克孜爾水庫(kù)異重流排沙分析及塑造技術(shù)研究

，，，

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆克孜爾水庫(kù)管理局，新疆 阿克蘇 842313)

1 研究背景

新疆克孜爾水庫(kù)自1992年下閘蓄水運(yùn)行至今，泥沙淤積總量已高達(dá)2.501×108m3，庫(kù)容損失率高達(dá)41.2%[1]，泥沙淤積問(wèn)題已嚴(yán)重影響水庫(kù)各項(xiàng)正常使用性能，甚至已經(jīng)危及到大壩的安全。克孜爾水庫(kù)泥沙淤積問(wèn)題，集中體現(xiàn)在汛期大量泥沙隨著洪水涌入庫(kù)區(qū)，懸移質(zhì)泥沙沿程落淤。采用泄空沖沙雖能解決汛期泥沙淤積，但考慮到水庫(kù)下游23.33×104hm2的灌溉面積[1]及水庫(kù)發(fā)電效益，泄空沖沙并不是水庫(kù)汛期排沙的首選方案。綜合考慮汛期利用異重流排沙是當(dāng)前水庫(kù)解決泥沙淤積問(wèn)題的不二之選。

為了提高水庫(kù)異重流排沙減淤工作的實(shí)際效果，必須對(duì)水庫(kù)異重流現(xiàn)象及其運(yùn)行規(guī)律有深刻的認(rèn)識(shí)。本文在已有水庫(kù)異重流研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)新疆克孜爾水庫(kù)異重流實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析，試圖定量提出克孜爾水庫(kù)異重流潛入及持續(xù)運(yùn)行條件、不同來(lái)水條件時(shí)異重流運(yùn)行規(guī)律及排沙效果，以期結(jié)合工程措施在克孜爾水庫(kù)塑造出高排沙率的水庫(kù)異重流現(xiàn)象減輕水庫(kù)泥沙淤積問(wèn)題。

2 工程概況

渭干河克孜爾水庫(kù)位于新疆阿克蘇地區(qū)拜城縣境內(nèi)渭干河干流木扎提河與支流黑孜河的交匯處，系塔里木河水系渭干河流域上的一座以灌溉、防洪為主，兼顧水力發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖與旅游開發(fā)等綜合效益的大(I)型水利樞紐工程。整個(gè)樞紐利用現(xiàn)代壩工技術(shù)修建在F2活動(dòng)斷層上，由主壩、副壩、二道壩、開敞式溢洪道、泄洪排沙導(dǎo)流洞、壩后式電站組成。水庫(kù)正常蓄水位為1 149.6 m，相應(yīng)庫(kù)容為6.04×108m3，壩址以上流域面積17 000 km2，電站裝機(jī)容量為4×6.5 MW，保證出力6.4 MW，多年平均年發(fā)電量1.34億kW·h[2]。

水庫(kù)管理局1992—2010年先后利用斷面法與水下地形圖法對(duì)水庫(kù)進(jìn)行了7 次泥沙淤積測(cè)量，詳見(jiàn)表1。由表1可知：水庫(kù)運(yùn)行20 a實(shí)際泥沙淤積值與設(shè)計(jì)初期預(yù)測(cè)值相比，死水位及汛限水位以下已達(dá)2.5倍，正常蓄水位以下泥沙淤積總量也已達(dá)2倍之多，實(shí)際泥沙淤積值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)初期預(yù)測(cè)值，水庫(kù)泥沙淤積問(wèn)題嚴(yán)重。

