（水利工程专业论文）高含沙水流对中小水库的影响.pdf

摘要 高含沙水流对中小水库的影响 学科名称 导师： 摘要 答辩日期： 作 者：相屯 为了研究高含沙水流对中小水烨的影响，本文对解放沟水席的淤积原因、舫淤减 淤问题进行了初步探讨。高含沙水流给中小水库带来了巨大的危害，由1 ：高台沙水流 的作用，水库兴利库容和防洪库容不断碱小，导致水库综合效益降低，箭水的短缺已 经影响到工农业发展。北方地区缺水、于早，水库淤积问题也日益严峻，如何恢复阼 容，确曝水库的运行寿命至) 之重要。 本文通过多年实测资料建：赶水库坝测淤积的数学模型，该模型预测水库淤积变化 规律，可为水库管理提供参考。解放沟水库实例表明，该水库3 0 年内3 次加高加i 酾 大坝仍不能满足r 游用水的需求其主要原田就是汛期高含沙水流对水库影响人。说 明加高人坝并不能长期解决库容问题，对中小型水库并不是一个很好的解扶办法。冈 此，找出一个适合北方多沙流域防淤喊淤的工程措施是水利工作者追求的目标。本文 探讨了高含沙水流的异重流现象及排沙特点：研究了北方地区中小水库的淤积过程、 淤积形式以及水库异重流的运动特性；井采_ i j 经验公式法计算一次异重流排沙量及预 估出j 孳沙量。本文研究认为，溯源冲刷是中小j k 库减淤的一种较好方式，在不嗣水位 下产生的冲刷效果是不同的，尤其是在艮潮的淤积下水库库底的泥沙孔隙率越来越 小，抗冲能力逐年增强；低水位运行产生的冲剧效果和淤积物的抗冲特性密切相关。 对于中小水库，泥沙问题较为突出，直接影响到水库的安全和效益。因此， 分析冲刷和抗冲特性，建立淤积密实的计算方式乖i 冲刷方程及有效的预估淤积模式， 及时采取适台的一【程措施进行库容恢复等，可为工程管理提供淤积数据，对中小水 库的防淤减淤具有重要的指导意义，井将取得良好的经济效益和社会效豁。 关键词：高含沙水流中小水库数学楼璎防淤减淤异重流溯源冲刷 a b s t r a c t t h ee f f e c to 仆i g h - s a n d i n e s sf l o wt ot h es u b - m i d d l er e s e r v o i r s u b j e c t ： d i r e c t o r a b s t r a c t r e p l y 。d a t e ： a u t h e r ： t os t u d yt h ee f f e c to f h i g h - s a n d i n e s sf l o wt ot h es u b - m i d d l es i z e dr e s e r v o i r s 。t h i sp a p e r g i v eap r i m a r yd i s c u s s i n ga b o u tt h ec a n s eo fs i l t a t i o na n dt h ep r o b l e mo fp r e v e n t i n ga n d r e d u c ed e p o s i to nj i e f a n g g o ur e s e r v o i r , h i g h s a n d i n e s sf l o w b r i n gg r e a th u r tt ot h e s u b m i d d l es i z e dr e s e r v o i r s , b e c a u s eo f t h ea c t i o no f t h eh i g h s a n d i n e s sf l o w , t h ed e c r e a s i n g o f c o n t e n to f p r o m o t et h eb e n e f i c i a la n df l o o dc o n t r o ll e a dt ot h er e d u c eo f t h er e s e r v o i r s g e n e r a lb a n e f l t t h es h o r t a g e o fs l u i c eh a sa f f e c tt h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n d a g r i c u l t u r e i n n o r t h o f c h i n a , d r o u g h ta n ds h o r t a g eo f w a t e r m a d e t h ep r o b l e mo f f i l l i n gu p b e c a m es e r i o u si n c r e a s i n g l y , i ti sv e r yi m p o r t a n to fh o wt or e s u m et h ec o n t e n ta n de n s u r e t i l er e s e r v o i r sn a t u r el i f e i nt h i sp