涇河東莊水利樞紐工程雙泥沙侵蝕基準面排沙研究

2021-11-08 18:13:35張金良

人民黃河 2021年10期

摘要：針對涇河東莊水利樞紐攔沙庫容淤損快、淤損后無法重復(fù)利用等問題，提出在壩前創(chuàng)造“正常+非常”雙泥沙侵蝕基準面實現(xiàn)攔沙庫容再生利用的設(shè)計理念和排沙技術(shù)。采用理論分析、數(shù)學模型計算、實體模型試驗等方法，對東莊水庫設(shè)置排沙泄洪深孔和非常排沙底孔、僅設(shè)置排沙泄洪深孔兩種工程布置進行對比分析，結(jié)果表明，設(shè)置排沙泄洪深孔和非常排沙底孔形成的“正常+非常”雙侵蝕基準面可延長水庫攔沙庫容使用年限3 a，減少庫區(qū)淤積量3.92億m3，一次運用可恢復(fù)攔沙庫容近1.0億m3，實現(xiàn)“死”庫容“不死”，長期發(fā)揮水庫攔沙減淤效益。研究成果促成了工程落地，開啟了在100 kg/m3級以上含沙量河流上建設(shè)重大水工程的先河。

關(guān)鍵詞：雙泥沙侵蝕基準面;非常排沙底孔;水庫排沙;河道淤積;東莊水利樞紐

中圖分類號：TV62;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.007

引用格式：張金良.涇河東莊水利樞紐工程雙泥沙侵蝕基準面排沙研究[J].人民黃河，2021，43（10）：35-39.

Abstract： Aiming at the issues such as rapid silting loss of sediment storage capacity of Dongzhuang Hydraulic Project and inability to be reused after silting， the design concept and sediment sluicing technology of double sediment erosion base level in front of the dam to realize the recycling of sediment storage capacity were put forward. By theoretical analysis， 1D water-sediment mathematical model of reservoir and river channel and physical model experiment， two kinds of engineering layout were compared. One was to set up a low-level outlet for flood discharging and sediment sluicing and an extraordinary sediment bottom sluice simultaneously and another was to set only a low-level outlet for sand discharge and flood sluicing. The results show that the double erosion base-level design can prolong the service life of the sediment control capacity of the reservoir， reduce the accumulated silting in the reservoir area and reduce the silting in the lower reaches of Weihe River. At the same time， an engineering application method of forming double sediment erosion base level was proposed. The dead storage capacity was reused， the first major water projects on rivers with sediment concentration above 100 kg/m3 was opened.

Key words： double sediment erosion base level; extraordinary sediment bottom sluice; sediment sluicing of reservoir; channel sedimentation; Dongzhuang Hydraulic Project

1 引言

東莊水庫修建于涇河下游峽谷段，壩址控制流域面積4.31萬km2，占涇河流域面積的95%，占渭河華縣站控制流域面積的40.5%，幾乎控制了涇河的全部洪水泥沙。壩址斷面實測年均懸移質(zhì)輸沙量2.37億t，約占渭河輸沙量的72%、黃河輸沙量的20%。工程開發(fā)任務(wù)以防洪減淤為主，兼顧供水、發(fā)電及改善生態(tài)等綜合利用。防洪減淤是東莊水庫的主要任務(wù)，東莊水庫的入庫沙量是無限的，但水庫攔沙庫容是有限的。通過優(yōu)化水庫調(diào)度方式，可以實現(xiàn)有效庫容的長期保持，但無法實現(xiàn)水庫攔沙庫容的再生利用。