表1 克孜爾水庫(kù)泥沙淤積測(cè)量結(jié)果Table 1 Measured sedimentation in Kizil reservoir

3 異重流排沙規(guī)律分析

異重流的研究可以追溯到20世紀(jì)40年代，在長(zhǎng)達(dá)一個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間里，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于水庫(kù)異重流的產(chǎn)生、運(yùn)行等問(wèn)題進(jìn)行了由淺入深的研究，取得了十分寶貴的研究成果。近年來(lái)對(duì)于異重流的研究主要分為2個(gè)方面：①以異重流發(fā)生時(shí)的相關(guān)特征參數(shù)為對(duì)象進(jìn)行理論研究，如李濤等[3]對(duì)異重流潛入點(diǎn)處垂線流速分布物理圖形進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，得出潛入點(diǎn)處垂線流速分布理論公式為拋物線形；胡鵬等[4]探討了異重流水卷吸系數(shù)和泥沙交換經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)復(fù)雜地形上異重流演化模擬的適用性；賀治國(guó)等[5]研究了異重流在層結(jié)與非層結(jié)水體中的運(yùn)動(dòng)特性，非層結(jié)水體中異重流頭部速度先迅速增大，而后基本不變、減速幅度較小，而在層結(jié)水體中異重流頭部速度先增大，之后明顯減小。②建立異重流的物理、數(shù)學(xué)模型，如王增輝等[6]建立了基于庫(kù)區(qū)不規(guī)則斷面的一維非恒定異重流數(shù)學(xué)模型，該模型能夠預(yù)測(cè)異重流的厚度、含沙量分布及傳播過(guò)程；紀(jì)道斌等[7]以三峽水庫(kù)支流庫(kù)灣中層倒灌異重流為對(duì)象構(gòu)建了相關(guān)物理模型，分析了異重流頭部移動(dòng)速度、交界面高度、頭部厚度等主要水力學(xué)要素的變化過(guò)程及受入流量、初始水位、溫度差的影響規(guī)律。

當(dāng)挾沙水流進(jìn)入蓄有清水的水庫(kù)后，不同容重比的清渾水在交界面處形成環(huán)流，導(dǎo)致挾沙水流潛入清水層下運(yùn)行，這一現(xiàn)象被定義為異重流的潛入，它是異重流開始形成的標(biāo)志[8-9]。水庫(kù)泥沙異重流可看成是一種泥沙運(yùn)動(dòng)的特殊形式，同時(shí)也是水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙必須考慮的因素[10]。異重流潛入點(diǎn)位置與流量、含沙量、河床邊界條件及庫(kù)水位等因素有關(guān)，一般位于水深沿程變化較大的水庫(kù)回水末端，且隨著入庫(kù)流量和含沙量的變化而上下移動(dòng)[11]。對(duì)于克孜爾水庫(kù)來(lái)說(shuō)，因其庫(kù)區(qū)平面大、回水長(zhǎng)，異重流沿程變化則更加復(fù)雜，因此針對(duì)克孜爾水庫(kù)異重流水沙輸移規(guī)律進(jìn)行研究更具其必要性，本文主要對(duì)克孜爾水庫(kù)異重流潛入及持續(xù)運(yùn)行條件這2方面進(jìn)行研究。

3.1 克孜爾水庫(kù)異重流潛入條件

結(jié)合已有研究成果看，異重流的形成與洪泛密切相關(guān)，是一種低速、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、高于一定密度門檻的低密度準(zhǔn)穩(wěn)定濁流[12]。異重流主要受地形、氣候、密度差等因素控制，水體密度小、近物源、地形高差大、中-小河流發(fā)育、構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的陸相湖盆更利于異重流的產(chǎn)生[13]。異重流的形成需要具備的基本條件可以概括為水庫(kù)有一定深度的清水及庫(kù)底坡降、入庫(kù)水流有一定的含沙量及流量[14]。故筆者將從水沙條件及水庫(kù)底坡比降方面探討克孜爾水庫(kù)異重流的潛入條件。

3.1.1 異重流潛入臨界水沙條件

綜合分析新疆克孜爾水庫(kù)異重流的實(shí)測(cè)資料，可將克孜爾水庫(kù)異重流發(fā)生時(shí)的臨界水沙條件歸納為：①入庫(kù)流量基本在120 m3/s以上；②水庫(kù)水位控制在1 140.0 m左右，不應(yīng)低于1 135.0 m以下；③入庫(kù)流量在120 m3/s時(shí)，水流含沙量一般應(yīng)在25 kg/m3左右；④若入庫(kù)流量>900 m3/s，相應(yīng)入庫(kù)含沙量約為15 kg/m3；⑤當(dāng)入庫(kù)水流流量介于120～900 m3/s之間時(shí)，渾水含沙量與水流流量呈單調(diào)減小關(guān)系，二者關(guān)系可用式S≥27-0.015Q(S為含沙量，Q為流量)表達(dá)。