a l ) e r , m a t h e m a t i c a lm o d e lt of o r e c a s tt h es i l t a t i o no f r e s e r v o i rw e ss e tu pb a s e d o ny e a r so fi n s i t ud a t a , a n dr e s e r v o i rm a n a g e m e n ( m a yr e f e rt oi t a d d i n gi t sh e i g h ta n d s t r e n g t h e ni tt h r o et i m e sw i t h i nt h i r t yy e a r s ，j i ef a n gg n ur e s e r v o i rs t i l lc a nn o ts a t i s f yt h e w a t c r - n n e di nd o w n s t r e a mp a r tf o rt h em a i n l yr e a s o no ft h ei n f l u e n c eo fh i g h s a n d i n e s s f l o wo nt h er e s e r v o i rd u r i n gf l o o dp e r i o d t h ea b o v ee x a m p l ei l l u m i n a t e st h a tt h er e s e r v o i r c a p a c i t yp r o b l e mc a nn o tb es e t t l e db yd a r nh a l 曲t o n i n gi nt h et o n gl l me s p e c i a l l yf o r s u b - m i d d l es i z e dr e s e r v o i r , t h e r e f o r e s e e k i n ga ne n g i n e e r i n gm e a s u r et op r e v e n to rr e d u c e t h es i l t a t i o ni nh i 曲一s a n d i n e s ss t r e a mi nt h en o r t hb e c o m e sag o a lo fa l lw a t e rc o n s e r v a n c y s t a f f n l bp a p e rp r o b e si n t ot h ed e n s i t yf l o wa n ds a n dn x h a u s t a dc h a r a c t e ro ft h e h i g h - s a n d i n e s sc u r r e n t , i n v e s t i g a t e st h ed e p o s i tp r o c a s s , d e p o s i tf o r ma n dt h em o v e m e n t c h a s a c t e r i s t i co f d e n s 时f l o wo f t h es u b m i d d l es i z e dr e s e r v o i rj nt h en o r t h a n da d o p t st h e e x p e r i m e n t a lf o r m u l a t i n 【et oa c c o u n tt h es a n de x h a n s t e dq u a n t u mo f d e n s i t yf l o wf o rt h e n r a tt i m ea n dt h e np r e d i c t st h eo u tr e s e r v o i rs a n dq u a n t u m ，f u r t h e r m o r e ，b a s e do ns o m e r e s e a w l m , t h i sp a p e rc o n s i d e r st h a tb a c ks c o u rc a nb enb e t t e rm e t h o dt or e d u c et h e s i l t a t i o ni nr e s e r v o i ro fs u b - m i d d l es e i z e da n dt h es c o u r i n ge f f c c td i f i e r si nd i f f e r e n tw a t e r l e v e r e s p e c i a l l yt h a tt h ev o i dr o t eo fb e d i n n di nt h er e s e r v o i rb o t t o md e c r e a s e dw i t ht h