程设施，制定合理的水库运用方式，一般采用“拦、排、用”处理泥沙的办法，减少泥沙淤积量，有效地发挥水库综合经济效益。3.1水库泥沙的拦截在水库上游采取拦沙措施，减少入库泥沙，是防止和减少水库淤积的最根本办法。水库泥沙主要来自上游流域内的地表侵蚀。黄河的泥沙主要来源于黄土高原的千沟万壑。修建于沟道中的淤地坝，从源头上拦截、封堵了泥沙向下游输送的通道，不但能够抬高侵蚀基准面，稳定沟床，制止沟岸扩张、沟底下切和沟头前进，减轻沟道侵蚀，而且能够拦蓄坡面汇入沟道的泥沙。据统计，黄土高原地区已建成大、中、小型淤地坝11万余座，淤地坝地30多万h，累计拦泥210多亿t，减少黄河年输沙量3亿t。淤地坝工程在拦截河流泥沙方面起到了很大作用。“引洪淤灌，用洪用沙“在我国流行甚久，是一种行之有效的拦截入库泥沙的方法。它把拦沙与用沙结合起来，可以变沙害为沙利。在水库上游选择有利地形，汛期把挟带大量泥沙的洪水引入低洼地区引洪放淤；清水退回河道进入水库调蓄。这样即利用汛期水沙改良土壤，扩大耕地面积，提高土地肥力，又可以大大减轻水库的淤积。3.2水库排沙减淤利用水沙运动的特性采用各种方法进行排沙，是减少水库淤积的有效方法。水库排沙的方式主要有：滞洪排沙，异重流排沙，泄空排沙，基流排沙和机械清淤排沙等。3.2.1滞洪排沙当入库洪水流量大于泄水流量时，会产生滞洪臃水。滞洪期内整个库区仍保持一定的行近流速，部分粗颗粒泥沙淤积在库中，细颗粒泥沙可被水流带至坝前排出库外，这就是滞洪排沙。滞洪排沙的效率受排沙时机、滞洪、历时、开闸时间泄量大小和洪水漫滩程度等因素的影响。一般来说，开闸及时，滞洪历时短、下泄量大、洪水不漫滩或少漫滩，则排沙效率高汛期沙量、集中，这时利用滞洪排沙往往能得到较好的排沙效果。如洗马林水库，在某次洪水来临时，利用滞洪排沙，进库含沙量为147kg/m，但出库含沙量达365 kg/m，排沙效果显著。3.2.2异重流排沙在水库蓄水期间，当入库洪水形成潜入库底向坝前运动的异重流，若能适时打开排沙孔闸门泄放，就可将一部分泥沙排走，减少水库的淤积。黑松林水库利用异重流排沙的7次观测结果显示，平均排沙效率为61.20，最高达91.40，排沙比是较高的。异重流排沙的效果与洪水流量、含沙量、泥沙粒径、泄量、库区地形、开闸时间及底孔尺寸和高程有关。入库洪水含沙量大，粒径细，泥沙就不易沉降，容易运移到坝前排出；另外库区地形平顺、比降大、回水短、泄量大、底孔高程低都能提高异重流排沙效率。3.2.3泄空排沙将水库放空，在泄空过程中回水末端逐渐向坝前移动，库区原来淤积的泥沙会因回水下移而发生冲刷；特别在水库泄空的最后阶段突然加大泄量，冲刷效果便更加显著。这种排沙方式称为泄空排沙。泄水排沙实际是沿程冲刷和溯源冲刷共同作用的结果。沿程冲刷消除回水末端的淤积，把泥沙带到坝前；溯源冲刷又将沿程冲刷带来的泥沙冲走排出库区，并逐渐向上游发展，逐步改变上游水力条件使冲刷能继续进行。实际上，泄空排沙是通过消耗一定的水量换取部分兴利库容的恢复。采用这种方式排沙要因地制宜，进行技术经济效益分析后再确定。3.2.4基流排沙水库泄空后继续开闸，让含沙量不饱和的常流量畅泄冲刷主槽，减少库区泥沙淤积，这种排沙方式称为基流排沙。