小型水庫(kù)泥沙淤積形態(tài)分析
——以咸陽(yáng)市屯莊水庫(kù)為例

韓 磊

(咸陽(yáng)市水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

1 工程基本情況

屯莊水庫(kù)位于陜西省咸陽(yáng)市淳化縣境內(nèi)、冶峪河上游的西屯莊村附近，距下游淳化縣城約2.5 km，距咸陽(yáng)市75 km，距西安市100 km，所在流域侵蝕模數(shù)為2000～5000 t/(km2·a)，屬水土流失較為嚴(yán)重地區(qū)。屯莊水庫(kù)工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小(1)型。工程樞紐由大壩、泄洪放水洞、溢洪道、輸水管道等建筑物組成。水庫(kù)正常蓄水位911.5 m，最大壩高40.5 m，總庫(kù)容829.2萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)使用年限50 a。主要承擔(dān)著受益地區(qū)群眾生活和高效農(nóng)業(yè)灌溉供水，具備常規(guī)水源和抗旱應(yīng)急水源的雙重任務(wù)。常規(guī)供水任務(wù)下解決淳化縣城關(guān)鎮(zhèn)和秦河發(fā)展服務(wù)中心居民生活供水及城關(guān)鎮(zhèn)、潤(rùn)鎮(zhèn)、鐵王鎮(zhèn)塬面耕地灌溉用水。在抗旱應(yīng)急任務(wù)下除滿足正常供水任務(wù)外，還要解決淳化縣潤(rùn)鎮(zhèn)、車塢鎮(zhèn)、卜家鎮(zhèn)、鐵王鎮(zhèn)、石橋鎮(zhèn)5個(gè)鎮(zhèn)區(qū)所在地(含沿線村莊)的基本生活用水。每年向城關(guān)鎮(zhèn)及農(nóng)村生活供水量190.31萬(wàn)m3，向城關(guān)鎮(zhèn)、潤(rùn)鎮(zhèn)、鐵王鎮(zhèn)塬面灌溉供水量42.06萬(wàn)m3。

此前，咸陽(yáng)市小型水庫(kù)在進(jìn)行淤積量計(jì)算時(shí)均假設(shè)縱向淤積面為水平面，即采用理論計(jì)算攔沙量查水位(高程)—庫(kù)容曲線，得到相應(yīng)高程即為水庫(kù)淤積面高程。但隨著各河道來(lái)水來(lái)沙條件的變化，目前在建和待建的小型水庫(kù)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段已進(jìn)行水庫(kù)泥沙淤積形態(tài)分析，而正確認(rèn)識(shí)水庫(kù)泥沙淤積規(guī)律并正確處理水庫(kù)淤積問(wèn)題對(duì)水庫(kù)發(fā)揮最大效益有著至關(guān)重要的作用[1-3]。故以咸陽(yáng)市淳化縣屯莊水庫(kù)為例，對(duì)泥沙淤積形態(tài)進(jìn)行理論分析，以期為同類型水庫(kù)的施工設(shè)計(jì)提供有益借鑒。

2 水庫(kù)泥沙淤積情況

2.1 水庫(kù)泥沙量情況

結(jié)合水庫(kù)庫(kù)區(qū)地質(zhì)情況，水庫(kù)壩址處的泥沙淤積量由溝道來(lái)沙和塌岸量?jī)刹糠纸M成，根據(jù)該庫(kù)區(qū)水文資料[4]，壩址處多年平均輸沙量20.74萬(wàn)t，泥沙干容重取1.35 t/m3，即每年輸沙量合計(jì)15.36萬(wàn)m3。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告中對(duì)庫(kù)區(qū)塌岸量估算，上壩址正常蓄水位為911.50 m時(shí)，水上坍塌體積為28.75萬(wàn)m3，水下坍塌體積為39.15萬(wàn)m3。根據(jù)《水電工程水利計(jì)算規(guī)范》(DL/T 5105—1999)規(guī)定，淤積計(jì)算年限為50～100 a。

