新疆克孜爾水庫堤渠聯(lián)合輔助排沙系統(tǒng)異重流排沙效果分析

胡 浩

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

新疆克孜爾水庫堤渠聯(lián)合輔助排沙系統(tǒng)異重流排沙效果分析

胡 浩

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

針對克孜爾水庫泥沙淤積問題，提出了堤渠聯(lián)合輔助排沙系統(tǒng)。系統(tǒng)實施后達到了干支流路徑分離的目的，改善了水流環(huán)境，增強水流挾沙能力，縮短支流黑孜河的泥沙運行路徑，從而使得支流高含沙水流形成的異重流更易于到達壩前。從人工輔助系統(tǒng)實施前2007年及系統(tǒng)實施后2011年黑孜河異重流的輸沙數(shù)據(jù)對比分析的結(jié)果表明：系統(tǒng)實施后縮短了挾沙水流運行距離和庫區(qū)傳播時間縮短，增大了出庫沙量，減少了水庫泥沙淤積，延長水庫壽命，效果顯著。

堤渠聯(lián)合；異重流；排沙；減淤

1 工程現(xiàn)狀

新疆克孜爾水庫運行近20年，庫區(qū)正常蓄水位以下淤積量高達2.5億m3，死庫容淤損量達1.14億m3，是水庫設計運用20年預計淤積量的2倍，遠超設計預估的淤積率[1]。大量泥沙在庫區(qū)淤積，致使水庫面積不斷減小，庫容不斷損失。此現(xiàn)象的主要原因是在“魚嘴”附近支流黑孜河與干流木扎提河兩股水流的混摻，能量相互削弱，致使大量泥沙落淤，逐漸形成“攔沙底坎”。阻截了干流木扎提河的泥沙路徑，使得上游來沙落淤庫中，庫底高程不斷被抬高，興利庫容不斷減少。

為減少庫內(nèi)泥沙淤積，將上游來沙順利排出庫外，在庫內(nèi)布置堤渠聯(lián)合輔助排沙系統(tǒng)，即在支流黑孜河上游修筑導流堤，將來水挑向河道左岸，水流沿左岸順勢而下，再由順壩將水流導入人工排沙明渠，最后經(jīng)壩前350 m出口流入壩前導流兼排沙明渠至壩前[2]。輔助系統(tǒng)在試驗室及庫區(qū)布置[3-4]（見圖1、2）。

圖1 試驗室人工排沙渠布置圖

圖2 庫區(qū)人工排沙渠布置圖

2 輔助排沙系統(tǒng)異重流排沙分析

2.1 異重流的形成

異重流對高含沙水流的水庫是很常見的，克孜爾水庫作為一座以防洪、發(fā)電和灌溉為主的綜合性蓄水水庫，異重流排沙是很重要一種的排沙方式，其運動過程如圖3所示。

異重流排沙，即為壅水排沙。上游水流挾帶泥沙進入水庫壅水段，因兩者密度比重不同，渾水潛入清水以下，在重力沿水流方向分量作用下沿庫底向壩前的運動[5]。異重流的排沙應選在排沙效果最好，且盡量不影響水庫的興利任務，水庫可以保持高水位運行，不會產(chǎn)生棄水，可保持下游的灌溉需水。克孜爾水庫年內(nèi)來水量集中在6～9月，來沙量更是集中在洪水期的幾次沙峰，來沙細，易形成高含沙水流。另庫區(qū)河床比降大，汛期來流量大，渾水潛入時有一定的單寬流量，都有利于異重流的形成[6]。

圖3 異重流運動圖

2.2 異重流的運動的影響因素

2.2.1 庫水位對異重流潛入位置的影響

在運行庫水位和河底高程已知的情況下，可計算出潛入點的流速，進而確定潛入點的位置。潛入點在庫區(qū)的位置將會直接影響到異重流運行距離的長短，改變水庫運行水位可使異重流的潛入位置發(fā)生變化。異重流的潛入位置一般會出現(xiàn)在回水末端以下數(shù)公里范圍內(nèi)，當上游來流量突然增大時，庫水位會增加，潛入點位置會向上游移動。反之，會向下游移動。

2.2.2 庫區(qū)地形對異重流運動的影響

異重流的沿程傳播會因地形的變化而損失能量，如河道的變寬、河流分支、彎道等，沿程不斷消耗異重流的能量，直至消失庫中?？俗螤査畮旄?、支流河道自上而下逐漸放寬，這就使得異重流難以到達壩前。庫內(nèi)原淤積泥沙不斷改變河流流向，讓水流在庫區(qū)內(nèi)繞流，大大增加了運行距離，這對泥沙的運移十分不利。

異重流產(chǎn)生以后，依靠重力作用，在清水以下向前運行，其運行速度隨庫底比降的增大而增大，反之亦然。克孜爾水庫“魚嘴”附近形成的“攔沙底坎”，阻礙水流的運行。伴隨著泥沙不斷淤積，壩前淤積斷面不斷抬高，異重流流速減小，挾沙力減弱。人工輔助排沙系統(tǒng)修筑以后，在一定程度上束窄了河道，并將原水流的曲線路徑變成直線路徑，使得挾沙水流更易到達壩前。

2.2.3 入庫含沙量的影響

異重流的挾沙運動是超飽和運動狀態(tài)，其流速及挾沙力都和含沙量成正比。入庫洪水流量大小及含沙量的多少，將直接影響異重流運動到壩址的時間。入庫洪峰流量和含沙量為異重流提供初速度和運行速度。入庫洪峰流量大及含沙量大時，所產(chǎn)生的異重流的強度較大，速度也較大，可以推進異重流快速運行到壩址。

