大型水庫建設(shè)對下游已沖淤平衡的水庫庫區(qū)淤積及過壩泥沙特征影響研究

高志良，沈定斌，柯虎，熊小虎

（國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司庫壩管理中心，四川成都，614900）

大型水庫建設(shè)對下游已沖淤平衡的水庫庫區(qū)淤積及過壩泥沙特征影響研究

高志良，沈定斌，柯虎，熊小虎

（國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司庫壩管理中心，四川成都，614900）

龔嘴水庫已基本達到?jīng)_淤平衡，但在上游新建大型水電站清水下泄沖刷下，根據(jù)實測資料分析了沖刷前后的庫容、床沙組成、庫區(qū)斷面的變化，表明龔嘴水庫庫區(qū)斷面出現(xiàn)明顯的沖刷，水庫泥沙呈堆丘式向壩前推移，沖刷作用對水庫庫容的恢復是有利的，但庫容恢復相對下泄清水時間有一定的滯后。此外，水庫泥沙的推移和床沙的粗化將導致過壩、過機泥沙粒徑的增加，從而加劇對過流面的沖刷和對水輪機的磨蝕破壞。

沖淤平衡；清水沖刷；泥沙粗化

0 引言

龔嘴水電站位于四川樂山市境內(nèi)的大渡河上，是大渡河下游的第二個水電站，水庫總庫容為3.1億m3，電站設(shè)計水頭為48 m，水庫縱斷面距離約40 km。由于其上游修建了庫容約53.9億m3的瀑布溝水電站，且于2010年投入運行，電站運行初期清水下泄使得下游河道來沙顯著降低[1]。龔嘴水庫上游還建有庫容為3 227萬m3的深溪溝水電站，于2011年開始運行。關(guān)于上游水庫的攔沙對下游河道河床演變的影響，學者們分別從下游河床的沖刷、粗化的機理，沖刷粗化的起動流速、粗化輸沙率、粗化層級配、極限沖刷深度及沖刷后水位降落等計算角度進行了研究[2-5]。這些研究對河道的演變特性進行了較為詳細的分析。

在瀑布溝大型水庫清水下泄沖刷作用下，新建的深溪溝電站水庫不具備較大的水沙調(diào)節(jié)能力，故其淤積進程將推后，水庫的運行效益將有所增加，其基本規(guī)律可參照其它類似工程。但對于瀑布溝電站下游庫區(qū)已經(jīng)基本達到?jīng)_淤平衡的龔嘴水庫，一方面水庫已經(jīng)基本沖淤平衡，在來沙顯著減少條件下，可能會打破既有平衡，產(chǎn)生新的河床變形調(diào)整，另一方面本河段處于水庫庫區(qū)，將受水庫運行調(diào)度和庫區(qū)壅水的影響，在壅水條件下，庫區(qū)沖刷將受到抑制。在雙重矛盾因素作用下，這種和河道一樣會發(fā)生沖刷的水庫庫區(qū)，其沖淤調(diào)整規(guī)律將變得更為復雜，目前尚無資料借鑒。

1 龔嘴上游流量、含沙量特性分析

為分析瀑布溝水庫的清水下泄對沖淤平衡的龔嘴水庫的影響，需首先分析下泄清水對下游河道河床沖淤的影響。下游各觀測站觀測了瀑布溝電站運行前后下游河道流量、含沙量的變化情況。毛頭碼站和沙坪站作為深溪溝、龔嘴水庫入庫控制站，其水沙條件的變化直接影響深溪溝水庫、龔嘴水庫的庫區(qū)沖淤和泥沙出庫情況。毛頭碼站、沙坪站年平均流量、年平均含沙量如圖1所示。瀑布溝電站于2010年投入運行，運行時間較短，新的水沙實測資料尚不足以定量分析瀑布溝電站的影響，但根據(jù)瀑布溝建成以來下游水文站的實測水文成果，分析其引起的下游梯級入庫水沙條件的變化趨勢是可行的。