e l o n g - t e r r ad e p o s i t i n ga n dt h es c o u r i n gc a p a b i t i t ye n h a n c e sb yy e a r ；s o u r i n ge f f e c ti n d u c e d b y l o w w a t g r e v e r a t o v h n e n th a sec l o s e c o n t a c t t o t h e s c o u rr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c o f t h e s i l 诅l i o n t bt b ea n b - m i d d l es i z e dr e s e r v o i r s ，s e d i m e n ti st h ep r o m i n e n tp r o b l e m , i td i r e c t l ya f f a c t t h er e s e r v o i r ss e c n r i t y a n db e n e f i t s o , t h r o u g i i t h e m e t h o do f a n a l y z i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c s 塑童墨兰苎兰兰登塑主芏垒燕墨 o fs c o u r i n ga n de r o s i o n p r e v e n t ，e s t a b l i s h i n gt h ec o u n t i n gm o d eo fs i l t i n gc o m p a c ta n d e r o d ee q u a t i o na n de f f i c i e n tp r e - c s t i m a t em o d e 。a d o p t i n gs u i t e de n g i n e e r i n gm e t h o di nt i m e t or e s u f f l et h ec o n t e n t ，a n ds oo n ，w ec o u l do f f e rd a t a o fs i l t a t i o nf o re n g i n e e r i n g m a n a g e m e n t w h i c hh a si m p o r t a n tg u i d a b l em e a n i n gt ot h es u b - m i d d l es i z e dr e s e r v o i r s ，a n d i tw i l la c q u i r en i c eb e n e f i to f e c o n o m l ca n ds o c i e t y k e y w o r d ：h i g h - s a n d i n e s sf l o w s u b - m i d d l es i z e dr e s e r v o i r sm a t hm o d e l p r e v e n ta n dr e d u c es i l t i n gu p d e n s i t yf l o w t r a c et ot h es o u r c eo f s c o u r b 符号表 符号表索引 面积 a 。、a 系数 a ，体积压缩系数 b冲深宽度 b待定系数 b 堰顶宽度 c 待定系数 c 。为正面推力系数； c ，为升力系数 c ， 变差系数；为固结系数 d 为洞径 f 水平淤积面积 f ：、f ，分别为上下淤积高程点的对应的淤积面积 g 薄膜水附加压力 6 0为相应时段年进库总沙量 g 为作用于异重流的有效重力加速度 g重力加速度 h 为高程差i l l ；坝前水位变幅 h 水位；高程 h 。为相应时段坝前泄流底坎以上的平均水深 h 。 为相应的坝前水深，即平衡水深 h 。为水库开始淤积时的坝前水深 j为回水段库底比降，冲刷后的剖面坡降 工底坡 k为待定系数；为渗透系数 l河段长度：水库回水长度i 冲深长度；断面间距；泄洪涵洞的长度 西安理乓大学工程硕士学位论文 m无坎宽顶堰流的流量系数；指数 p 相对水深：频率系数：空隙水压力 p 。悬移质级配 p ，拖曳力 p ； 作用在上游面的正面推力 p 。升力 凡河床颗粒之间的黏结力 p 、p 。、p 分别为黏土( d 0 0 0 41 1 1 1 1 1 ) 、粉土( 0 0 0 4 哪 o 0 6 2 哪) 的重量百分数( 级配) q流量 q 进库站洪峰流量 q单宽流量 r e 雷诺数 s 、s ：为相邻两断面面积 s 含沙量 s + 挟沙能力 s 口进口断面含沙量 t 进库泥沙全部淤积在水库的平衡时间 t 冲深时间：泥沙运行时间t 。最终冲刷时间 v 体积：旷为时段平均水位以下的库容 v某一点或某一高程处水流的流速；异重流流速 u 潜入点处的流速 w年水量；淤积体积；冲刷量 w 。