松塔水電站泥沙淤積分析與控制措施

宋文君

（晉中市水利局，山西 晉中 030600）

1 松塔水電站流域概況

松塔水電站位于瀟河主干上游的松塔河段上，距山西省晉中市城區(qū)約44 km。壩址控制流域面積1 174 km2，樞紐主要建筑物有大壩、溢洪道、導流泄洪排沙洞、供水發(fā)電洞和壩后電站。大壩為均質土壩，最大壩高62.6 m，正常蓄水位1 027 m，死水位994.00 m，總庫容9 740萬m3，死庫容 800萬m3。工程于2009年7月動工，2011年8月下閘蓄水。

瀟河是汾河的第二大支流，其上游有白馬河和松塔河兩大支流，且以松塔河為主流，松塔河發(fā)源于昔陽縣沾尚鄉(xiāng)馬道嶺，先后匯入龍泉河、木瓜河，流域面積1 273 km2，在松塔水電站下游的壽陽縣蘆家莊與白馬河匯合為干流。以下沿途又有涂河、澗河等支流匯入，瀟河全長147 km，流域面積3 894 km2。

壩址以上為大部分砂頁巖土石山區(qū)與小部分黃土丘陵區(qū)，流域屬大陸性半干旱氣候，多年平均降水量483 mm，降水量年際變化較大，且年內(nèi)分配不均勻，汛期降水量約占全年的70%。

瀟河流域水文觀測站有宜銅鋪、獨堆、蘆家莊、瀟河大壩4處。宜銅鋪、獨堆位于壩址控制流域內(nèi)，工程建成后，獨堆站遷至松塔。

2 水電站入庫泥沙分析

2.1 壩址輸沙量計算

泥沙來量主要集中于汛期，由獨堆水文站實測資料統(tǒng)計，多年平均輸沙率24.6 kg/s，多年平均含沙量11.8 kg/m3，實測最大含沙量284 kg/m3，實測最小含沙量0 kg/m3，實測多年平均懸移值輸沙量54.1萬t，以此推算壩址多年平均懸移值輸沙量為55.2萬t，考慮10%的推移值，多年平均總輸沙量為60.7萬t。壩址輸沙量系列見表1。

表1 獨堆站、壩址輸沙量系列表 單位：萬t

2.2 級配組成

獨堆水文站無泥沙顆粒級配資料，蘆家莊水文站1974年以后有該項分析測驗成果，盡管70年代以后大水年份較少，多屬小水沙樣，經(jīng)分析挾沙粒徑與洪水流量基本無關，而與沙源關系很大，選擇了獨堆水文站以上有較大洪水，而白馬河基本不發(fā)水時蘆家莊水文站的懸移質斷面平均顆粒級配。

以蘆家莊水文站1974～2004年中選擇了29場洪水的顆粒級配曲線，并通過點據(jù)中心繪一條平均顆粒級配曲線，顆粒級配見表2。可以看出，該顆粒級配情況，符合砂頁巖土石山區(qū)的來沙特性。

表2 泥沙顆粒積配表

2.3 入庫泥沙沖淤分析

按照淤積形態(tài)判別公式：

式中：α′——泥沙淤積形態(tài)判別指數(shù)；

V——水庫總庫容，萬m3；

Ws——入庫沙量，萬m3；

J0——庫區(qū)原始河道比降，%。

當α′＞2.2，為三角洲淤積，α′＜2.2時，為錐體淤積。

計算出α′＞2.2，為三角洲淤積形態(tài)。

工程運行30年后壩前淤積總量為211萬m3。相應淤積高程985.50 m?？紤]大壩前庫岸塌方224萬m3，壩前淤積高程為989.90 m。淤積計算成果見表3。

表3 淤積計算成果表

3 水電站泥沙控制措施

3.1 布置導流泄洪排沙洞

洞底坎高程是決定排沙效果、恢復槽庫容大小、保持終極庫容大小的決定性因素。根據(jù)恒山等水庫研究成果，洞底坎高程越低，對滯洪排沙效果越突出，控制形成槽庫容的侵蝕基準面越低，沖刷形成的槽庫容量大，但洞底高程越低，沖刷形成主槽的縱比降變陡，在運用中必然有較粗的泥沙推向壩前，對蓄水后的滯洪排沙和沖刷恢復槽庫容不利，因而洞高程也不能太低，綜合考慮，根據(jù)來沙粒徑情況，取中等粒徑0.041 mm作為推向壩前推移質的臨界控制粒徑。

沖槽縱坡比降公式：

式中：J0——沖槽縱坡比降；

ρ——汛期平均含沙量，kg/m3；

Q——汛期平均流量，m3/s；

d50——臨界控制中粒徑，mm。

計算得，d＞0.041 mm時，沙粒不會推向壩前的縱坡比降為J0≤0.005 6。

洞底高程Δh計算公式：

式中：Z?！：撕樗?，m；

L——校核洪水位相應回水長度，m。

計算出Δh為975.2 m，取洞底高程高出原河床8.5 m，即洞底高程為975.5 m。

洞子的泄流規(guī)模綜合考慮施工導流、泄洪和沖沙作用，內(nèi)徑5.5 m，圓形斷面，出口設有檢修平板鋼閘門、弧形工作鋼閘門，蓄水排沙時可以依靠閘門控制泄量，設計洪水位1 027.41（P=1%）情況下泄量為594 m3/s，校核洪水位1 028.22（P=0.1%）情況下泄量為599 m3/s。