基流排沙的特点是：冲沙量和水流含沙量自冲刷开始至终结由大到小，最终趋于相对稳定。基流排沙的效果取决于常流量及其含沙量的大小，流量大、含沙量小，则排沙效果好。3.2.5机械清淤在不能采取水力排沙的缺水地区和没有设置底孔的水库，可采用机械清淤的方式进行排沙。通常采用挖泥船、吸泥泵等清淤装置，清除库区淤积泥沙。这种方法适用于中小型水库和大型枢纽航道的清淤，其成本及管理费用较高。以上几种方式的排沙方法，在运用时，必须因地制宜、因时制宜，根据水库的任务、来水来沙特性、冲淤规律和库区形态特征进行合理的应用。只有这样，才能正确处理排沙与蓄水的矛盾，充分发挥水库综合的效益。3.2.6“蓄清排浑”运用方式的水库减淤水库拦蓄含沙量低的水流，对汛期含沙量较高的洪水则不予拦蓄，尽量排除库外。一般对于具有一定发电、灌溉和调沙要求的水库，汛期要保持一定的低水位控制运用但不泄空，就可利用异重流和浑水排沙。由于汛期为排沙期，既调水又调沙，可以减轻水库的淤积，在一定时段内保持冲淤平衡和长期存在一定的可用库容。目前多沙河流水库普遍采用这种运用方式，如三门峡、恒山水库等。水库泥沙淤积是一项需长期进行研究解决的水库技术问题，关系到水库运行安全及综合经济效益的发挥。因此，在水库的规划设计和应用管理中，要根据水沙运动的基本规律，布设必要的工程设施，制定合理的水库运用方式，减少水库淤积，延长水库的使用寿命。四小浪底水库泥沙淤积 现状与措施（案例分析）4.1概述小浪底水利枢纽建成蓄水后，受库水位抬高的影响，入库含沙水流受水库回水的顶托 ，流速下降，挟沙能力降低，部分粗颗粒泥沙先行落淤，细颗粒泥沙则潜入库底，以异重流的形式向前演进，在库底形成浑水水库。浑水水库中的细颗粒泥沙随着时间的推移，大部分也 会逐渐沉积下来。泥沙堆积到水库后，会对水库运用方式和效益发挥产生重要影响。小浪底水库的运用划分为3个阶段，即拦沙初期、拦沙后期和正常运用期。拦沙初期是指水库泥沙淤积量达到22亿m之前的运用时期；拦沙后期，库区淤积形态将形成高滩深槽，坝前滩面高程为254m，水库泥沙淤积量约为75.5亿m；以后水库将转入正常运用期，利用254m高程以下10.5亿m的槽库容进行调水调沙运用，长期保持254m高程 以上40.5亿m的防洪库容。小浪底水库泥沙淤积实测资料显示，20002009年各年末实测泥沙累计淤积量分别 为4.19亿、7.16亿、9.88亿、13.91亿14.83亿16.86亿18.86亿21.29亿22.25亿m和24.12亿m。从数据看，2008年年末水库淤积的泥沙已达到拦沙初期预期的淤积量，如何延缓泥沙淤积速度、延长水库有效库容的使用寿命，长期发挥枢纽的综合效益，是摆在枢纽管理单位面前的重要课题。通过对小浪底水库干流泥沙淤积形态的测验分析可以看出，每年汛后库区泥沙淤积部 位变化较大，总体来讲泥沙淤积形态由蓄水初期的带状淤积已演变为三角洲淤积，且三角洲的洲顶在动态变化的同时不断向坝前推进。20032009年实测资料显示，干流淤积三角洲的顶点平均每年向坝前推进3.69km。2010年5月测验结果表明，目前小浪底水库干流三角洲的顶点位于黄河干流13断面，距坝21.41km，已达库区最窄河段八里胡同进口附近。对于小浪底水库干流横断面而言，实测资料显示的干流断面横向泥沙淤积形态一般表 现为平淤，即淤积面接近水平；水库各支流断面横向淤积形式与干流类似。