水库淤积平衡后的淤积体积；w n 河槽容积 y 径流深 a 系数；指数 b 。原始水库的拦沙率( ) 符号表 b拦沙率 y 。浑水容重 y 为清浑水容重差 “初期干容重 y 卵石干容重 庀 完全密实时的干容重 泥沙的浮容重 y 为淤积物湿容重 6 薄膜水层厚度 泥沙交换系数 f为有效压力范围内的平均孔隙比 为局部水头损失系数之和 排沙洞的沿程水头损失系数：土的扁度 u粘质系数 口土骨架上的有效应力 t 水流的剪切力 。泥沙的沉速；角频率 独创性申明 y8 4 3 4 2 5 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并已致谢。 本论文及相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任。 论文作者签名：玉萎1 色型埤，。月) 日 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前 论文作者签名： 年fd 月门日 l 堵论 1 绪论 1 1 高含沙水流的特点 我国西北地区黄河流域的极大部分河流汛期的含沙量都非常高，一 些支流的年平均含沙量接近5 0 0 k g m 3 ，实测最大值有达到1 5 0 0 1 6 0 0 k g 矿的“”。其中。自沙漠地区来的洪水含沙量都比较低，只有当黄土 地区有暴雨时，才会形成高含沙洪水。钱宁教授以日平均含沙量大于4 0 0 k g 一的作为高含沙水流表卜i 为五十年代及七十年代资料在内的十六 个水文站的实测最大含沙量及多年平均悬移质级配，表1 2 为黄河中游 粗、细泥沙来源区所形成的高含沙水流。这种大面积的高含沙水流在国 外根难见到，故高含沙水流是我国西北地区独有的现象，高含沙水流在 性质上有所不同，根据地表物质组成的不同，可咀区分为租泥沙来源区 及细泥沙来源区。粗泥沙来源区主要来自中游黄土地区，在粒径组成上 从西北向东南中值粒径从大于0 0 4 5 m m 逐步减小到小于0 0 1 5 m m ，粒径变 化见图卜1 ，其输沙模数见图i - 2 。高含沙水流不同于一般的挟沙水流， 其具有如下的特点“1 ： ( i )高含沙水流必须有一定含沙量的细粉砂及粘土作为骨架，来自沙 漠地区的河流不可能形成高宙沙水流。 ( 2 )含沙量增大以后，泥沙沉速大幅度降低，在高含沙水流中，耜如 豆大的砾石都有可能以悬移的形式运动。含沙量愈高，水流中所 挟带的泥沙也愈粗。与此相对应的，流域内黄土组成越粗，水流 所挟带的极限含沙量也越高。 ( 3 )一般高含沙水流属于紊流型两相流，水和中性悬浮质混合而成的 浆液组成液相，推移质和悬移渍组成固相。 ( 4 )当流域中粒径小于0 0 1 m m 的泥沙来量相当大时，泥沙有可能转化 为中性悬浮质，水流成为粘性及容重不同于清水的另一种均质悬 浮液，具有伪一相流的性质。 ( 5 )对于流域中不存在粘性颗粒物质补给的地区，当泥沙浓度很大， ( 5 )对于流域中不存在粘性颗粒物质补给的地区，当泥沙浓度很大， 西安理工大学工程硕士学位论丈 2 紊动受到遏制，悬移运动消失时。全部泥沙以层移的形式运动 这种高浓度水石流只有在极陡的比降下才能形成 图1 - 1 黄河中游新黄中径变化图 图l - 2 黄河中游1 9 5 6 1 9 6 3 年输沙模数图 表i - 1 1 9 6 2 年至1 9 7 1 年黄河中游地区 高含沙水流出现次数及实测日平均含沙量( k g m 3 ) 地4 0 04 0 06 0 08 0 0 年最 区河流测站 1 0 0 0 大值 6 0 08 0 01 0 0 0 k g m s 渭河散渡河甘谷9 2 次6 1 次3 1 次9 8 0 支流葫芦河秦安4 1 次3 7 次4 次9 0 5 径河径河 张家山 5 3 次3 6 次1 7 次l ，0 4 0 流域环江洪德2 1 4 次5 7 次8 2 次7 4 次 1 次 1 。1 3 0 蒲河毛家河5 9 次4 9 次1 0 次9 9 2 洛河洛河狱头i i o 次5 7 次4 6 次7 次 l ，0 9 0 表卜2黄河中游粗、细泥沙来源区所形成的高含沙水流 泥沙来河流流域面测站输沙模数最大含沙出现 源区积( k m 2 ) ( t k m 2 a ) 量( k g m 3 ) 年份 皇甫川3 ，1 9 9皇甫1 8 ，0 6 01 ，5 7 01 9 7 4 粗泥沙 葫芦河 1 1 2 1 申家湾i ，1 2 19 ，8 8 0 1 9 6 3 无定河 3 0 。2 1 7 j l l 口3 0 ，2 1 75 ，2 7 0 1 9 6 6 来源区大理河3 8 9 3绥德3 ，8 9 31 6 ，3 0 0 1 9 6 4 北洛河 2 5 1 5 4 狱头2 5 ，1 5 43 ，8 1 0 1 9 5 0 径河 4 3 2 1 6 张家川5 ，9 2 01 ，0 4 0 1 9 6 3 细泥沙渭河4 6 ，8 2 7成阳4 ，0 6 07 2 91 9 6 8 蒲河 7 。1 9 0毛家河6 ，5 8 09 9 2 1 9 6 5 来源区纷河7 。