在我國多沙河流中，水庫淤積問題一直比較嚴重[1]，目前我國已經(jīng)在水庫長期保持有效庫容方面積累了很多成功的經(jīng)驗。陜西黑松林水庫自1962年起將原來的“攔洪蓄水”改為“空庫迎洪”，取得了顯著效果;鬧德海水庫于1973年將單純的滯洪運用改為汛后蓄水;三門峽水庫、青銅峽水庫、直峪水庫、恒山水庫等均改為“蓄清排渾”運用，基本控制了泥沙淤積，做到或接近達到水庫長期使用，特別是三門峽水庫加大泄洪流量而改建成功的經(jīng)驗，從實踐方面證實了綜合利用水庫是可以長期使用的[2-4]。針對水庫長期有效庫容保持，許多學者從理論方面開展了大量的研究，韓其為[2]從理論層面給出了水庫庫容長期使用的原理和依據(jù)，并給出了保留庫容的確定方法;涂啟華等[5]提出水庫淤積控制和有效庫容長期保持的條件是“水庫要修建在自然河道坡降大、具有侵蝕性的山區(qū)峽谷型河段上，在死水位、汛限水位的運用下要有足夠大的泄流排沙能力”。多沙河流水庫主要通過攔沙實現(xiàn)下游河道減淤，攔沙庫容淤滿后即失去攔沙減淤功能。三門峽水庫降水沖刷實踐證明，水庫在大流量出庫條件下，降低水位排沙會引起溯源沖刷，能夠提高水庫排沙比，恢復(fù)水庫庫容[6-8]，降水沖刷是恢復(fù)和長期保持水庫庫容的關(guān)鍵[9-10]。水庫水沙聯(lián)合調(diào)度也是庫容保持和淤損庫容恢復(fù)的常見措施[11]。對于大多數(shù)水庫，泥沙淤積是影響使用年限的主要因素[12]，為持續(xù)發(fā)揮水庫攔沙減淤效益，需要恢復(fù)攔沙庫容并實現(xiàn)攔沙庫容的重復(fù)利用[13]，但是目前國內(nèi)外關(guān)于攔沙庫容重復(fù)利用的相關(guān)研究和設(shè)計技術(shù)幾乎為空白。

多泥沙河流水庫庫區(qū)淤積形態(tài)塑造和有效庫容保持依賴于庫區(qū)泥沙的溯源沖刷和沿程沖刷[14]，在一定的來水來沙條件下，溯源沖刷的長度、強度大小取決于泥沙侵蝕基準面的高低;沿程沖刷效率高低亦取決于泥沙侵蝕基準面的低或高（河道比降因素）。當前，國內(nèi)外多泥沙河流水庫均采用單一的泥沙侵蝕基準面（多數(shù)為死水位），由于水庫有效庫容設(shè)計采用的是長系列水沙條件下的總體結(jié)果，因此對于水沙系列中單年份大幅波動或連續(xù)極端年份（如連續(xù)枯水多沙年等）的實際運用，可能會出現(xiàn)侵占有效庫容現(xiàn)象，進而影響水庫效益發(fā)揮。對于超高含沙量河流，這種現(xiàn)象更為突出。

筆者以涇河東莊水庫為研究對象，結(jié)合多沙河流水庫設(shè)計的實踐經(jīng)驗，提出在死水位以下設(shè)置非常排沙底孔創(chuàng)造壩前臨時侵蝕基準面實現(xiàn)攔沙庫容再生利用的設(shè)計理念，即利用溯源沖刷和沿程沖刷發(fā)展機理，在正常泥沙侵蝕基準面之下，創(chuàng)建第二泥沙侵蝕基準面，在正常來水來沙情況下實現(xiàn)部分攔沙庫容再生和重復(fù)利用，在極端情況下實現(xiàn)有效庫容的保持，充分發(fā)揮水庫綜合效益，采用數(shù)學模型和實體模型試驗對“正常+非?！彪p泥沙侵蝕基準面設(shè)計效果進行研究。

2 研究對象、方法和數(shù)據(jù)

2.1 研究對象

研究對象為黃河二級支流涇河上的東莊水利樞紐工程。東莊水利樞紐工程壩址位于涇河干流最后一個峽谷段出口（張家山水文站）以上29 km，水庫總庫容32.68億m3，攔沙庫容20.53億m3。涇河東莊水庫來水含沙量高、來沙量大，多年平均輸沙量為2.37億t，平均含沙量為140 kg/m3，其中7月、8月平均含沙量分別達310、298 kg/m3，庫區(qū)河道彎曲、曲折系數(shù)達3.0，水庫泥沙問題極為復(fù)雜，庫容保持任務(wù)十分艱巨，當屬世界之最。水庫主要通過攔沙實現(xiàn)下游河道減淤，攔沙庫容淤滿后即失去攔沙減淤功能，在長期保持有效庫容的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)攔沙庫容的重復(fù)利用具有更加重要的意義。

