紅石峁水庫泥沙問題分析及減排技術(shù)設(shè)計研究

張越峰

﹙陜西省三門峽庫區(qū)華華陰河務(wù)局，陜西 華陰715200)

紅石峁水庫地處陜北黃土高原區(qū)，水庫所在河流水系屬黃河一級支流清澗河左側(cè)支流紅石峁河。該區(qū)氣象特征明顯，冬季寒冷、漫長，夏季炎熱、短暫;多年平均氣溫9.3℃，極端最低氣溫－24.1℃，極端最高氣溫39.0℃，凍土深度103 cm;年降水量500 mm左右，且時空分布不均，多集中在7～8月份，約占全年的70%左右。工程區(qū)地貌以黃土丘陵溝壑為主，支離破碎。植被呈灌木草被，黃土裸露，水土流失嚴重，土壤侵蝕模數(shù)在13 000 T/km2左右，產(chǎn)水量少，產(chǎn)沙量多，是該區(qū)的顯著特點。

1 概況

1.1 來水

紅石峁水庫以上河道長15.3 km，河床平均比降10.8‰，流域面積77.0 km2。壩址處徑流分析計算成果見下表:

表1 紅石峁水庫徑流量表 萬m3

多年平均徑流量356萬m。其中7月、8月徑流量分別占全年徑流量的23.8%和22.8%，較集中。

洪水主要由暴雨產(chǎn)生，也多發(fā)生在7、8月份，經(jīng)分析計算，50年一遇洪水洪峰流量為748 m3/s，洪量335.4萬m3;1000年一遇洪水洪峰流量為1 620 m3/s，洪量826.3萬m3。

1.2 來沙

經(jīng)分析計算，水庫大壩斷面多年輸沙模數(shù)為13 165 T/km2，壩址多年平均輸沙量74.8萬m3。月輸沙量見表2:

表2 紅石峁水庫多年平均月輸沙量表

由上表可看出，4～10月份來沙量74.7萬m3，接近全年來沙量，其中7、8月份來沙量63.5萬 m3，占年來沙量的84.9%;4～10月份水流含沙量在4.73 kg/m3～394 kg/m3之間，7個月水流平均含沙量159.99 kg/m3，占年平均含沙量的71.4%;其中6、7、8月水流平均含沙量分別為198 kg/m3、394 kg/m3、329 kg/m3，平均含沙量 307 kg/m3。水流挾沙期主要集中在6、7、8三個月，三個月來沙量69.9 kg/m3，占全年來沙量的93.5%。

經(jīng)對泥沙顆粒分析，中值粒徑 D50=0.039 mm，D75=0.061 mm，D90=0.096 mm。泥沙顆粒級配見表3:

表3 泥沙顆粒級配表

2 泥沙危害及減排措施研究

紅石峁水庫流域降雨偏少，植被較差，水土流失嚴重;河流產(chǎn)水量小，產(chǎn)沙量大，年徑流水沙比大于5∶1。水庫在攔蓄來水的同時，亦攔蓄了上游來沙，經(jīng)分析，壩址斷面多年平均懸移質(zhì)來沙量74.8萬 m3，如若不采取措施，水庫將在不到20年時間內(nèi)被淤滿，工程設(shè)計效益亦將會隨之喪失。所以，研究其泥沙規(guī)律，制定理性的，較為合理的減排措施，是十分必要的。

針對水庫淤積問題，尤其是現(xiàn)代建庫蓄水，泥沙處理是必須要考慮的問題。目前國內(nèi)外普遍采用的措施:一是上游攔截，即通過工程措施和生物措施，攔泥攔沙，增加植被覆蓋，減少水土流失，僅可能的將泥沙攔截在水庫水域以外，減少入庫泥沙量;二是設(shè)置排沙設(shè)施，如排沙底孔(渠)，或采用機械挖除，將已人庫泥沙盡可能的排(挖)出庫;三是設(shè)計合理的運行方式，如蓄清排渾，如利用異重流排沙，如汛季暢泄沖沙等。不同的方法均應(yīng)以不同的工程實際條件而合理選用。

就紅石峁水庫而言，采取上游水保措施，筑壩攔泥，生物保護，是可行的，但是，需要時間，見效較慢，與水庫修建和運行不相同步，只能作為遠期目標去實現(xiàn);采取蓄清排渾，汛季暢泄排沙，對于這一嚴重缺水區(qū)也是不盡合適的;經(jīng)綜合分析認為，利用異重流排沙，以延長工程使用壽命，是符合紅石峁水庫工程實際的。

3 異重流排沙技術(shù)設(shè)計

3.1 異重流形成條件

由前邊水流輸沙過程分析可看出，水庫輸沙集中在汛季的6、7、8三個月，三個月懸移質(zhì)來沙合計69.9萬m3，占全年懸移質(zhì)輸沙總量的93.45%，輸沙期相對集中，有利于實施異重流排沙。

6、7、8月洪水挾沙含量分別為:198 kg/m3、394 kg/m3、329 kg/m3，渾水密度較清水大1.2～1.4倍，有形成異重流體的密度條件。河床比降10.8/00，水庫蓄水域相對平順，潛入條件也是具備的。