3.2 采取合理有效的水沙調度運用方式

3.2.1 開展泥沙觀測

水電站多年平均入庫總沙量60.7萬m3，正常蓄水位1 027.00 m，相應的庫容9 170萬m3，庫沙比151。為掌握工程建成后的泥沙淤積分布、數(shù)量、水沙平衡、出庫泥沙粒徑組成及沖淤變化規(guī)律，制定合理的調水、調沙方案，充分發(fā)揮工程效益，同時為庫區(qū)整治、泥沙研究提供資料，開展了泥沙觀測。

（1）基本設施和儀器設備

水電站庫水位變幅約30 m，不易形成穩(wěn)定的冰蓋，冰上作業(yè)難以實現(xiàn)，淤積測驗采用船測法，橫斷面測量選擇在每年汛后10～11月份，配備一條機動測船，其它設備有回聲測深儀、經(jīng)緯儀、水準儀等。

測定懸移質泥沙通過采樣器汲取河水水樣，經(jīng)過水樣處理后，求得含沙量，配置瞬時泥沙采樣器5個、積時泥沙采樣器5個及現(xiàn)場測沙儀3套。對采樣泥沙進行分析配置的設備有烘箱2個，烘杯30個，分沙器2個，量杯3個，天平2臺，水樣桶100個，比重瓶3套，溫度計4只，干燥器4個。

（2）淤積觀測

采用斷面法對最高蓄水位以下的全庫區(qū)進行泥沙淤積測驗，正常蓄水位時回水長度約11.92 km，庫區(qū)段地形比較復雜，有較大支流匯入，斷面布設范圍從壩前至淤積末端以上1～2個斷面，布設了38個橫斷面，其中干流段21個，5條支溝共布設了17個。泥沙淤積測驗每年汛后測驗一次，特枯年份不安排測驗。按照該38條橫斷面和天然情況下河道縱斷實測斷面間距計算的庫容與地形法計算的庫容相差約10%，見表4。

表4 庫容曲線表

工程運行6年來，最高蓄水位達到1 023 m，經(jīng)泥沙實測資料分析計算，淤積量為240萬m3，比設計計算成果少14%，考慮這幾年流域內(nèi)水保治理拉蓄泥沙成效，基本吻合，見圖1。

圖2 壩址水位～庫容曲線

3.2.2 采取合理有效的水沙調度運用方式

根據(jù)泥沙觀測資料，掌握每年入、出庫的泥沙總量并進行水沙量平衡計算，核定實際排沙比，確定出庫泥沙級配，以掌握不同運行方式下的排沙效果，采取合理的運用方式。

庫水位低于982.10 m時，無壓泄流，高于985.84 m時，有壓泄流，起調水位1027m，當入庫洪水不高于20年一遇時，僅開啟洞子泄洪，下泄流量不超過594 m3/s，遭遇20年一遇洪水時只開啟洞子的最大泄量；當洪水位超過20年一遇洪水位1 027.40 m時，開啟全部泄洪建筑物敞泄，直至庫水位降到1 027 m。庫水位與洞子泄量關系見表5。

表5 庫水位與泄洪排沙洞泄量關系

水電站運行年限按30年計算，來沙量1 821萬t，汛期棄水有少量異重流排沙，排沙比4%，泥沙干容重按1.25 t/m3，排沙后的淤積量還有1 399萬m3，預計壩前淤積高程989.90 m，高于導流泄洪排沙洞洞底高程975.50 m。汛期經(jīng)常開啟洞閘門泄流，在洞子進口的上游庫區(qū)將會形成漏斗狀水流通道，漏斗形態(tài)比較穩(wěn)定，洞子在每年汛期基本都要泄流，不會造成淤積孔口堵塞現(xiàn)象。隨著泥沙觀測資料的分析，調度運行方式將合理調整。

3.3 加快流域內(nèi)的水土保持治理

從6年來松塔水電站流域水保治理措施攔蓄的泥沙來看（見表6），水土保持對于控制水土流失，改變下墊面條件，減少泥沙來源，減輕淤積是行之有效的。今后應加快水土保持綜合治理步伐，采取攔泥淤地、整修梯田、植樹造林、種植牧草等綜合治理措施控制水土流失，減少入庫泥沙。

表6 2011—2017年流域各項治理措施攔蓄的泥沙量 單位：萬t

4 結語

第一，在多泥沙河流上修建工程，設計階段收集水文、泥沙、地形等方面的資料，計算來水來沙量對于合理布置泄洪排沙建筑物、確定調度運用方式是非常必要的。第二，泄流排沙建筑物應盡可能位于主流區(qū)，最好設在壩體的主流位置。對于山區(qū)河流上采用異重流排沙的建筑物，底坎高程應根據(jù)來沙粒徑情況合理確定。第三，開展泥沙淤積觀測，能真實地反映淤積度，為探索工程的淤積規(guī)律及綜合治理提供可靠依據(jù)。第四，工程管理應注重泥沙淤積監(jiān)測及入庫洪水的水、沙要素分析研究，確定適合本工程的調度運用方式。