3.1.2 水庫(kù)臨界底坡

異重流可看作是一種特殊的明渠流[15]，在計(jì)算中為了簡(jiǎn)化常常將其視為均勻流。利用異重流的正常水深與潛入點(diǎn)水深可得

(1)

式中：hn為異重流的正常水深；h0為異重流潛入點(diǎn)水深；λ′為綜合阻力；J0為庫(kù)底坡降。

鑒于異重流潛入時(shí)綜合阻力λ′的存在，所以當(dāng)渾水水深大于異重流正常水深時(shí)，異重流的潛入是不成功的。文獻(xiàn)[16]給出了綜合阻力λ′的取值范圍，即在0.02～0.03之間。當(dāng)式(1)左邊值取1時(shí)，即可求得異重流發(fā)生時(shí)庫(kù)底坡降的臨界值范圍為

Jl=0.001 5～0.002 2 。

(2)

按照庫(kù)底坡降條件，當(dāng)庫(kù)底坡降J0>Jl時(shí)，異重流的潛入則只需滿足范家驊[17]提出的潛入表達(dá)式即可，否則潛入不成功。

3.2 異重流持續(xù)運(yùn)行條件

水庫(kù)異重流排沙的必要條件是異重流形成之后能夠挾帶泥沙持續(xù)運(yùn)行至泄水建筑物并最終將泥沙排出庫(kù)外。異重流持續(xù)運(yùn)行的動(dòng)力來(lái)自于水流中的泥沙，其與異重流的形成條件并不一致，故必須將異重流的形成條件與持續(xù)條件區(qū)別看待[18]。

3.2.1 持續(xù)運(yùn)行水沙條件

通過(guò)整理分析新疆克孜爾水庫(kù)異重流排沙的實(shí)測(cè)資料，克孜爾水庫(kù)異重流持續(xù)運(yùn)行的臨界水沙條件為：①入庫(kù)流量一般≥200 m3/s，懸移質(zhì)泥沙中值粒徑D50<0.025 mm的百分比一般≥65%；②當(dāng)入庫(kù)流量介于200～1 000 m3/s之間時(shí)，兩者之間的關(guān)系可用S≥42-0.006Q進(jìn)行計(jì)算；③與異重流形成時(shí)的水流含沙量相比，異重流持續(xù)運(yùn)行時(shí)水流含沙量較大，這也佐證了異重流持續(xù)運(yùn)行時(shí)動(dòng)力來(lái)源于水流中的泥沙這一研究成果。

3.2.2 異重流持續(xù)運(yùn)行時(shí)間

為了在異重流持續(xù)運(yùn)行至泄水建筑物時(shí)，準(zhǔn)確把握泄水閘門的開啟時(shí)間進(jìn)行排沙工作，從而提高水庫(kù)異重流排沙效率，就必須確定異重流運(yùn)行至泄水建筑物的時(shí)間。

前人對(duì)異重流運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算公式均建立在異重流潛入點(diǎn)處的相關(guān)參數(shù)[16,19]的基礎(chǔ)上。為了方便計(jì)算，筆者基于入庫(kù)段洪水的相關(guān)參數(shù)建立了異重流運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算公式(另文詳述)。

異重流庫(kù)區(qū)運(yùn)行時(shí)間T為

(3)

式中：L為異重流運(yùn)行距離；S0為入庫(kù)段洪水含沙量；Jb為水庫(kù)底坡比降；q為入庫(kù)水流單寬流量；C為庫(kù)容系數(shù)，對(duì)于不同的水庫(kù)，C是不同的，通過(guò)計(jì)算克孜爾水庫(kù)庫(kù)容系數(shù)率定為0.458。

4 異重流的塑造

從現(xiàn)有的異重流塑造手段來(lái)看，主要有梯級(jí)水庫(kù)的聯(lián)調(diào)[20-21]以及機(jī)械設(shè)備輔助制造高含沙水流入庫(kù)[22-24]。鑒于新疆克孜爾水庫(kù)上游并無(wú)可進(jìn)行聯(lián)調(diào)的水庫(kù)，而機(jī)械設(shè)備輔助制造高含沙水流并不經(jīng)濟(jì)，故水庫(kù)決定采用一種新的異重流塑造手段——堤渠結(jié)合方式輔助塑造水庫(kù)異重流排沙。