異重流排沙方式不需要泄空水庫，排沙前后均能蓄水，這對克孜爾水庫這樣以灌溉和發(fā)電為主的水庫是十分有利的。但是否可利用異重流排沙還要受克孜爾水庫入庫水沙條件及庫區(qū)地形、水庫泄流排沙設施平面布置等條件的影響[7]。就水庫的干流木扎提河而言，雖然來沙細、河床陡等具備形成異重流的條件，但其汛期來流量小，懸移質(zhì)濃度低，且?guī)於巫陨隙虏粩喾艑挘愔亓饔靡跃S持前進的能量不斷流失，異重流很難到達壩前；支流黑孜河距壩址較近，含沙水流運行路徑短，上游植被稀疏，汛期來流含沙濃度高，可充分利用異重流進行排沙，人工輔助排沙系統(tǒng)實施以后更是增加了異重流的排沙效果。

2.2.4 人工輔助排沙系統(tǒng)對異重流排沙影響

堤渠聯(lián)合輔助排沙系統(tǒng)改變了黑孜河上游水沙的運行路線，使支流對干流的影響相對削弱。系統(tǒng)實施后水流方向沿左河道運行，在距壩址350 m處流入導流兼排沙明渠，縮短了泥沙運行距離。對于異重流排沙，運行距離短，傳播時間就短，在洪水歷時一定下，水庫可利用的排沙時間就長，從而排出水庫的泥沙就會增加。系統(tǒng)實施前（2007年）與實施后（2011年）黑孜河異重流的排沙情況見表1。

表1顯示，2007年、2011年分別檢測到4場異重流的發(fā)生。2011年黑孜河的入庫洪峰流量較2007年小，相應的入庫沙量也少了很多，但2011年的排沙比要相對2007年普遍增加。說明在人工輔助系統(tǒng)應用后，改善了水流條件，水流能夠帶走更多的泥沙，甚至對原河床造成沖刷，如：2011年7月9日場異重流，排沙比大于1，不僅能將上游帶來的泥沙排出，還能帶走一部分已經(jīng)淤積的泥沙。

3 結(jié)論

（1）克孜爾水庫“魚嘴”形成的“攔沙底坎”攔截了干流木扎提河的泥沙，使庫區(qū)的泥沙淤積量是水庫設計運用20年預計淤積量的2倍，遠超設計預估的淤積率。堤渠聯(lián)合人工輔助排沙系統(tǒng)分離了干、支流水流路徑，改善了水流環(huán)境，緩解了庫區(qū)的泥沙淤積速率；

表1 人工輔助系統(tǒng)實施前后黑孜河段異重流排沙對比

（2）運用異重流排沙水庫可以保持高水位運行，不會產(chǎn)生棄水，可保持下游的灌溉需水，不影響水庫的興利作用。但其排沙效果受入庫含沙量、入庫流量、庫區(qū)地形及庫水位的影響；

（3）人工輔助排沙系統(tǒng)改變了水沙運行路徑，縮短距壩距離，從而使得黑孜河異重流更易達到壩前，增大出庫沙量。

[1] 趙經(jīng)華，侍克斌，夏新利.新疆克孜爾水庫組合排沙動床模型試驗研究[J].人民黃河，2013，35（6）：53.

[2] 陳成林，趙經(jīng)華，馬 亮，等.庫區(qū)導流堤與排沙渠結(jié)合技術(shù)在水庫排沙清淤中的應用試驗研究[J].水利與建筑工程學報，2012，10（1）：1.

[3] 新疆水利水電勘測設計研究院.新疆渭干河克孜爾水庫設計報告[R].新疆：新疆水利水電勘測設計研究院，1995.

[4] 新疆農(nóng)業(yè)大學.新疆克孜爾水庫黑孜河庫段輸沙水工模型試驗[R].新疆：新疆農(nóng)業(yè)大學，2010.

[5] 董秀斌.山區(qū)多沙河流上大庫盤水庫沖淤排沙技術(shù)研究[D].新疆：新疆農(nóng)業(yè)大學，2014.

[6] 趙艷濤.淺析克孜爾水庫2008年汛期異重流排沙的運行概況[J].西北電力，2010（2）：6-8.

[7] 張金良，王育杰，練繼建.水庫異重流調(diào)度問題的研究[J].水利水電技術(shù)，2001，32（12）：17-18.

（責任編輯：周 群）

Density current sediment flushing effect analysis for dike-canal joint desilting system of Kezier Reservoir in Xinjiang

HU Hao
（Xinjiang Water Conservancy and Hydropower Investigation and Design Institute,Urumqi 830000,China）

In view of the sedimentation problem of Kezier Reservoir in Xinjiang Uygur Autonomous Region,the dike-canal joint desilting system was put forward.After the system was constructed,trunk streams and tributaries are separated;flow environment is improved;silt-carrying capability of water flow is strengthened;silt route of Heizi tributary is shortened,so it becomes easier for the density current in tributary with high silt content to reach the main dam.The sediment discharge data of 2007 and 2011,respectively before and after the construction of dike-canal joint desilting system,had been compared and the results demonstrate that after the construction，the travel distance and time of silt-carrying flow in reservoir area are shortened；sediment discharge from the reservoir increases；sedimentation in reservoir decreases；and the service life of reservoir is prolonged with significant bene?fits.

Dike-canal joint;density current;sediment flushing;sedimentation reduction

TV145.2

B

1003-1510（2016）01-0057-03

2015-11-30

胡 浩（1989-），男，新疆昌吉人，新疆水利水電勘測設計研究院助理工程師，碩士，從事水庫泥沙淤積處理研究工作。