為處理東莊水庫泥沙問題，采用“正常+非?！彪p泥沙侵蝕基準面的理念進行工程設(shè)計，如圖1所示。形成雙泥沙侵蝕基準面的途徑即在東莊水庫排沙泄洪深孔下方增設(shè)非常排沙底孔，其中排沙泄洪深孔進口底板高程為708 m，非常排沙底孔進口底板高程為693 m。開啟進口高程為708 m的排沙泄洪深孔排沙運用，相應(yīng)的泥沙侵蝕基準面為死水位756 m，形成的壩前泥沙侵蝕基準面為正常泥沙侵蝕基準面;短期開啟進口高程693 m的非常排沙底孔排沙運用，形成的非常泥沙侵蝕基準面為最低運行水位715 m（較正常泥沙侵蝕基準面降低41 m）。通過設(shè)置非常排沙底孔，充分利用有限的入庫洪水過程，快速降低庫水位，在庫區(qū)形成低于死水位的泥沙侵蝕基準面，通過劇烈的溯源沖刷，破壞庫區(qū)形成的淤積平衡形態(tài)，是實現(xiàn)攔沙庫容重復(fù)利用的有效措施。

東莊水利樞紐壩址原始河床高程為587 m，當淤積面高程低于排沙底孔進口高程時，水庫不具備排沙條件。當壩前淤積面高程介于非常排沙底孔進口底板高程693 m和排沙泄洪深孔進口底板高程708 m之間時，水庫具備通過非常排沙底孔排沙的條件，可通過合理調(diào)節(jié)水沙，減緩水庫和下游河道淤積，同時滿足供水需求，充分發(fā)揮水庫綜合利用效益。根據(jù)渭河下游河道洪水沖淤特性，當張家山發(fā)生流量大于600 m3/s、含沙量大于300 kg/m3的非漫灘高含沙洪水時，渭河下游沖刷較為明顯，主槽過洪能力增大。東莊水庫攔沙期遇入庫流量大于600 m3/s的來水時，開啟非常排沙底孔泄流排沙。

2.2 研究方法

2.2.1 水庫和河道一維水沙數(shù)學模型

采用水庫和河道一維水沙數(shù)學模型對同時設(shè)置排沙泄洪深孔和非常排沙底孔、僅設(shè)置排沙泄洪深孔兩種工程布置的庫區(qū)沖淤情況進行研究。模型原理及基本控制方程見文獻[9]。采用有限體積法對前述數(shù)學模型的控制方程進行離散，用基于交錯網(wǎng)格的SIMPLE算法處理流量與水位的耦合關(guān)系，離散方程求解時在進口給定流量和含沙量過程，出口給定河口平均水位，挾沙力公式采用適用于高含沙水流計算的張紅武公式[15]。該模型已通過三門峽水庫、小浪底水庫等多個多沙河流水庫實測資料檢驗[9]，能夠準確反映研究區(qū)域水沙輸移和泥沙沖淤特性。

2.2.2 實體模型試驗

東莊水庫壩區(qū)正態(tài)實體模型的范圍為壩址上游約4.2 km河段，模型主要比尺見表1。相應(yīng)的模型長度約42 m，高度為1.65 m。模型水庫采用200 m3的地下水庫、200 m3的地表水庫以及2個100 m3的渾水攪拌池，保證在正常蓄水位下進行模型試驗。采用有機玻璃作為材料，其糙率系數(shù)約為0.008，與發(fā)電洞、排沙孔要求的糙率系數(shù)基本一致，能滿足管道的阻力相似、流速流態(tài)相似。模型沙選配主要考慮泥沙沉降相似、泥沙起動相似以及河床變形相似，采用高井電廠粉煤灰作為模型沙，模型沙容重為2.12 t/m3，而干容重與粒徑粗細有關(guān)，為0.70～0.77 t/m3，模型中的懸沙顆粒細、干容重較輕，取0.70 t/m3。

2.3 研究數(shù)據(jù)

2.3.1 長系列水沙條件

考慮東莊水庫攔沙30 a和正常運用50 a，數(shù)學模型計算水沙系列長度為80 a。以涇河張家山站為入庫設(shè)計代表站，設(shè)計入庫年均水量、沙量分別為12.21億m3、1.68億t，年均含沙量為137.59 kg/m3，其中汛期7—10月水量、沙量分別為7.99億m3、1.56億t，分別占年水、沙量的65.44%和92.86%，汛期平均含沙量為195.24 kg/m3，見表2。

2.3.2 典型洪水

選取1992年8月8—17日典型洪水，入庫水量為4.31億m3，沙量為1.83億t，逐日水沙過程見表3。進入壩區(qū)的水沙量經(jīng)庫區(qū)一維水沙數(shù)學模型計算得到。第3天水庫入庫流量為780 m3/s，提前1 d開啟非常排沙底孔敞泄排沙，根據(jù)非常排沙底孔泄流能力，第2天壩前水位降低至715 m。第8天隨著入庫流量的減小，非常排沙底孔關(guān)閉，水位開始回升。

