譚志國(guó) 烏蘇市興禹水利工程建筑有限公司

1.工程概況

北方某大（一）型水庫(kù)正常蓄水位1820.00m，庫(kù)容為21.29億m3，死水位1770.00m，死庫(kù)容為8.69億m3。水文資料表明，該水庫(kù)多年懸移質(zhì)輸沙量為2983萬(wàn)噸，推移質(zhì)輸沙量為382噸，庫(kù)沙比為84.73，屬于泥沙問(wèn)題較為嚴(yán)重的水庫(kù)。由于地區(qū)降水量分布極不均勻，泥沙分配也表現(xiàn)為極不均勻的特征，其中豐水期6-8月水庫(kù)凈流量為68.5%，懸移質(zhì)泥沙輸沙量占比為89.9%。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，得到懸移質(zhì)泥沙以粗粉土、中細(xì)砂和粗砂為主，占比分別為51.3%、48.4%和0.3%，推移質(zhì)泥沙主要由粗沙、砂石和卵石組成，其占比分別為12.7%、16.5%和70.5%。

為確保該水庫(kù)順利運(yùn)行與泥沙淤積不相矛盾，針對(duì)該水庫(kù)擬定了2種調(diào)度運(yùn)行模式，研究對(duì)不同調(diào)度運(yùn)行模式下的泥沙淤積特征進(jìn)行了詳細(xì)研究，其中2種水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 水庫(kù)擬采用的調(diào)度運(yùn)行方式

2.水力模型設(shè)計(jì)

定模型的水平比尺為λL，垂直比尺λH，變率為5。研究表明，當(dāng)研究對(duì)象設(shè)施對(duì)河道泥沙運(yùn)行為主要研究對(duì)象時(shí)，模型的變率宜選定為2～5，本文模型變率為5，選定的參數(shù)對(duì)垂直方向的動(dòng)力和動(dòng)態(tài)有一定的影響，但是依據(jù)其他學(xué)者研究結(jié)果顯示，選定變率為5時(shí)，水利模型試驗(yàn)?zāi)軌蚍从乘畮?kù)泥沙淤積的實(shí)際變化情況。流速比尺為10，流量比尺為50000，糙率比尺為0.963，水流時(shí)間比尺為50。

水力模型中泥沙模擬需要分別對(duì)懸移質(zhì)泥沙和推移質(zhì)泥沙進(jìn)行模擬，選定密度ρ=1.45＊103kg/m3的電木粉為模型沙，依據(jù)相似原則，分別確定懸移質(zhì)泥沙和推移質(zhì)泥沙的水力相似參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 泥沙水力相似參數(shù)

3.試驗(yàn)成果分析

3.1 淤積演變過(guò)程特征

壩后泥沙淤積演化過(guò)程隨運(yùn)行時(shí)間之間的演化關(guān)系見(jiàn)圖1。從圖中可以看出，水庫(kù)在不同運(yùn)行方式下，壩后泥沙淤積三角洲演化規(guī)律相似，均表現(xiàn)為隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，泥沙淤積三角洲逐漸向大壩靠攏，且泥沙淤積三角洲頂端淤積高程與壩前水位基本相同，泥沙淤積三角洲尾部高程與下游河段地勢(shì)高程基本一致，呈現(xiàn)出較為明顯的過(guò)度特征。對(duì)比觀察圖1和圖2中不同運(yùn)行方式下水庫(kù)壩后泥沙淤積三角洲差異不難發(fā)現(xiàn)，前50年運(yùn)行過(guò)程中，2種不同運(yùn)行方式下泥沙淤積三角洲差異較為明顯，其中運(yùn)行方式1下淤積三角洲頂端距離大壩約為16km，頂端高程達(dá)到1813m；運(yùn)行方式2泥沙淤積三角洲頂端距離大壩約為6km,頂端高程約為1770m。水庫(kù)運(yùn)行后50年中，2種水庫(kù)運(yùn)行方式一致，均為汛期低水位，非汛期高水位，此運(yùn)行階段中，泥沙淤積三角洲演變趨勢(shì)逐漸趨于一致，當(dāng)運(yùn)行100年結(jié)束時(shí)，泥沙淤積三角洲頂端逐漸推移至壩前，淤積高程約為1770m,基本達(dá)到水庫(kù)低水位界限值。觀察2種不同運(yùn)行方式，可以得出水庫(kù)的初步的泥沙淤積平衡年限為90年。