2.2 水庫(kù)淤積總量分析

通過(guò)水文計(jì)算，庫(kù)區(qū)1000 a一遇校核洪峰流量1168 m3/s，入庫(kù)洪水總量813.00萬(wàn)m3，最高庫(kù)水位916.63 m，總庫(kù)容829.20萬(wàn)m3?？紤]水庫(kù)的運(yùn)行方式，洪水期利用泄洪放水洞排沙，按照水庫(kù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，排沙量按上游溝道來(lái)沙量的10%計(jì)[5]，水庫(kù)運(yùn)用不同年限后，壩址處淤積總量等于上游溝道來(lái)沙淤積量加上庫(kù)區(qū)水上坍塌量[6](水上部分坍塌量為28.75萬(wàn)m3)，不同淤積年限水庫(kù)淤積量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 屯莊水庫(kù)不同淤積年限淤積量計(jì)算結(jié)果

3 水庫(kù)淤積形態(tài)分析

3.1 水庫(kù)縱向淤積形態(tài)判別分析

水庫(kù)淤積的縱向形態(tài)基本可分為三類：三角洲淤積、椎體淤積和帶狀淤積。根據(jù)目標(biāo)水庫(kù)的特定條件，參考泥沙設(shè)計(jì)手冊(cè)[7]，采用判別系數(shù)法判斷水庫(kù)理論淤積形態(tài)[8]，判別式如式(1)所示。

(1)

式中：V為時(shí)段平均庫(kù)容，對(duì)于長(zhǎng)期淤積而言，為總庫(kù)容，萬(wàn)m3；Ws為多年平均入庫(kù)沙量，萬(wàn)m3；J0為庫(kù)區(qū)原河道比降。以萬(wàn)分率計(jì)。當(dāng)α′<2.2為椎體淤積形態(tài)；α′>2.2為三角洲淤積形態(tài)。

針對(duì)屯莊水庫(kù)，V=829.20萬(wàn)m3，Ws=15.36萬(wàn)m3，J0=15.1‰，則經(jīng)計(jì)算α′=0.36<

2.2，判斷該水庫(kù)理論淤積形態(tài)為椎體淤積，故在設(shè)計(jì)分析中按錐體淤積形態(tài)進(jìn)行淤積分布計(jì)算。

3.2 淤積末端位置的分析確定

根據(jù)庫(kù)區(qū)溝道縱斷面(見(jiàn)圖1)壩址處河床高程位置為B(海拔878.00 m，溝底)，該庫(kù)最高庫(kù)水位916.63 m與原庫(kù)底線的水平交點(diǎn)A′的位置，從圖1可知L0=2.346 km，淤積末端A點(diǎn)距壩軸線距離L可根據(jù)公式(2)計(jì)算。

L=kL0

(2)

式中：k為系數(shù)，一般k=1.0～1.3；L0為校核洪水位與現(xiàn)狀河床水平交點(diǎn)A′距壩址的距離，km。

根據(jù)屯莊水庫(kù)實(shí)際情況和附近已建水庫(kù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選取k=1.1，則淤積末端A點(diǎn)距離壩址距離為：L=L0×1.1=2.581 km，查庫(kù)區(qū)溝道縱斷面A點(diǎn)高程918.80 m。

圖1 屯莊水庫(kù)庫(kù)區(qū)溝道縱斷面圖

3.3 試擺確定淤積部位

采用試算法[9-10]計(jì)算確定淤積部位，即從淤積末端A點(diǎn)出發(fā)，試作一條淤積縱剖面線，交壩軸線于O點(diǎn)，即壩前淤積高程，計(jì)算錐體AOB體積，用計(jì)算結(jié)果與表1中理論計(jì)算淤積量對(duì)比，當(dāng)AOB體積不等于理論計(jì)算淤積量時(shí)，重新試作淤積縱剖面線，直到AOB體積等于理論計(jì)算淤積量時(shí)，其淤積面AO線即為所求的淤積面。根據(jù)庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)1∶1000地形圖和溝道縱斷面，以10 a淤積形態(tài)計(jì)算過(guò)程為例，計(jì)算步驟為：