4.1 堤渠布置方案

克孜爾水庫(kù)來(lái)流主要由干流木扎提河和支流克孜河組成，支流克孜河來(lái)沙較細(xì)且河道屬窄深式，故相較于干流木扎提河河道形式更易產(chǎn)生異重流。以往水庫(kù)運(yùn)用異重流排沙過(guò)程中存在一個(gè)問(wèn)題，即支流克孜河與干流木扎提河在“魚嘴”附近常形成交混水流，導(dǎo)致支流克孜河異重流傳播能量減弱，大量泥沙在“魚嘴”附近落淤，逐漸形成“攔沙底坎”阻截異重流挾帶泥沙運(yùn)至泄水建筑物，大大降低了水庫(kù)異重流的排沙效率。

堤渠結(jié)合方式輔助塑造水庫(kù)異重流排沙方案指：在支流克孜河上游修筑導(dǎo)流堤，將挾沙水流挑向河道左岸，挾沙水流沿左岸順勢(shì)而下，繼而由順壩將挾沙水流導(dǎo)入人工排沙明渠，最后經(jīng)壩前排沙明渠行進(jìn)至壩前泄水建筑物。具體布置方案見(jiàn)圖1。

圖1 堤渠結(jié)合布置方案示意圖Fig.1 Layout scheme of dam and canal combination

堤渠結(jié)合輔助制造異重流技術(shù)優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為：①縮短了支流克孜河異重流運(yùn)行至大壩的運(yùn)行距離，減小了異重流沿程的能量損失，水流挾沙能力及出庫(kù)泥沙含量較之以前大大提高；②支流庫(kù)段形成沿淤積三角洲的頂點(diǎn)處向上游發(fā)展的溯源沖刷現(xiàn)象，從而使異重流挾沙量增大，排沙效果更加顯著；③改變?cè)泻拥雷呦?，與原有河道相比使河道窄深程度加大，有利于異重流持續(xù)運(yùn)行至壩前。

4.2 水庫(kù)水位控制

根據(jù)來(lái)水流量對(duì)水庫(kù)水位進(jìn)行控制：

(1)1 a一遇時(shí)，庫(kù)水位控制在1 150.0 m以下。由于順壩兩側(cè)水位差小，排沙渠進(jìn)口處水流流態(tài)穩(wěn)定，出口處過(guò)流平順，沖刷槽及人工排沙渠排沙效果不受水庫(kù)回水線附近部分淤積物的影響。

(2)5 a一遇時(shí)，庫(kù)水位控制在1 145.0 m以下。來(lái)水流量的增大加劇了導(dǎo)流堤及沖刷槽的沖刷強(qiáng)度，部分推移質(zhì)及較大顆粒的懸移質(zhì)泥沙逐漸淤積在回水線附近的沖刷槽內(nèi)；但當(dāng)水位逐漸回落時(shí)，前期淤積在沖槽內(nèi)的泥沙又被水流沖掉，而后沖刷槽迅速恢復(fù)暢通。

(3)10 a一遇、20 a一遇、30 a一遇時(shí)，庫(kù)水位控制在1 140.0 m以下。導(dǎo)流堤上游堤腳沖刷深度均在5.0 m以上，最大值達(dá)5.5 m；此時(shí)沖刷流速也較大，達(dá)到2.9 m/s以上；沖刷槽寬度在80.0～130.0 m之間。

由于克孜爾水庫(kù)汛期來(lái)沙量約占其全年來(lái)沙量的90.0%，當(dāng)汛期庫(kù)水位降至1 135.0 m附近及下泄流量穩(wěn)定在750.0 m3/s以內(nèi)時(shí)，支流克孜河庫(kù)段全年來(lái)沙量的85.0%將被排出庫(kù)外，有效緩解了水庫(kù)泥沙淤積問(wèn)題。