圖1 水文測站年平均流量、平均含沙量變化趨勢圖Fig.1 Variation trend of annual average flow and average sedi?ment concentration of hydrometric station

由圖1可知，瀑布溝建庫前后毛頭碼站、沙坪站平均流量與建庫前較為一致，沙坪站略偏?。?012年偏大），沙坪站2011～2016年的年平均流量較2007～2010年減少了約4%，可見瀑布溝水電站運行調(diào)度對下游河道水量調(diào)節(jié)主要表現(xiàn)在枯季流量的調(diào)高和汛期的削峰作用，對平均流量影響不明顯。

由歷年含沙量變化情況看，近年來有逐漸減小的趨勢。對于毛頭碼站歷年含沙量的變化情況，瀑布溝建成后，受瀑布溝電站攔沙影響，下游各水文測站含沙量較瀑布溝建庫前總體上普遍減少，且2011～2016年平均含沙量總體上呈逐漸減小趨勢。除瀑布溝剛建成的2011年輸沙強度略大外（年輸沙總量1 535萬t），2015～2016年的水流含沙量明顯減小，其實測的年輸沙總量，2012年為675.4萬t，2013年僅183.5萬t。

對于沙坪站歷年含沙量的變化情況，瀑布溝水電站建成前2007～2009年沙坪站含沙量持續(xù)減少，且含沙量與2010年和2011年相當，尚無法據(jù)此定量確定瀑布溝水電站的減沙效益。但考慮到水庫建成初期，對下游河床沖刷補給，會增加下游泥沙補給，且2012年后沙坪站含沙量顯著降低，沙坪站2016年的含沙量較2009年減少了約80%，從而可以認為今后瀑布溝運行對下游河道的減沙效益是確定的，且下游河床沖刷補給會隨著瀑布溝電站運行時間的增加而減小。

對照毛頭碼站含沙量資料，沙坪站含沙量在2012～2016年均較上游的毛頭碼站有所增加，這說明深溪溝投入運行后水庫庫區(qū)淤積雖使得下游河道來沙減少，但水流含沙量也受河道沖刷補給和水流挾沙力的影響。參照沙坪站在瀑布溝投入運行后的1～2年，含沙量受河床沖刷補給有所恢復的分析結(jié)論，可見深溪溝電站投入運行后，雖在庫區(qū)內(nèi)形成淤積，減少了下游河道泥沙補給，但出庫水流對下游河床的沖刷作用，短期內(nèi)可成為下游泥沙補給的重要來源，造成沙坪站含沙量較上游毛頭碼站有所增加，下游泥沙含量較上游有所恢復。當這種沖刷基本達到平衡后，河床沙質(zhì)的補給也會逐漸減小，且由于上游河床的粗化和比降的調(diào)緩，水流的挾沙能力也逐漸降低，水流中的含沙量逐漸減小，從而這種補給作用也會逐漸減弱。但對于電站下游河道沖刷補沙作用強度，補沙時段尚難做定量評估，仍需根據(jù)今后更長系列資料進行補充分析。

2 瀑布溝建成前后龔嘴水庫河床演變

根據(jù)上述龔嘴上游水文特征分析，瀑布溝水庫的運行使龔嘴上游的來沙量減小，水流為不飽和輸沙，在這種來流情況下，會使已沖淤平衡的龔嘴水庫河床進行新的演變調(diào)整，而這種調(diào)整在水庫壅水、大水深、水庫調(diào)度的影響下，使其邊界條件與正常河道產(chǎn)生了明顯的不同，且水庫內(nèi)的沖刷也將對電站及其運行產(chǎn)生一定的影響。