7 0 5兰村 1 ，8 6 0 5 4 4 1 9 7 3 径河3 ，1 4 5径川6 ，0 1 0 7 6 21 9 7 3 黄土土质疏松，呈多柱状孔隙，故抗冲能力极低，降雨以后，极易 形成高含沙水流。高含沙水流所能够达到的极限含沙基因在流域内所处 部位不同而异，实测结果发现高含沙量带有很大的随机性，在雨滴击溅 西安理工走学工程硕士学位瓷文 的作用下，相对极限含沙量可以达到5 1 0 k g 一6 9 0 k g m 3 。沟坡区的水力 及重力侵蚀使相对极限含沙量继续加大进入各级沟道后，通过河床的 冲淤变化，相对极限含沙量逐步进行调整，到干流和支流以后，相对极 限含沙量可增加到1 1 6 0 k g m 3 至1 2 9 0 k g m 3 左右。由于黄土地区地表径流 量变化较大，在地表径流量不是很大的情况下，也可能挟带较高的含沙 量，因而在雨洪所形成的洪峰回落以后，沙峰还要持续一段时间，沟道 越长，汇流时间越久，沟道出口的高含沙水流持续的时间也越长。在较 大的流域和河道等级也增大的地区，上部场地沙峰和洪峰同时出现，但 在移动的过程中沙峰会逐渐滞后于洪峰流域面积越大，沙峰的传递滞 后子洪峰的特点也越来越突出。在峁坡区中、上部，雨滴击溅所产生的 含沙量与降雨强度有一定的关系，降雨前期出现细沟、浅沟之初，由于 风化作用和人类农业活动的结果，表层土壤十分松散，水流的冲刷作用 比较强烈：降雨后期。表层土壤逐渐冲失。同流量下的含沙量就会有所 降低。在沟坡区。重力侵蚀也具有很大的随机性。水流进入沟道以后， 汇流过程使洪峰在退水过程中能长期保持较高的含沙量，雨停以后，退 入沟道的地下水含沙量又特别低，这些特征使沟道的水流在小流量时含 沙量变幅很大。另一方面，大流量一般相当于流域内各地降雨比较大的 情况，这时各处的含沙量均接近所能达到的最大含沙量，这一含沙量的 变化范围相对来说又比较小。这样在各级沟道出口，大流量时含沙量就 接近一个定常值。在峁坡区的中、上段，降雨强度超过0 4 5 舯m i n 以后， 地面泥沙都能被雨滴溅起并随水流往外输移，形成径流及汇入沟道以后， 通过河床的冲淤变化，水流所挟带的泥沙的物质组成困流量、含沙量及 沟道大小而异。通常，水流中所挟带的泥沙因泥沙含沙量的增大而变粗； 含沙量较高时，沟道越大，颗粒组成越租，含沙量较低时则沟道越大， 颗粒组成愈细；沟道越大，物质组成随含沙量变化的幅度也越大。 4 1 绪论 1 2 高含沙水流国内外研究现状 资料显示，国内外水库淤积现象较为严重。为此，各国广大的水利 科技人员和水库管理、测量人员经过长期的努力工作，取得了丰硕的科 研成果。我国水库泥沙研究仅是在中华人民共和国成立以后才展开的事， 时间虽然较短，但是由于我国多沙河流多，水库淤积问题严重，影响又 大，国家颇为重视。我国从2 0 世纪6 0 年代就开始观测黄河三门峡水库 的泥沙淤积，为此积累了大量的资料。在泥沙运动方面的一些专著，如 武汉水利电力学院( 张瑞谨主编) 的河流动力学1 、沙玉清的河流 泥沙动力学h 1 、钱宁的高含沙水流运动、韩其为和何明民的泥沙 运动统计理论、张浩、许梦燕、曹汝轩对水库高含沙挟沙能力规律方面 的研究、方宗岱和胡光斗、焦恩泽等对实际水库高含沙量淤积进行了分 析，陈景梁等对水库含沙量和浑水水库排沙的实际资料进行了分析和研 究“、王兆映及张新玉对含沙水流进行了试验等，这些专著和论文对 高含沙的研究有着重要的指导意义。从水库泥沙运动的实际考虑，除悬 移质挟沙能力外，悬移质不平衡输沙，特别是非均匀不平衡输沙规律才 是水库淤积中最普遍的规律，它规定和制约了水库淤积的各种现象。国 内外在均匀流、均匀沙条件下，通过求解二维( 立面二维) 扩散方程研 究悬移质不平衡输沙从2 0 世纪6 0 年代开始，但由于二维扩散方程求解 受制于难以可靠确定的边界条件，故结果与实际颇难符合。前苏联一些 学者从2 0 世纪3 0 年代开始从沙量平衡出发，建立一维不平衡输沙方程， 其中包括2 0 世纪6 0 年代h m k a p a e e b 提出的黏土颗粒不平衡输沙方程。 这些研究成果虽然抓住了不平衡输沙的主要矛盾，方程简明，是其优点， 但是由于限于均匀沙和均匀流难以符合水库悬移质运动的实际，且理论 上没有和悬沙运动的扩散方程联系起来。韩其为针对实际非均匀沙和非 均匀流首次通过积分二维扩散方程得到了一维非均匀沙不平衡输沙方程 8 “”。对一维不平衡输沙方程中的恢复饱和系数a 一直存在着争议，卡 拉乌谢夫给出的值大于l ，窦国仁认为a 为沉降概率，其值小于l ”。从 西安理工大学工程硕士学位论文 实际可能出现的条件它基本小于l ，在些条件下与黄河下游的a s 0 0 1 的经验数据接近，在平衡条件下其平均值约为o 5 。 在含沙水库异重流方面，范家骅、吴德一、焦恩泽等于2 0 世纪5 0 年对水库观测和室内试验，做了较为深入的研究，特别是给出了异重流 的潜入条件和异重流捧沙和孔口出流计算方法。对于水库异重流的潜入 条件，韩其为认为需要补充均匀流的条件，即潜入点的水深必须大于异 重流正常水深，否则潜入不成功；他认为异重流挟沙能力及不平衡输沙 规律与明流的完全一致，但是其水力因素应由异重流部分确定，并且证 明了水库异重流是超饱和输沙，因而沿程淤积是必然的“。 