3 結(jié)果與分析

采用水庫和河道一維水沙數(shù)學模型計算分析長系列水沙條件下非常排沙底孔運用對延長水庫攔沙運用年限、減緩庫區(qū)和渭河下游河道淤積的作用。采用數(shù)學模型計算、實體模型試驗論證水庫正常運用期典型洪水非常排沙底孔運用對攔沙庫容的恢復(fù)效果。

3.1 對攔沙年限與水庫淤積的影響

東莊水庫泄洪排沙深孔進口高程為708 m，比原始河床587 m高出121 m，只有當壩前淤積面高程達到一定高度后，才具備排沙出庫的條件。非常排沙底孔進口高程為693 m，比泄洪排沙深孔低15 m，水庫可更早排沙。設(shè)置非常排沙底孔，水庫運用第5年具備排沙條件，水庫庫區(qū)淤積速度慢，攔沙庫容淤滿年限為30 a;不設(shè)置非常排沙底孔，水庫運用第8年具備排沙條件，攔沙庫容淤滿年限為27 a。設(shè)置非常排沙底孔，可提前3 a排沙，延長水庫攔沙庫容使用年限3 a。數(shù)學模型計算的水庫累計淤積量變化過程見圖2。

不設(shè)置非常排沙底孔，水庫在正常運用50 a內(nèi)庫區(qū)最大淤積量為23.51億m3，槽庫容淤積2.98億m3，占設(shè)計調(diào)水調(diào)沙庫容3.27億m3的91.13%，調(diào)水調(diào)沙庫容被占用較多;庫區(qū)最小淤積量為20.97億m3，有近70%的年份淤積量在22.0億m3以上，槽庫容淤積量占用了調(diào)水調(diào)沙庫容3.27億m3的50%以上，近20%的年份淤積量在23.0億m3以上，槽庫容淤積量占用了調(diào)水調(diào)沙庫容3.27億m3的75%以上。水庫運用過程中多年保持庫區(qū)沖淤平衡，但攔沙庫容沒有得到恢復(fù)，且大部分時間占用了水庫的調(diào)水調(diào)沙庫容，計算期末庫區(qū)累計淤積量為23.26億m3。

設(shè)置非常排沙底孔，正常運用50 a內(nèi)庫區(qū)最大淤積量為21.60億m3，槽庫容淤積1.07億m3，僅占設(shè)計調(diào)水調(diào)沙庫容3.27億m3的32.72%;庫區(qū)最小淤積量為18.36億m3，水庫運用過程中累計淤積量小于攔沙庫容20.53億m3的年份為30 a，50 a內(nèi)可累計恢復(fù)攔沙庫容4.45億m3，計算期末庫區(qū)累計淤積量為19.34億m3，比不設(shè)置非常排沙底孔減少淤積3.92億m3。

可見，非常排沙底孔運用增強了水庫的排沙能力，庫區(qū)累計淤積量小于不設(shè)置非常排沙底孔方案，可快速恢復(fù)槽庫容，實現(xiàn)攔沙庫容的恢復(fù)和重復(fù)利用。

3.2 對渭河下游河道的減淤作用

渭河下游河道累計淤積量變化過程見圖3。根據(jù)計算結(jié)果，無東莊水庫條件下渭河下游河道將持續(xù)淤積，累計淤積量為16.61億t。東莊水庫投入運行后，不設(shè)非常排沙底孔和設(shè)置非常排沙底孔渭河下游河道累計淤積量分別為10.47億t和9.78億t，與同期無東莊水庫相比，累計減淤量分別為6.14億t和6.83億t，平均減少淤積厚度1.59 m和1.72 m，相當于無東莊水庫條件下47.4 a和51.2 a不淤積。設(shè)置非常排沙底孔比不設(shè)非常排沙底孔渭河下游河道多減淤0.69億t，其中正常運用期50 a內(nèi)，比不設(shè)非常排沙底孔多減淤0.48億t。