2.1 庫容變化分析

根據(jù)實測資料，繪制了瀑布溝建庫前后龔嘴水庫庫容的變化曲線，如圖2所示。從庫容曲線可見，2010年以前，龔嘴水庫已基本沖淤平衡，庫容雖然存在一定的年際沖淤調(diào)整，但整體上比較穩(wěn)定，此時庫區(qū)泥沙沖淤與一般河道沖淤調(diào)整類似。受瀑布溝攔沙影響，2012年以來龔嘴水庫庫容總體明顯增加，當水位為530 m時，2012年的水庫庫容較2009年水庫庫容增加約800萬m3，表明庫區(qū)原淤積存在一定程度的沖刷，河床逐漸從河道沖淤調(diào)整狀態(tài)向水庫沖淤狀態(tài)變化。

瀑布溝2010年開始運行，龔嘴水庫2012年才出現(xiàn)明顯的庫容調(diào)整，一方面由于高壩大庫下游運行初期存在清水沖刷補給，下游河道沖淤調(diào)整存在一定的滯后，另一方面也可能與實際來水來沙條件有關(guān)。另外在瀑布溝投入運行的同時，深溪溝水庫也投入運行，進一步改變了來水來沙過程，使問題變得更為復雜。但從總體趨勢來看，未來下游梯級水庫沖刷趨勢明顯，對恢復水庫庫容、增加發(fā)電效益是有利的。

圖2 龔嘴水庫2006～2016年庫容曲線Fig.2 Storage capacity curve of Gongzui reservoir from 2006 to 2016

2.2 床沙組成采樣分析

床沙級配反映了床沙的粗化、細化過程，與庫區(qū)的沖刷和粗化相對應。在水庫下游河道中，對于清水下泄使其沖刷粗化的機理，一方面是河床泥沙沖刷補給過程中分選作用造成的；另一方面，上游的粗顆粒進入下游河段后，不一定能被當?shù)厮魉鶔稁?，而在河床上發(fā)生粗細顆粒的交換，導致河床的粗化[6]。

在沖淤平衡的水庫中，對龔嘴水庫歷年斷面泥沙采樣數(shù)據(jù)（圖3）進行分析，采樣包含每個斷面的左岸、中部、右岸的床沙數(shù)據(jù)。水庫每個斷面在2010年之前，基本達到?jīng)_淤平衡，在壩前12 km范圍內(nèi)中值粒徑在0.075～2 mm范圍；在12 km以上的庫區(qū)，多數(shù)測量斷面中值粒徑大于2 mm，最高可達到70 mm左右。在2010年之后，受瀑布溝運行后的減沙影響，庫區(qū)明顯向沖刷粗化發(fā)展，2011年以來，不論中值粒徑還是最大粒徑，均較以前床沙粒徑有所增加，2012年以來，由于全庫區(qū)的沖刷，該粗化趨勢更加明顯。在年際間逐步粗化的同時，沿程粒徑表現(xiàn)為細化過程，從庫尾到壩前泥沙逐漸細化，這與水庫淤積形態(tài)有關(guān)。2015年庫尾泥沙粒徑較2013年有所減小，而越靠近壩前斷面，泥沙粒徑則有所增加。從2013～2015年壩前斷面的泥沙粒徑粗化情況看，除了表層淤積物沖刷外移導致泥沙粒徑增加影響外，還存在著庫尾泥沙向壩前的搬運。庫尾粗顆粒泥沙堆丘式地向壩前搬運將導致過壩、過機泥沙粒徑的增加，增加了對過流面的沖刷破壞作用。若能結(jié)合水庫運行實際，實時空庫拉沙，騰空一部分深水庫容承載上游清水沖刷下泄的泥沙，對避免該不利影響有利，而且由于今后相當長時段內(nèi)來沙減少，騰空的調(diào)節(jié)庫容將長時間有效，這對提高水庫發(fā)電效益是有利的。

2.3 庫區(qū)縱橫斷面沖淤變化

由上述庫容曲線及床沙采樣分析可知，龔嘴水庫在2010年之前已基本達到?jīng)_淤平衡。為研究瀑布溝建庫前后龔嘴水庫的沖淤情況，測量了其河床2004～2016年間平均斷面深泓點的高程變化，以實測資料繪制了各年份深泓高程的變化曲線圖，如圖4所示，該圖清楚地反映了河床的沖淤情況。

