山西省中部引黃工程泥沙淤積及沖沙研究

楊紅喜

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院 山西太原030024）

本文以山西省中部引黃工程為例，在分析泥沙含量及其對淤積的影響的基礎(chǔ)上，提取了具體合理的的沖沙措施,為今后其他工程的設(shè)計建造提供了重要參考。

1 工程概況

山西省中部引黃工程自保德縣天橋水電站庫區(qū)取水，分別為忻州市保德縣；呂梁市的興縣、臨縣、離石、柳林、中陽、石樓、交口、孝義、汾陽九個縣（市/區(qū)）；臨汾市的隰縣、蒲縣、大寧、汾西四個縣；晉中市的靈石縣和介休市兩縣（市）的四市十六個縣（市/區(qū)）供水。年規(guī)劃供水6.02億m3（生活0.11億m3、工業(yè)2.59億m3、農(nóng)業(yè)3.32億m3），包括取水工程和輸水工程。取水工程位于保德縣境內(nèi)，設(shè)計取水流量23.55m3/s。輸水工程包括總干線、東干線、西干線以及各供水支線輸水，線路總長384.5km，其中總干線長200.22km。

2 水庫泥沙量時空分析

2.1 含沙量分析

河曲站含沙量資料經(jīng)分析后仍采用可研成果，河曲水文站2001—2008年實測含沙量資料統(tǒng)計見表1。由表1可知：2001—2008年，年平均含沙量為 0.072～1.42kg/m3。

表1 河曲站歷年逐月含沙量統(tǒng)計表 單位：kg/m3

續(xù)表1

2.2 含沙量天數(shù)分析

根據(jù)收集到的河曲站1986—1989年泥沙資料及延長后的資料分別對萬家寨水利樞紐建成前后河曲站含沙量進行統(tǒng)計分析，萬家寨建成以前河曲站含沙量連續(xù)大于5kg/m3的最長天數(shù)為45天（1988年7月11日～8月24日），次長天數(shù)為24天（1989年8月9日～9月1日），且高含沙量的情況一般發(fā)生在汛期。萬家寨水利樞紐建成蓄水后，河曲站含沙量大大減少，而且高含沙量的情況一般發(fā)生在3月份，連續(xù)大于5kg/m3的最長天數(shù)為6天（2007年3月20日～3月5日），次長天數(shù)為4天（2008年3月25日～3月28日）。

1989年的水沙關(guān)系可作為保證率95%的典型年，本年河曲站含沙量出現(xiàn)大于5kg/m3的連續(xù)天數(shù)為24天，全年含沙量大于5kg/m3的總天數(shù)為64天，主要出現(xiàn)在汛期8、9兩月和凌汛期。

2.3 泥沙顆粒級配

根據(jù)河曲水文站、義門水文站1985年前多年平均顆粒級配進行統(tǒng)計分析，河曲站平均粒徑為0.035mm，義門站平均粒徑為0.057mm。

3 天橋水電站水庫沖淤分析

天橋水電站建庫27年來，其間進行了數(shù)十次庫容測驗，加上上游6站的水文資料，對天橋庫區(qū)的沖淤變化進行了分析。天橋水電站蓄水發(fā)電以來，河道水流條件發(fā)生了改變，特別是支流來水多為洪水，含沙量大，粗顆粒泥沙多，使水庫淤積嚴(yán)重，庫容損失非常大。

從天橋水電站歷年庫容變化情況可以看出，自水庫運行以來到1998年，庫容呈明顯減小趨勢。庫容的年內(nèi)變化較大，一般非汛期（上年汛后至本年汛前）庫容增加，汛期減小，呈鋸齒狀變化。

從歷年沖淤量情況分析可以看出，較大的淤積均發(fā)生在汛期，較大的沖刷均發(fā)生在非汛期。汛期和非汛期的最大淤積量分別為2365萬m3（1982年）和804萬m3（1977年），最大沖刷量分別為641萬m3（1980年）和1572萬m3（1998年）。盡管淤積的次數(shù)與沖刷的次數(shù)大致相當(dāng)（各22次，由于缺測原因，均為不完全統(tǒng)計），但淤積量遠(yuǎn)大于沖刷量。這就是造成庫容逐年走低的原因。

天橋水庫1976年原始庫容為8971萬m3，發(fā)電運行初期（1976年10月—1979年10月），水庫庫容損失量為3773萬m3，平均每年損失庫容1258萬m3，年損失率14.0%；第二時期（1979年10月—1988年10月）水庫庫容損失量為2093萬m3，平均每年損失庫容233萬m3，年損失率2.6%；第三時期（1988年10月—1998年9月）水庫庫容損失量為1124萬m3，平均每年損失庫容112萬m3，年損失率1.2%；前三個時期的庫容損失分別占原始庫容的42.1%、23.3%、12.5%。也就是說，到1998年9月時，實際庫容1983萬m3，僅是原始庫容8971萬m3的22.1%，比最小庫容的1997年1651萬m3略大。第四時期（1998年9月—2003年9月）庫容增加了652萬m3，平均每年增加庫容130萬m3，年增量為1.5%，第四時期末的實際庫容2633萬m3，是原始庫容的29.4%，比第三時期末的22.1%增加了7個百分點。