3.3 典型洪水時對恢復(fù)攔沙庫容的作用

東莊水庫進入正常運用期后，主汛期一般情況下在汛限水位和死水位之間調(diào)水調(diào)沙運用。來洪水時防洪運用，沖淤平衡形態(tài)將會出現(xiàn)兩種極端狀態(tài)：一種為在水庫降低水位至死水位排沙時達到?jīng)_淤平衡后形成的對應(yīng)于壩前死水位的深槽狀態(tài);另一種為在水庫調(diào)水調(diào)沙運用和防洪運用過程中沖淤平衡河槽逐漸淤高形成的對應(yīng)于汛限水位的高槽狀態(tài)。基于兩種河槽淤積形態(tài)，分別分析1992年典型洪水數(shù)學模型計算和實體模型試驗的水庫沖刷效果。

3.3.1 數(shù)學模型計算結(jié)果

高灘深槽邊界，第2天非常排沙底孔開啟后壩前水位降低，庫壩區(qū)沖刷以溯源沖刷的形式向上游發(fā)展，第3天末溯源沖刷至壩前30.0 km，庫壩區(qū)累計沖刷2 709萬t。隨著水庫持續(xù)敞泄排沙，溯源沖刷逐漸向上游發(fā)展，同時庫區(qū)沿程發(fā)生沖刷。第4天末溯源沖刷至壩前45.0 km，壩前淤積面高程為694.15 m，壩前40 km沖刷降低2.39 m，庫壩區(qū)累計沖刷泥沙5 454萬t。第7天末溯源沖刷至壩前60.0 km，庫壩區(qū)累計沖刷泥沙8 115萬t。第8天隨著入庫流量的減小，非常排沙底孔關(guān)閉，水庫水位逐漸回升?？傮w而言，非常排沙底孔運用實現(xiàn)了庫壩區(qū)沿程沖刷和溯源沖刷，較大幅度地降低了壩前泥沙淤積面，有效地恢復(fù)水庫攔沙庫容6 242萬m3，其中溯源沖刷作用大于沿程沖刷，庫區(qū)下段沖刷量大于上段。圖4為高灘深槽條件下發(fā)生1992年典型洪水時河床縱剖面變化情況。

高灘高槽邊界，第2天非常排沙底孔開啟后壩前水位降低，第3天末庫壩區(qū)累計沖刷泥沙3 764萬t，第4天末庫壩區(qū)累計沖刷泥沙6 878萬t，第7天末庫壩區(qū)累計沖刷泥沙10 588萬t。第8天隨著入庫流量的減小，非常排沙底孔關(guān)閉，水庫水位逐漸回升。非常排沙底孔運用實現(xiàn)了庫壩區(qū)沿程沖刷和溯源沖刷，較大幅度地降低了壩前泥沙淤積面，有效地恢復(fù)水庫攔沙庫容8 144萬m3。圖5為高灘高槽條件下發(fā)生1992年典型洪水時河床縱剖面變化情況。

3.3.2 實體模型試驗結(jié)果

試驗初始地形條件為高灘高槽和高灘深槽邊界，壩前泥沙淤積面高程為725 m。試驗結(jié)果見圖6，兩種河床邊界條件下，開啟非常排沙底孔壩區(qū)沖刷效果顯著，壩前1.3 km范圍內(nèi)河床下降了30～50 m。

4 結(jié) 論

（1）東莊水庫主要通過攔沙實現(xiàn)渭河下游河道減淤，攔沙庫容淤滿后即失去攔沙減淤功能。針對東莊水庫攔沙庫容淤損快、有效庫容難以保持等問題，提出在死水位以下創(chuàng)造壩前臨時侵蝕基準面實現(xiàn)攔沙庫容重復(fù)利用的設(shè)計理念，發(fā)明了低水位非常排沙孔和雙高程進口排沙孔布置設(shè)計技術(shù)，形成“正常+非?！彪p泥沙侵蝕基準面，實現(xiàn)有效庫容長期保持和攔沙庫容重復(fù)利用。

（2）采用庫區(qū)和河道一維水沙數(shù)學模型、壩區(qū)實體模型試驗等方法對同時設(shè)置排沙泄洪深孔和非常排沙底孔、僅設(shè)置排沙泄洪深孔兩種工程布置的庫區(qū)沖淤情況進行研究。結(jié)果表明，設(shè)置非常排沙底孔，可延長水庫攔沙庫容使用年限3 a，庫區(qū)累計淤積量減少3.92億m3，一次運用可恢復(fù)攔沙庫容近1.0億m3，實現(xiàn)“死”庫容“不死”。非常排沙底孔運用可實現(xiàn)庫壩區(qū)沿程沖刷和溯源沖刷，較大幅度地降低壩前泥沙淤積面，有效恢復(fù)水庫攔沙庫容，壩區(qū)沖刷效果顯著。

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