由圖4可知，龔嘴水庫河床深泓高程在2010年以前年際間存在著小幅的沖淤交替，已基本穩(wěn)定。2004～2009年深泓高程基本沒有變化，即在瀑布溝水庫運行前，龔嘴水庫沖淤變化并不明顯，且在這種沖淤深度情況下對水庫的庫容影響不大。

圖3 龔嘴水庫沿程斷面床沙中值粒徑及最大粒徑沿程分布Fig.3 Distribution of median and maximum grain size of bed sediment of Gongzui reservoir

圖4 龔嘴水庫歷年深泓線變化過程圖Fig.4 Talweg of Gongzui reservoir over the years

深泓高程在2011年表現(xiàn)為庫尾段發(fā)生沖刷，而壩前段則產(chǎn)生淤積。2011年之后，河床整體上表現(xiàn)為沖刷下切。與2010年前歷年平均斷面深泓點高程相比較，2011年庫區(qū)地形在庫區(qū)中段距壩15 km至壩前斷面淤積，淤積厚度普遍在2～4 m，距壩15～36 km則以沖刷為主，在瀑布溝下泄清水沖刷至所測的距壩36～40 km之間則未發(fā)生沖刷，2012年后則表現(xiàn)為全河段的整體沖刷，且沖刷深度呈逐年增加的趨勢。

從床沙粒徑分布情況可以得出，產(chǎn)生該變化的原因可能是瀑布溝減沙作用傳遞到龔嘴庫區(qū)，對已形成粗化保護層的庫尾變動回水區(qū)河段，不飽和來沙的沖刷作用無法打破粗化層或河槽深泓基巖出露無法沖刷。由于2011年庫區(qū)中段的沖刷、近壩段的淤積，且沖刷深度小于淤積深度，說明在水庫壅水和電站泄水的影響下，且由于庫區(qū)受壅水狀態(tài)影響的不同，庫尾段沖刷的泥沙和水流攜帶的泥沙在近壩段落淤，庫區(qū)河段沖刷呈堆丘式向壩前運動，在庫中段產(chǎn)生的沖刷，又在近壩段產(chǎn)生淤積，這種堆丘式的床沙運移同樣也反映在泥沙粒徑的分布情況上。而隨著上游減沙作用的延續(xù)，沖刷逐漸向壩前發(fā)展，2012～2016年，庫區(qū)沖刷已發(fā)展至壩前，導致全河段整體沖刷，從而造成深泓高程的降低和庫容的增加、床沙顆粒的粗化。龔嘴水庫庫區(qū)的沖刷在上游大庫清水下泄1年后才發(fā)展至庫中段，這種漸進式的沖刷發(fā)展狀態(tài)，除了與上游水庫下泄清水沖刷發(fā)展的漸進性有關(guān)，還與水庫壅水抑制沖刷作用有關(guān)。

從庫區(qū)斷面沖淤（圖5）情況看，龔嘴水庫自瀑布溝建成后以沖刷為主，尤其隨著瀑布溝下游減沙導致其庫區(qū)斷面逐年沖刷發(fā)展。斷面沖刷主要以灘面沖刷為主，低含沙水流對前期淤積的邊灘淤積物沖刷作用明顯，斷面有擴大的趨勢，對水庫調(diào)節(jié)庫容恢復有利。同時從歷年斷面沖淤情況看，2011年應為瀑布溝下游沖刷發(fā)展到龔嘴庫區(qū)的一個臨界點，該年庫尾斷面以沖刷為主，壩前斷面則有所淤積，2011年以后則全庫區(qū)以沖刷發(fā)展為主。