同时，从小浪底水库历年干流纵向淤积剖面图也可以看出，干流泥沙淤积形态在2003年汛后出现距坝70km以上淤积抬高现象，即典型的“翘尾巴”现象，这是一种不利的泥沙淤积形态。对支流而言，支流河口形成拦门沙坎则是另一种不利的泥沙淤积形态。在水库运行中，无论出现那一种不利的泥沙淤积形态，严重时都会出现水库水量被分开，难以统一、有效地进行调度的被动局面。另外，在小浪底水库运行过程中形成异重流后，在水库库底一定范围内会形成一个庞大的浑水区域，浑水中悬浮着大量细颗粒泥沙，这些泥沙颗粒在经过一段时间后会逐渐沉积到库底，从而增加水库泥沙淤积量。如20072008年坝前浑水水库观测资料显示2007年汛期异重流形成的浑水水库在2008年5月塔前01断面处（距进水塔60m）仍有近7m厚的浑水层，浑水层中泥沙落淤时间是比较漫长的。4.2泥沙淤积对水库运行的影响随着库内泥沙的淤积，小浪底水库进水塔塔前泥沙淤积高程逐渐提高并形成塔前漏斗 区。将来漏斗区滩顶高程可达254m，而进水塔大多数闸门的高程为180m，与泥沙淤积滩顶存在70余m的高差，落淤泥沙存在滑塌的风险，特别是有水流淘刷甚至发生地震时，一旦出现滑塌，将对闸门的正常启闭带来不利或严重影响。小浪底水利枢纽拦沙初期运用调度规程规定：“当实测塔前01断面泥沙淤积面高程达到183.5m时，运行管理单位应报请水库调度单位批准，小开度短历时开启排沙洞工作 闸门，以检查其进口流道是否畅通。以后可按0.5m为一级逐步提高塔前允许淤积面高程，但最终许可值不得大于187m。”因此，进口段防淤堵是排沙洞运用中一项重要的调度任务。高含沙水流对运行的水轮发电机组会产生泥沙磨损。2003年8月实测过机含沙量最大值为85kg/m，面对这种情况，是停机避沙还是正常发电，需要分析研判。小浪底建管局通过论证分析，认为虽然过机含沙量较高，但其泥沙D50为0.0040.006mm，属极细的粉沙类，此类泥沙对水轮机的叶片损害较小，机组可以正常运行，该结论在随后10月份的机组检查中得到了验证。因此，浑水发电应从水流含沙量和泥沙粒径两个方面进行把握，以达到在保证机组不受泥沙损害的前提下多发电的目的。对小浪底水利枢纽而言，泥沙淤积也有积极的一面。在枢纽防渗体系设计中，将大坝黏 土心墙和上游围堰斜墙及坝前泥沙淤积层连接起来，形成坝基的辅助防渗体系，坝前落淤的 泥沙在小浪底工程防渗体系中也发挥着重要的作用。水库蓄水以来的观测数据证明，在同等条件下，随着坝前泥沙铺盖的形成和抬升，坝基渗水量、左右岸渗水量均有不同程度的减小 ，大坝上游基础渗压计在相同库水位下，其渗压水头值逐年降低。如2000年10月下旬至11月上旬三门峡水库集中拉沙运用时，小浪底水库淤积泥沙2.62亿m。在这期间，小浪底坝 前泥沙淤积高程从150m升至165m，呈平面状，近15m厚的沿坝泥沙淤积层降低了坝前渗透 系数，大坝上游基础渗压计测值最大降低近15m。由此可见，落淤泥沙发挥的防渗作用是显 著的。小浪底水利枢纽近几年的调水调沙运行还揭示，适当的含沙量有助于提高水流的挟沙能力，冲刷河道的效果更明显。利用其冲刷下游河道，可提高单位水量的冲刷效果，节省清 水资源。