水庫年內(nèi)沖淤變化較大，汛期一般為淤積。多年平均淤積量汛期為979萬m3，非汛期為-636萬m3，因此，可以認(rèn)定：天橋水庫建成蓄水以來基本以淤積為主，庫容呈逐年減少趨勢，且汛期平均為淤積，非汛期平均為沖刷，沖刷量一般小于淤積量。1989年以后淤積趨勢較為緩慢，1998年以后基本處于沖於平衡狀態(tài)。

4 天橋水電站水庫取水工程設(shè)計

4.1 泥沙問題及其解決措施

黃河原水含沙量較高，取水建筑物首先應(yīng)考慮設(shè)置沉沙設(shè)施進行泥沙處理。本工程取水口進水塔背后為禹保公路和岸坡陡崖，上、下游均為電站庫區(qū)，取水口附近沒有興建沉沙池的場地條件。同時，據(jù)收集的泥沙顆分資料分析，河曲站平均粒徑為0.035mm，小于0.05mm的泥沙比重約占74.76%，義門站平均粒徑為0.057mm，小于0.05mm的泥沙比重約占58.91%，設(shè)置沉沙池也無法解決懸移質(zhì)帶入泵站進水池和輸水隧洞。

基于上述因素，取水口處不設(shè)沉沙設(shè)施，配置吸泥船，在工程停止引水后，根據(jù)取水口前泥沙淤積情況進行吸泥清淤作業(yè)，盡量降低淤積高程，減少水流帶入的粗顆粒含量。在泵站進水池設(shè)置泥漿泵抽排解決進水池淤積問題。在主干線隧洞進口前，加長泵站壓力管道出水池長度，并加大出水池水深，降低池內(nèi)流速，盡可能多的沉積粗顆粒泥沙。隨水流挾帶的泥沙由沿線用水戶自行解決、處理。

4.2 取水存在的問題及解決方案

由工程取水水位和取水口泥沙淤積高程關(guān)系可以看出，取水水位無法滿足有壓進水口的淹沒水深要求，故取水口采用無壓取水方式。

同時，考慮天橋水電站為調(diào)峰電站，調(diào)節(jié)方式為日調(diào)節(jié)，庫區(qū)水位變動較頻繁。如采用進水塔閘門控制水位和取水流量，則閘門開度調(diào)節(jié)運行相當(dāng)頻繁，甚至無法進行調(diào)節(jié)控制。因此，初步確定采用泵站控制取水流量的運行方式，進水塔只設(shè)一道工作閘門，在非取水時段（泥沙含量超標(biāo)）或庫區(qū)水位超過設(shè)計最高取水位時，下閘關(guān)閉取水口擋沙。引水隧洞和引水暗涵斷面均按設(shè)計最高取水位情況下、隧洞為明流的工況進行設(shè)計。

4.3 清淤設(shè)計

泵站進水池底板高程805.5m，低于泵站鄰近溝道地面高程（820.0～832.0 m），設(shè)計采用高壓水槍配合2臺泥漿泵（Q=200 m3/h，55kW）抽排。為便于泥沙沖洗，進水池底板橫向向南側(cè)找1%的底坡，并在底板上沿南側(cè)側(cè)墻設(shè)集沙槽，深度1.0 m，寬度1.5m。為便于清淤人員操作，在南側(cè)側(cè)墻808.0 m高程設(shè)寬度1.5m的清淤平臺。

隧洞襯砌采用C25鋼筋混凝土，允許不沖流速小于8m/s，不淤流速采用西北水利科學(xué)所黃土地區(qū)不淤流速計算公式：

式中：ρ——含沙量，按汛期平均含沙量計算，根據(jù)水文統(tǒng)計資料取1.89kg/m3；

ω0——泥沙沉降速度，由義門站平均粒徑0.057mm查得1.236×10-3m/s；

R——水力半徑，m。

經(jīng)計算，設(shè)計流量時求得ν＂=0.48～0.66m/s。由此可知設(shè)計情況下，設(shè)計流速均大于計算不淤流速；考慮泵站一臺小機組運行，流量2.95m3/s，總干隧洞最小計算流速0.78m/s，大于計算不淤流速。

5 結(jié)論

受地形和地質(zhì)條件的限制，該工程所處區(qū)域,布置泥沙處理設(shè)施比較困難，所以設(shè)計了兩套方案:

1）從源頭沉降較粗顆粒泥沙，控制水中泥沙含量。

2）采取工程措施減小泥沙淤積的影響。建議進行進一步的水工模型試驗，詳細(xì)了解水流流態(tài)及泥沙淤積情況，結(jié)合該試驗,進一步確定泥沙處理設(shè)施。