通過水庫12 km以下的床沙粒徑分布情況得出，水庫表層泥沙粒徑在0.075～2 mm之間，屬于沙質(zhì)河床。根據(jù)韓其為等[7]的研究，水庫初、中期清水下泄時，下游沙質(zhì)河道沙質(zhì)河床沖刷被抑制的原因主要依賴于相對沖刷深度△h/h（沖刷深度△h與原來水深的比值）。相對沖刷深度越小，說明河床沖刷速率越慢。而水庫水深遠遠大于河道水深，故對于沖淤平衡的水庫的沖刷速率要明顯小于河道的沖刷速率。

河床的沖刷下切會使庫區(qū)水位下降，而河床的粗化則會壅高水位，由于水文資料觀測年限較短，二者的相互作用對庫區(qū)水位的影響有待進一步研究。

3 結(jié)語

為研究沖淤平衡、清水沖刷下的河床演變，通過實測資料，分析了上游大壩的運行對下游水庫來沙、水庫庫容、水庫床沙組成和庫區(qū)河道邊界的沖淤變化等，并得出以下幾點結(jié)論：

（1）龔嘴水庫入庫控制站沙坪站含沙量受到瀑布溝減沙影響有所減少，但由于區(qū)間有較大支流匯入并受到上游梯級下泄清水沖刷補給作用影響，沙坪站含沙量較上游毛頭碼站尚有所增加。

（2）受到瀑布溝攔沙影響，龔嘴水庫庫區(qū)河道總體以沖刷為主，庫容較2010年前有明顯增加，且由于河道沖淤調(diào)整的滯后，庫容的調(diào)整存在明顯的滯后。庫區(qū)河道深泓點2012年后普遍以沖刷為主。由于瀑布溝下游清水沖刷補給作用，龔嘴庫區(qū)河道沖刷滯后于瀑布溝蓄水時間，2011年總體呈沖淤交替狀態(tài)。

圖5 龔嘴水庫沿程斷面歷年沖淤圖Fig.5 Erosion and deposition of Gongzui reservoir over the years

（3）庫區(qū)河道床沙呈逐年粗化的趨勢，庫尾河段粗化更為明顯，庫尾泥沙呈堆丘式向壩前移動，這也將增加對過流斷面的沖刷破壞作用。

（4）河床的沖刷下切會使庫區(qū)水位下降，而河床的粗化則會壅高水位，由于水文資料觀測年限較短，二者的相互作用對庫區(qū)水位的影響有待進一步研究。

（5）長河段多梯級電站河道演變耦合分析涉及到的影響參數(shù)較多，且對于復雜的泥沙沖淤調(diào)整問題，隨著水庫運行時間增長，將伴隨著新的沖淤調(diào)整。隨著今后監(jiān)測資料的豐富，可對此河床演變機理做進一步研究。

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Influence of large-sized reservoir construction on sedimentation of downstream reservoir with ero?sion-deposition balance and characteristics of sediment over dam

GAO Zhi-liang,SHEN Dingbin,KE Hu and XIONG Xiao-hu

China Guodian Dadu River Hydropower Development Co.,Ltd.

The reservoir area of Gongzui has basically reached the erosion-deposition balance.The in?fluence of clear water scour from new large reservoir on sedimentation of Gongzui reservoir is dis?cussed.The changes of reservoir capacity,sediment composition and reservoir section before and after scour are analyzed,combined with measured data.The results show that there is obvious scour in reser?voir section,and the sediment is pushed forward to dam in the form of mound,which indicates that scour is beneficial to the recovery of reservoir capacity.But the recovery of reservoir capacity has a cer?tain lag.Besides,the moving and coarsening of reservoir sediment would lead to an increase in the size of sediment over dam and generator set,which would aggravate the erosion on overflow surface and tur?bine.

erosion-deposition balance;clear water scour;coarsening of sediment

TV145

：B

：1671-1092（2017）04-0036-06

2017-06-14

高志良（1986-），男，河南周口人，碩士，主要從事水庫大壩安全監(jiān)測與管理。

作者郵箱：gzlhhu@126.com