4.3 科学控制与利用水库淤积的泥沙水库库容被淤积的泥沙占据后，一般情况下很难恢复，淤积泥沙所占的库容通常情况下会变成死库容，且泥沙淤积速度加快时，还将缩短水库发挥综合效益的寿命。因此，科学控 制水库泥沙的淤积对枢纽发挥长期作用意义重大。由于黄河来水来沙具有季节性，因此小浪底水库泥沙淤积主要发生在汛期，如2006年 汛期泥沙淤积量约占全年淤积量的90。另一方面，异重流在水库库底会形成浑水区域。因此，要把控制汛期泥沙淤积和浑水落淤有机结合起来，充分利用水库异重流进行排沙，以减缓水库泥沙的淤积速度。塑造合理的库区泥沙淤积形态非常重。2003年汛后，小浪底水库出现了库尾泥沙的“翘尾巴”现象，对水库调度运用不利。针对这种不利的泥沙淤积形态，根据黄河流域2004年各水库的蓄水情况和预测降水情况，2004年67月，小浪底水库实施了首次人工扰动塑造异重流冲沙试验，库尾淤积三角洲形态得到了有效的调整和改善。考虑到2004年汛期小 浪底水库仅出现了2次异重流过程，且第1次为人工扰动所形成并有4d的浑水出库过程，因此人工扰动塑造异重流对改善库尾泥沙淤积形态起到了积极作用。由此可见，通过采取合适的工程技术措施控制和调整水库泥沙淤积形态是可能的。4.4 加强观测与泥沙信息管理对于泥沙淤积带来的不利影响，如漏斗区泥沙淤积威胁闸门启闭安全、进口段泥沙淤堵影响排沙洞正常运用等情况，要通过加强观测与泥沙信息管理，及时掌握塔前漏斗区泥沙淤积形态和泥沙淤积边坡的稳定工况，及时掌握排沙洞进口段泥沙淤积高程变化情况以及进 口段淤积泥沙的固结情况等，适时开启排沙洞进行拉沙运用，以保证枢纽建筑物的稳定、安 全运行。为此，除常规监测设备与管理手段外，小浪底建管局还为泥沙测验部门配备了先进 的观测装备，如英国GeoSwath条带测深系统，为枢纽调度部门开发建立小浪底水文泥沙信 息管理系统，这些设备和信息系统的使用，为及时、准确、全面地捕获第一手资料提供了技术保障，也为水库泥沙淤积观测与泥沙信息数字化管理奠定了基础。进水塔前01断面是小浪底泥沙测验的控制断面，该断面泥沙淤积高程直接关系到泄水孔洞闸门的启闭安全。从2010年3月观测结果看，塔前平均淤积高程为178.1m，且塔前漏斗区河底纵向泥沙淤积高程为178.1180.3m，较为平缓，尚无明显的漏斗形态出现。目前 ，小浪底进水塔前淤积的泥沙处于187m以下，泄水排沙洞闸门的安全启闭是有保证的。4.5小结泥沙淤积是小浪底水库不可回避的现实问题，通过科学调度、合理控制，调整水库泥沙淤积形态，消除干流泥沙淤积“翘尾巴”现象，使干流淤积三角洲顶点顺利通过八里胡同狭窄河段，往坝前迁移；限制支流河口拦门沙坎的形成与发展；加强观测与泥沙信息管理，确保进水塔前闸门启闭安全以及排沙洞进口段不淤堵，是枢纽调度运用的关键。小浪底水库10a多的调度运行实践表明，目前所采用的调水调沙、进水塔前泥沙控制等手段对控制库区泥沙淤积是科学有效的，小浪底水库必将长期发挥巨大的综合效益。五结语60年来,我国河流研究工作取得了重大进展,研究者进一步认识了河流水沙变化和河道演变规律,通过对丹江口等水库泥沙淤积及其坝下游冲刷的系统观测研究，为解决葛洲坝、三峡水利枢纽的泥沙问题,提供了重要依据。葛洲坝水利枢纽20多年来运行良好。三峡水利枢