高含沙水流水库捧沙是水库减淤中颇为重要的一环，有很大的实际 意义。水库排沙的方式曾有多种研究，除一般的依靠水流冲刷外，对小 水库尚有水力吸泥泵嘲以及高渠拉沙冲滩“”等。有不少水库的排沙特 性被分析研究，如陕西省水科所和泾阳县治峪河道管理局对黑松林水库、 青铜峡电厂对青铜峡水库、山西水科所和凌来文、郭志刚等对恒山水库 等均结合具体条件对排沙做了较为广泛的研究。在水库排沙中有一种重 要的排沙形式，这就是溯源冲刷，它不仅能捧走上游来沙。而且能冲走 前期淤积物。由挟沙能力方程和河床变形方程适当简化后，可将溯源冲 刷的纵剖面方程化为二阶常系数热传导( 偏微分) 方程，在数学物理方 程中对此已有成熟的解法。利用水库淤积和捧沙规律，通过水库调度， 采用“蓄清排洪”的方法，对某些水库在实践中摸索了一些成功经验， 使水库淤积大量减缓，甚至不再淤积。水库淤积计算也是水库淤积和工 程泥沙的重要内容之一，它的预测结果对水库规划和水库运用非常重要 面前我国对水库淤积计算方法的研究成果分为三种类型。第一种只估算 水库总淤积量及其变化过程。第二种经过对水库淤积规律的研究，得出 淤积各种参数的直接计算方法。第三种是采用河流动力学的有关方程和 方法构造模型。分时段、分河段求解。我国面前已有很多种一、二维数 学模型，经过了实际水库冲淤资料的检验，如王仕强用于小浪底水库淤 1 绪论 积预报的模型”、茵汝轩和王新宏模型5 1 等。要全面反映水库淤积过 程中的各种信息对不少数学模型来说目前尚有一定的差距，这也是今 后需进一步解决的问题。 1 3 高含沙水流给工程带来的主要问题 高含沙水流进入水库以后，特性如一般挟沙水流一样，即可能造成 库内淤积，又可能被用以排沙，甚至会造成库区冲刷。但是由于高含沙 水流可能形成浆河，所以大量排沙时会产生揭底冲刷现象。当调度不合 理时，将产生水库的严重淤积。 水库排沙措施不得当极易形成水库淤积，这些问题在国内外表现的 较为突出，如美国在2 0 年代以后修建的综合利用水库总库容为5 0 0 0 i 0 m ，每年淤积损失1 2 i 0 一m 。其中1 9 3 5 年以前兴建的水库中，完全淤 废的占1 0 ，损失库容3 4 i 2 的占1 4 ，损失库容1 2 1 4 的占3 3 n ”。对于气候干旱、暴雨强度大、水土流失较为严重的国家和地区， 水库淤积更加严重。例如，前苏联4 1 座中亚地区灌溉及发电水库统计， 坝高6 m 以下的灌溉水库，淤满年限为1 3 年，坝高7 3 0 m 的发电、灌 溉水库，淤满年限为3 1 3 年。再如，据1 9 6 0 年统计，阿尔及利亚的大 型水库库容损失率叫( 年淤积量比总库容) 约为1 2 ，中型水库( 库 容0 1 x 1 0 8 - - 0 5 1 0 一m ) 库容损失率为1 8 。据1 9 6 9 年统计，印度大 于i 0 1 0 8 的水库共2 l 座“，总蓄水量为1 2 6 0 x i 0 8 f ，库容损失率平均 为0 5 i 0 ，有的可达2 0 。 我国在1 9 7 5 年以前，建成库容l o 万m 3 以上的水库达7 3 6 5 1 座，总 库容达3 6 2 4 亿m 3 。其中大型水库3 0 1 座，中型水库1 9 8 2 座，小型水库 7 1 3 6 8 座“”。这些水库在后期的运行过程中均出现了不同程度的淤积问 题，特别是我国北方地区的水库，由于缺乏控制淤积的经验，其问题颇 为严重。据陕西省1 9 7 3 年统计，全省i 0 0 1 0 n l 以上水库1 9 2 座，总库 容1 5 i 0 8 m 3 已损失3 1 6 ，宁夏青铜峡水库初期运行仅5 年n 盯损失库 西安理工大学工程硕士擘位论文 容8 6 9 ，水库调蓄能力大为降低。山西对全省4 3 座大、小水库进行统 计1 1 1 1 水库总库容为2 2 3 1 0 一m ，到1 9 7 4 年已损失3 1 5 ，平均每年 损失0 5 1 0 。甘肃省境内的大中小水库都存在不同程度的淤积，黄河 段刘家峡水库初期的淤积也较为严重。庆阳地区处于陇东黄土高原，其 水库的淤积问题更加严峻啪1 。 从以上数据发现，水库淤积后，不仅明显地影响其效益的发挥，而 且会产生一些新的问题，对国家经济建设、社会发展都有定的影响。 高含沙水流造成的水库淤积将引起以下几个方面的问题： ( 1 ) 由于淤积使兴利库容和防洪库容不断损失，导致水库综合效益 降低。水库综合效益，在很大程度上决定于兴利库容和防洪库 容。它们的损失，将使防洪、发电、通航、灌溉以及养殖等效 益的发挥大受限制其中某些功能可能丧失殆尽。马莲河水库 2 1 1 1 9 5 8 年兴建，库容6 8 0 1 0 4 m 3 ，由于淤积库容损失太快， 1 9 5 8 1 9 6 7 年平均淤积量9 2 6 4 l o i m 3 ，曾与1 9 6 5 年和1 9 7 5 年两次加高大坝共5 m ，使库容达2 0 4 7 1 0 1 m 3 ，从而弥补了损 失。 ( 2 ) 淤积上延引起淹没与侵没。