圖1 壩后泥沙淤積演化特征

3.2 淤積形態(tài)特征

壩后特定斷面處泥沙淤積特征見(jiàn)圖2。由圖2可以得到，水庫(kù)按照方式1運(yùn)行調(diào)度時(shí)，壩后特定斷面泥沙淤積面在前50年呈現(xiàn)逐漸上升狀態(tài)，且在該運(yùn)行方式下泥沙淤積面高程超過(guò)斷面下陷地勢(shì)面，在后50年的運(yùn)行調(diào)度下，泥沙淤積面逐漸降低至斷面下陷地勢(shì)面，逐漸與該地勢(shì)面融為一體。水庫(kù)按照方式2運(yùn)行時(shí)，在該特征斷面處泥沙淤積面逐漸與斷面下陷地勢(shì)面融為一體，泥沙淤積特征面在運(yùn)行期呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。對(duì)比2種不同運(yùn)行方式，可以得出運(yùn)行方式1下，泥沙更容易產(chǎn)生淤積。

圖2 壩后特定斷面泥沙淤積特征

3.3 庫(kù)容及預(yù)計(jì)量特征

分別計(jì)算不同運(yùn)行方式下水庫(kù)的庫(kù)容特征值和淤積量特征，見(jiàn)表3。對(duì)比2種不同運(yùn)行方式下各個(gè)特征水位及泥沙淤積參數(shù)，可以得出：水庫(kù)分別在方式1和方式2下運(yùn)行50年時(shí)，方式1比方式2泥沙淤積增加了3233萬(wàn)m3,由此說(shuō)明運(yùn)行方式1下泥沙淤積程度更為嚴(yán)重，導(dǎo)致水庫(kù)在方式1下運(yùn)行時(shí)，水庫(kù)正常蓄水位以下泥沙淤積量增加2308萬(wàn)m3，死水位以下泥沙淤積量增加14564萬(wàn)m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容泥沙淤積量增加12284萬(wàn)m3，由此直接說(shuō)明方式2對(duì)減少水庫(kù)泥沙淤積有明顯的促進(jìn)作用。當(dāng)水庫(kù)在2種方式下運(yùn)行100年時(shí)，此時(shí)2種運(yùn)行方式下泥沙淤積程度相差不大，但是整體而言也表現(xiàn)為方式2淤積程度較方式1更小。由此進(jìn)一步說(shuō)明當(dāng)保持汛期低水位、非汛期高水位運(yùn)行時(shí)，水庫(kù)淤積程度更小，更有利于水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中排沙。

表3 2種運(yùn)行方式的庫(kù)容與淤積量特征（104m3）

綜上所述，不同運(yùn)行方式下水庫(kù)的泥沙淤積演化特征、泥沙淤積形態(tài)特征與水庫(kù)淤積程度均表現(xiàn)出明顯的差異性，對(duì)比運(yùn)行方式1和運(yùn)行方式2水庫(kù)泥沙淤積特征，認(rèn)為汛期低水位、非汛期高水位更有有利于降低水庫(kù)泥沙淤積程度，增加水庫(kù)排沙能力，研究為該水系中水庫(kù)運(yùn)行方式提供參考。

4.結(jié)論

（1）水庫(kù)運(yùn)行前50年，在按照方式1進(jìn)行水庫(kù)調(diào)度時(shí)，壩后泥沙淤積三角洲距離大壩距離較遠(yuǎn)，頂端高程較大；按照方式2進(jìn)行調(diào)度時(shí)，壩后泥沙淤積三角洲距離大壩較近，頂端高程較?。缓?0年，方式1和方式2泥沙淤積三角洲演化特征一致，泥沙淤積三角洲頂端逐漸向大壩靠近，頂端高程逐漸趨于水庫(kù)汛期低水位。

（2）方式1運(yùn)行下，前50年泥沙淤積面逐漸上升，最高面超過(guò)特征斷面地勢(shì)面，后50年泥沙淤積面逐漸降低，最后趨于該斷面地勢(shì)面；方式2運(yùn)行下，泥沙淤積面逐漸上升至該斷面地勢(shì)面。

（3）水庫(kù)運(yùn)行前50年，方式1淤積程度較方式2更為明顯，水庫(kù)運(yùn)行后50年時(shí)，2水庫(kù)淤積程度逐漸趨于一致；水庫(kù)按照方式2調(diào)度運(yùn)行時(shí)，水庫(kù)淤積程度小，排沙能力強(qiáng)。