(1)從淤積末端A點(diǎn)出發(fā)，擬定一條淤積縱斷面，交軸線于O點(diǎn)，量算出該點(diǎn)高程H1，以該高程為壩前10 a淤積高程，查高程—庫(kù)容曲線，查出該高程以下對(duì)應(yīng)的庫(kù)容V1，高程H1～918.8之間淤積量為V2，V1、V2之和即為試算淤積總量。

(2)V2的計(jì)算采用累計(jì)層庫(kù)容法計(jì)算。根據(jù)擬定淤積縱斷面選取不同高程，確定不同計(jì)算高程距壩軸線位置，在平面圖中確定該計(jì)算高程平面位置，做一條垂直于河道的橫線，該橫線與對(duì)應(yīng)高程所形成的封閉區(qū)域即為該高程的淤積面積。根據(jù)相鄰高程的淤積面積和高差計(jì)算層庫(kù)容，再將所有計(jì)算高程下的層庫(kù)容累計(jì)疊加即為V2值。

(3)根據(jù)試算法計(jì)算得知10 a淤積年限下，壩前淤積高程為889.30 m，庫(kù)區(qū)淤積總量為168.52萬(wàn)m3，與理論計(jì)算淤積量167.35萬(wàn)m3相差1.17萬(wàn)m3；根據(jù)水庫(kù)設(shè)計(jì)實(shí)際情況和已建水庫(kù)相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以認(rèn)為AO線為設(shè)計(jì)所求的淤積面，淤積面比降為i主=11.17‰。

3.4 水庫(kù)淤積形態(tài)分析計(jì)算

由于屯莊水庫(kù)壩址處庫(kù)內(nèi)水深較大，淤積使河道整個(gè)斷面淤高，故淤積橫向分布按照不分灘槽計(jì)算。參照10 a淤積年限下淤積形態(tài)分布計(jì)算過(guò)程，計(jì)算淤積年限為30 a和50 a的淤積分布。經(jīng)過(guò)試算，30 a淤積年限下，壩前淤積高程為901.15 m時(shí)，庫(kù)區(qū)淤積總量為444.78萬(wàn)m3，與理論計(jì)算淤積量444.53萬(wàn)m3差0.25萬(wàn)m3，淤積面比降為i主=6.68‰。50 a淤積年限下，壩前淤積高程911.00 m時(shí)，庫(kù)區(qū)淤積總量為728.36萬(wàn)m3，與理論計(jì)算淤積量728.71萬(wàn)m3相差-0.35萬(wàn)m3，淤積面比降為i主=2.96‰。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，不同淤積年限下庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)分布結(jié)果見(jiàn)圖2。

表2 屯莊水庫(kù)不同淤積年限淤積形態(tài)計(jì)算結(jié)果

圖2 屯莊水庫(kù)淤積縱向分布圖

4 結(jié) 論

共同影響水庫(kù)淤積形態(tài)的因素有多方面，本文以咸陽(yáng)市屯莊水庫(kù)為例，開(kāi)展小型水庫(kù)淤積形態(tài)的理論分析與計(jì)算，明確了10 a淤積年限下，壩前淤積高程為889.30 m，庫(kù)區(qū)淤積總量為168.52萬(wàn)m3，AO線為設(shè)計(jì)所求的淤積面，淤積面比降為i主=11.17‰；30 a淤積年限下，壩前淤積高程為901.15 m，庫(kù)區(qū)淤積總量為444.78萬(wàn)m3，淤積面比降為i主=6.68‰。50 a淤積年限下，壩前淤積高程911.00 m，庫(kù)區(qū)淤積總量為728.36萬(wàn)m3，淤積面比降為i主=2.96‰。本文提供的小型水庫(kù)淤積形態(tài)的理論計(jì)算方法可以適用于同類型水庫(kù)的設(shè)計(jì)計(jì)算，同時(shí)也將為水庫(kù)的設(shè)計(jì)建設(shè)提供理論支撐與依據(jù)。