4.3 實(shí)施效果及其分析

克孜爾水庫(kù)堤渠結(jié)合輔助塑造異重流排沙技術(shù)自2012年投入運(yùn)行至今，實(shí)施效果顯著：

(1)通過(guò)實(shí)地觀測(cè)，支流克孜河庫(kù)段的主河槽已明顯改道至距離大壩排沙底孔較近的左岸處，異重流運(yùn)行距離明顯縮短，水庫(kù)汛期維持在1 140.0 m水位以下運(yùn)行時(shí)，支流入庫(kù)泥沙均能隨著異重流運(yùn)行至大壩從而排出庫(kù)外。

(2)統(tǒng)計(jì)分析2006—2015年水庫(kù)汛期進(jìn)出庫(kù)泥沙資料，見(jiàn)表2。

表2 水庫(kù)汛期進(jìn)出庫(kù)泥沙統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of inbound and outbound sediment ofreservoir during flood season

水庫(kù)未采取堤渠結(jié)合輔助塑造異重流措施時(shí)，水庫(kù)年均排沙比較低，除2010年達(dá)到7.0%以外，其余年份均在3%以下。2010年平均排沙比較大的原因是當(dāng)年水庫(kù)入庫(kù)泥沙總量較大，利于異重流的形成。水庫(kù)自采取堤渠結(jié)合輔助塑造異重流排沙技術(shù)之后，水庫(kù)年平均排沙比得到了極大的提高，基本保持在10%以上。其中2014年年均排沙比達(dá)到10.4%，是2006年年均排沙比2.0%的5倍之多。入庫(kù)泥沙主要集中在汛期，且汛中(7月份)入庫(kù)泥沙量級(jí)較大，堤渠結(jié)合塑造異重流方式排沙效果同樣集中體現(xiàn)在汛中及汛末(即7—8月份)，這與異重流形成及運(yùn)行規(guī)律相匹配，即泥沙多來(lái)多排、高含沙水流更易于形成異重流。對(duì)比分析采取措施前后汛期排沙比，可以發(fā)現(xiàn)汛期排沙效果較年均排沙效果更為顯著，采取措施前后排沙比可達(dá)到6倍之多。

(3)分析水庫(kù)汛期沙峰期間排沙效果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(表3)可知，當(dāng)庫(kù)水位控制在1 140.0 m以下時(shí)，雖然平均進(jìn)庫(kù)含沙量均大于出庫(kù)含沙量，但平均入庫(kù)流量均小于出庫(kù)流量，且變化幅度大于含沙量的變化幅度，故二者作用的結(jié)果促使出庫(kù)泥沙總量大于進(jìn)庫(kù)泥沙總量，排沙比均>100%，極大值甚至達(dá)到380.1%。水庫(kù)汛期排沙比超過(guò)100%的原因除去異重流攜帶泥沙出庫(kù)外，支流河道束窄使支流克孜河庫(kù)段形成的沿淤積三角洲頂點(diǎn)處向上游發(fā)展的溯源沖刷現(xiàn)象也是重要原因。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)支流段形成的溯源沖刷長(zhǎng)度達(dá)6.0 km、寬度達(dá)40.0 m、平均深度在3.0 m以上，排沙效果顯著。

表3 水庫(kù)汛期沙峰期間排沙效果Table 3 Effect of sediment discharge during sand peak in flood season

5 結(jié) 論

(1)新疆克孜爾水庫(kù)汛期水沙特性符合異重流形成規(guī)律，運(yùn)用異重流進(jìn)行水庫(kù)排沙減淤工作，可達(dá)到延長(zhǎng)水庫(kù)壽命的目的。

(2)通過(guò)對(duì)新疆克孜爾水庫(kù)異重流實(shí)測(cè)資料的分析，歸納出了水庫(kù)異重流發(fā)生及持續(xù)運(yùn)行至泄水建筑物時(shí)的臨界水沙條件及水庫(kù)底坡坡降條件，提出了基于入庫(kù)洪水特性的異重流持續(xù)運(yùn)行時(shí)間的計(jì)算方法，為水庫(kù)異重流排沙提供了理論基礎(chǔ)。

(3)結(jié)合克孜爾水庫(kù)固有特性實(shí)施的堤渠結(jié)合輔助塑造異重流方案，不僅使水庫(kù)異重流排沙效率提高，并且解決了部分水庫(kù)前期泥沙淤積問(wèn)題，為今后大庫(kù)盤水庫(kù)的泥沙減淤工作提供了經(jīng)驗(yàn)。