泥沙淤积的结果是加大了水库的坡 降，使库内水位抬高，导致回水和淤积的不断上延，出现水库 淤积的“翘尾巴”现象。例如山西镇子梁水库，运用以来由于 淤积上延多次追加对淹没、侵没的赔偿，总额超过水库建设投 资的1 8 倍12 z | o ( 3 ) 坝下游河床变形。水库蓄水以后，由于库内淤积，使下泄水流 时含沙量降低，以致引起下游河道长距离冲刷”。如果支流 来沙较多，往往又使河道产生淤积。 ( 4 ) 坝前泥沙问题，坝前船闸、渠道引水口的堵塞等。粗颗粒泥沙 对水轮机的磨损、拦污栅的堵塞。渠道中租颗粒泥沙可能发生 沉积，细颗粒泥沙进入耕地以后将增加壤的肥分。 1 培论 ( 5 ) 水库淤积即能加重水库污染，也可能加强水的自净能力。悬浮 物表面常常吸附大量污染物质，水库薷水后，污染物质在库内 累积，使水库微生物吸收后被鱼类食用如果鱼被人类捕食， 污染物将在人体内聚积，最终影响人体健康。 1 4 本文研究的意义及主要研究内容 本文针对西北黄土地区的中小水库淤积速度快、泥沙含量高的这些 特性进行研究和分析，提出一个适合高含沙流域水库管理和运行的模式， 正确处理水库的淤积导致的库容减小、防洪能力降低的工程问题。 本文完成的主要内容有以下几个方面： ( 1 ) 国内外水库淤积问题的调研和分析，西北高含沙水流的特性。 ( 2 ) 中小水库淤积的模型公式及其验证。 ( 3 ) 水库异重流排沙原理及排沙计算，异重流对水库淤积的影响。 ( 4 ) 水库溯源冲刷的方程及其冲刷特性，溯源冲刷对水库的影响。 9 西安理工大学工程硕士学位论文 2 建立水库泥沙淤积模型 2 1 建立水库泥沙淤积模型的意义 水库泥沙数学模型在我国已有近半个世纪的历史，泥沙数学模型是 研究泥沙问题的重要手段之一。一维数学模型一般应用于长河段、长时 期和不同水沙组合及河床边界条件的泥沙冲淤变形研究和预测：二维数 学模型主要用于研究短河段、短时期的河床变形。数学泥沙模型具有周 期短、投资少的优势。期间随着泥沙运动理论的发展和计算手段的提高， 越来越多的学者从不同的角度和对象对水库泥沙数学模型进行研究、发 展和提高，使其逐渐成为水库淤积和排沙研究中不可缺少的工具。即使 如此，由于泥沙运动规律的复杂性和泥沙运动理论的不完普，数学模型 仍处在发展阶段，不过随着计算机技术水平的发展和泥沙研究水平的不 断完善和提高，数学泥沙模型的研究水平也在不断提高发展。 由于库容的淤损。防洪负担逐渐加重，这些问题严重影响了水库的 发电效益、防洪效益、灌溉效益等的正常发挥，建立一套准确的库区冲 淤计算模型越来越显得重要。对于西北高含沙地区的中小水库建立淤积 模型的意义更大，它不但能更好的服务于水库管理，也能为水库管理者 提供重要的库容淤积和损失资料，能够正确的判断水库的淤积程度和淤 积速率，为水库的除险加固提供可靠的依据。 2 2 水库泥沙淤积模型的建模原理 依据美国万特虎( v a n t f l u ) 方法，数学模型采用以下形式“： f = x p 6 ( 1 一户) ( 2 1 ) 式中f 为水平淤积面积。p 为相对水深。k 、b 、c 为待定系数。对式2 一l 两侧分别求取对数，得； l g f = a + b l g p + c l g ( 1 一p 1 ( 2 - 2 ) q ( a ，b ，c ) = i l g f , 一a - b i g g c l g ( 1 一只) 1 1 l o 2 建立水库泥沙淤积模型 欲求q 最小时的回归系数a 、b 、c 则用最4 , - - 乘法原理，分别求q 对a 、 b 、c 的偏导数并使之等于零得： 式中i = l ，2 ，3 n 。联解方程2 - 3 ，求得a ，b ，c 的回归解瓦i ，亭。 砌+ 石l g 只+ 石l g 只+ 石z 1 9 0 - p 。) = i g f j f l，li - i1 = i hn n 万l g + i 2 e + f l g 只1 9 0 - e , ) = l g e i g e , ( 2 - 3 ) j - 1扭li i扣l 万( 1 一只) + f l g i g ( 1 - p ，) + f z l 9 2 ( 1 一只) = l g 只l g o - p , ) 其中令x = 1 0 5 ，至此使得模型式2 - i 变为： f = 即6 ( 1 一p ) 5 ( 2 4 ) 最小= 乘法原理求出万，i ，石三个系数，p 为对应水深与正常水深的比值， 在不同水深之间可求出水平淤积面积。 2 3 水库泥沙淤积模型的建立 水库淤积模型公式如式2 - 4 所示，水库实测资料主要是库区横断面 面积。将实测资料转变为模型资料还需要进一步转化，其淤积体积计算 公式为： 1 k = 圭0 l + s 2 ) l ( 2 - 5 ) 式中v 为相邻两断面间淤积体积；s 、s ：为相邻两断面面积；l 为断面 间距。式2 - 1 中的淤积面积是水平淤积面积，为了建立模型还需要用实 测横断面计算的总淤积量转换为淤积高程与水平面积的关系。 库区淤积最低点一般为坝前淤积高程，该点以上任意高程的水平淤 积面积可根据淤积体积求得，由： 1 = 去( e + r ) 胡 ( 2 - 6 ) z 式中a v 。