3.2 異重流潛入點及潛入點止壩前距離

入庫河床寬度38 m，水域河床平均寬度77 m，水面平均寬度270 m，河床比降10.8/00。設(shè)計洪峰流量 Q=748 m3/s，洪水總量 w=335.4萬 m3，校核洪峰流量 Q=1 620 m3/s，洪水總量 w=826.3萬 m3。

公式中:h為潛入點處水深;q為洪水單寬流量;ηg為重力修正系數(shù);k為系數(shù))。

經(jīng)計算，紅石峁水庫遭遇設(shè)計洪水時，異重流潛入點處水深 h設(shè) =13.4 m，校核洪水時，h校=22.4 m，潛入點距壩前距離分別為2 498.2 m和1 664.8 m，這也說明，設(shè)計洪水及校核洪水均有形成異重流的流動條件。

3.3 異重流有效排沙時間

異重流有效排沙時間，即是指某一場洪水自漲至落的持續(xù)時間，減去洪水自入庫止?jié)撊朦c的傳播時間及自潛入點止壩前的推演歷時后所剩余的時間。可用如下關(guān)系式表示:t=t0－t1－t2。(式中:t0為洪水持續(xù)時間;t1為洪水自入庫止?jié)撊朦c間的傳播時間;t2為洪水自潛入點止壩前的時間;t即為異重流有效排沙時間。

洪水持續(xù)時間是由洪水過程分析計算而求得的，紅石峁水庫的設(shè)計洪水及校核洪過程歷時分別為:t0設(shè)=11.5 h和t0校=12.8 h。

洪水自入庫止?jié)撊朦c這段時間，是由此段洪水流速及潛入點前的距離就可計算出的。

異重流自潛入點止到達壩前的歷時，可由公式:t2=c求得。(式中:l2為異重流潛入點距壩前的距離;q為異重流單寬流量;s1為異重流含沙量;j0為河床比降;c為系數(shù))。

經(jīng)計算，紅石峁水庫設(shè)計洪水及校核洪水時，t2設(shè)=2 942秒;t2校=1 516秒。最終求得紅石峁水庫設(shè)計洪水和校核洪水分別形成異重流的有效排沙時間為t設(shè)=10.45h;t校=12.1 h。

4 排沙量分析

經(jīng)對洪水分析，設(shè)計流域發(fā)生洪水過程以單次居多，連發(fā)洪水過程很少。所以排沙運行以單次洪峰過程排沙考慮，即每遇洪水入庫形成異重流即排沙的運行方式。

影響水庫排沙因素較多，涉及入庫水流挾沙量，河床比降，糙率，水庫清水域范圍，排出孔口高程，出庫流量等因素。

《泥沙手冊》中介紹了多位學者關(guān)于異重流排沙的理論研究及國內(nèi)外已成工程排沙實踐研究，但就具體工程而言，還應(yīng)顧及個性工程特點并合理地分析計算確定其排沙比。

根據(jù)紅石峁水庫產(chǎn)水產(chǎn)沙特性及工程條件，假定水庫異重流中的關(guān)系在沿程為常數(shù)，再利用ν－D90關(guān)系及式就可分別求算出異重流分段流速，(式中:V為異重流流速;w為挾帶泥沙的沉速;ν1為紊動流速;D90為異重流挾帶的較粗粒徑;ρ為流體密度;Δρ為相對清水的密度差;q為單寬流量;jb為計算段比降)。有了流速，就可由ν－D90關(guān)系中查算得D90值，再由泥沙級配曲線上求得與 D90相對的百分數(shù)(p)，即可求算出計算斷面處的含沙量。

為便于計算，取平均流速ν1.64 m3/s，異重流平均含沙量 307 kg/m3。由 ν－D90關(guān)系求得 D90為 0.046 mm，由泥沙級配曲線查得D90=0.046 mm對應(yīng)的p=60.5%，出庫斷面含沙量就可算出。并由此推算出排沙比為0.672;當j0=1/2 000 時，η =0.33。

經(jīng)分析計算，紅石峁水庫初期運行時，其排沙比在0.7左右，這說明初運行期的排沙效果還是比較好的。隨著水庫運行期的延長，推移質(zhì)及排后剩余的懸移質(zhì)會逐年增多，這些泥沙會逐漸地改變著河床形態(tài)，改變著排沙條件，改變著排沙效果。當河床坡降達到1/2 000左右時，排沙比為0.194 ～0.33。

經(jīng)過分析計算可得出這樣的結(jié)論:對于蓄渾水庫，盡管采取了排沙措施，但只能是減少，推遲淤積。盡管如此，采用異重流排沙對于多泥沙河流水庫減淤運行，延長使用壽命，還是十分有意義的。

［1］中國水利學會泥沙專業(yè)委員會，泥沙手冊(第一版)［M］北京，環(huán)境科學出版社，1989.

［2］沙玉清，泥沙運動學引論［M］，中國工業(yè)出版社，1965.

［3］范家驊，異重流泥沙淤積的分析﹝J﹞，中國科學，1980.

［4］韓其為等，異重流的輸沙規(guī)律﹝J﹞，人民長江，1981.