为相邻高程间的淤积体积：h 为高程差；f 。、f t 分别为上下淤 积高程点的对应的淤积面积。得： f 2 = 2 a 叫v 2 一fo ( 2 - 7 ) 西安理工大学工程硕士学位论文 为了方便建模，要将高程转化为相对水深。相对水深为水深与正常蓄水 位水深的比值，统计水库实际的淤积面积和淤积量，并将它们绘在图上， 将淤积面积和淤积高程的点进行拟和，绘出光滑的曲线段，这样就可以 获得建模所需的数据。分别求解淤积年限n 、l g p , 、1 9 0 - p , ) 、 窆i g e 、窆l g 、窆l g e ( 1 一只) 、窆l g 只l 菇、窆诘：( 1 一只) 、 r i g f 。l g ( 1 一；。) 。将其代j * 人l 式2 - 3 ，求解爱瓦石，然后再代j = 1 人式2 - 4 ，得 漆积面积与相对永深的关系式。最后通过模型公式求解淤积面积，在实 测淤积面积和模型计算淤积面积之间寻求误差，如果误差较小，则该式 适合于水库泥沙淤积预报 1 2 3 解放沟水库泥沙淤积问题 3 解放沟水库泥沙淤积问题 3 1 工程概况 庆城县位于甘肃省东部的庆阳市，介于东经1 0 7 。1 6 3 2 至 1 0 8 。0 5 4 9 之间，南北长5 6km ，东西约7 0kr n 。庆城县东与合水相邻， 西与镇原县接壤，南和蔼峰区毗邻，北与环县和华池相接，总面积2 6 9 2 6 ki t l 2 。庆城县属于泾河流域，县内有马莲河和蒲河两条一级支流，解放 沟水库就位于马莲河一级支流环江。解放沟发源于县境内的柏树源，沟 长7km ，河床比降4 0 ，水库控制流域面积2 3km2 ，总库容1 9 2 万 m3 ，属小( i ) 型水库。该流域属陇东黄土高原残塬沟壑区，植被较差， 水土流失严重，县境内年径流量5 7 1 亿m3 。过境流盘4 5 l 亿m3 ，侵蚀 模数7 3 0 0 t km2 a ，年平均输沙量2 6 7 7 万吨。解放沟水库由士坝、泄 洪排沙洞、溢洪道三部分组成，水库于1 9 7 0 年动工修建，1 9 7 1 年建成投 入运行。初建时水库由土坝和溢洪道两部分组成，坝高1 3 2 m ，坝长1 0 0 m 。1 9 7 2 年对水库进行加固加高，并将原溢洪道改建为双孔无压泄洪洞， 加固加高后土坝高1 9 2 m ，坝顶宽2 8 m ，迎水坡比1 ：3 ，背水坡比1 ： 2 ，调洪库容i i 0 3 7 万m3 ，死库容6 5 8 万m3 ，总库容1 9 2 万m3 。经过 多年的运行，库内淤积严重，水库防洪标准降低，又于1 9 7 9 年3 月在双 孔无压泄洪洞左侧增设了非常溢洪道n ”。该库是一座以灌溉、防洪、养 鱼等为综合效益的小型水库，水库的建成对下游的农业和工业发展提供 了有力保证，同时对下游油田矿区和群众生命财产起重要的保护作用。 解放沟水库所属流域无水文站，该县多年平均降雨量5 3 7 5 mm ，多年平 均蒸发量为1 3 8 1 4 mm ，该工程的设计年径流根据甘肃省地表水资源 中径流等值线推得多年平均径流深为3 2 m m ，查得年径流变差系数为c ， = o 4 8 ，根据皮尔逊i 曲线x = 虱l + o c ，) 求得p = 5 0 的径流深和年来 水量见表3 一l ，径流成果计算见表3 2 。 该水库与上游高家湾水文站控制面积及下垫面情况相似，属黄土丘 西安理工大学工程硕士学位论文 陵沟壑区，采用参证法进行该水库水文成果分析和分配，设计年径流的 袭3 - 1径流成果计算表 均值 cv c3 p = 5 0 y ( m m )3 20 4 8 3 5c v2 7 9 _ ( 1 0 f n ) 7 3 6 0 4 8 3 5cv 6 4 2 q ( m s )o 2 80 4 83 5c v 0 2 4 年内分配成果见表3 2 。解放沟水库月输沙量分配依据东川水文站推求得 到，算得各月输沙量如表3 - 3 。解放沟水库所在流域的年内降雨量分配不 均匀性和不同季节暴雨特性的不同是造成以降雨补给为主的河流年内 水、沙分配不均的主要原因。解放沟水库的泥沙主要集中在7 、8 月份， 甚至集中在几场洪水。解放沟水库原设计标准按2 0 年一遇洪水设计，2 0 0 表3 - 2 径流年内分配表 1 4 。泌 分配比 _ 。1 0 r q m 3 s _ 1 0 一 0 d s l1 9 21 4 1 0 6 31 2 30 4 6 23 2 62 6 61 1 02 3 21 0 0 37 6 75 6 52 14 9 21 _ 8 47 45 4 42 04 7 51 8 58 46 2 02 35 4 02 0 64 02 9 l1 12 5 41 o 71 9 31 4 25 31 2 4 04 6 8 1 4 1 1 0 3 83 99 0 53 4 91 4 61 0 7 04 19 4 03 6 1 09 46 9 22 6 6 0 32 3 1 l 6 34 6 41 84 0 5l _ 6 1 23 3 82 4 90 9 32 1 70 8 合计l o o7 3 62 8 o6 4 22 4 4 3 解放沟水库泥沙淤积问题 表3 - 3解放沟水库泥沙