干清支渾型水庫泥沙淤積形態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

周 勤，何長青，米家杉，張春澤

(1.重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶400041；2.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都610056)

天然河流中廣泛存在主支流交匯現(xiàn)象。河流交匯處，由于河相關(guān)系發(fā)生改變，干支流原有水沙平衡被打破。在匯流摻混范圍內(nèi)，強(qiáng)烈的水流紊動(dòng)造成動(dòng)能損失，水體攜帶的泥沙顆粒(尤其推移質(zhì))將在匯口附近淤積，形成攔門沙壩或河口灘[1]，可能引起河道上游水位壅高、堤防潰決等問題，一直被水利工程、航道工程、水環(huán)境工程等領(lǐng)域廣泛關(guān)注[2-3]。

現(xiàn)有相關(guān)研究可根據(jù)水流挾沙方式不同大體分為兩類：其一為交匯區(qū)懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)引起的宏觀淤積，如王小艷[4-5]研究了渭河口門形成攔門沙倒灌黃河，探討其形成及消失條件，劉建新[6]通過原型觀測和模型試驗(yàn)研究嘉陵江與長江匯口處的輸沙與沖淤特性。其二為推移質(zhì)輸沙為主的沙質(zhì)或礫石河流交匯區(qū)河床形態(tài)研究，如Best[7]通過天然小河觀測與模型試驗(yàn)研究沙質(zhì)河床交匯區(qū)泥沙推移和床面形態(tài)，提出交匯區(qū)床面形態(tài)要素，建立床面形態(tài)與交匯角、匯流比的關(guān)系，付敏中[8]通過模型試驗(yàn)研究不同交匯角情況下，彎道干支流交匯后的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)特性及床面形態(tài)變化特征，認(rèn)為交匯面附近推移質(zhì)輸沙率將增大，易沖刷形成深槽。

洪水的短歷時(shí)與突發(fā)性，使得原型觀測十分困難，很大程度上限制了對(duì)匯口上下游泥沙運(yùn)動(dòng)的相關(guān)研究。由于模型試驗(yàn)可以彌補(bǔ)原觀資料帶來的限制，目前已成為研究此類問題的重要手段。本文將通過模型試驗(yàn)研究一種特殊的干清支渾的近壩支流入?yún)R問題，即支流含沙量大，干流則基本為清水的干清支渾入?yún)R問題。在樞紐運(yùn)行后，匯口水流條件將發(fā)生顯著改變，并且隨著庫區(qū)的淤積不斷發(fā)生變化[9]。深入研究其泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律和淤積形態(tài)分布對(duì)下游樞紐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要意義。

1 工程概況

本文主要研究對(duì)象為雅礱江支流安寧河入?yún)R口至其下游的桐子林水電站之間河段。桐子林水電站位于雅礱江下游段，枯期正常蓄水位為1 015 m，汛期運(yùn)行水位為1 012 m，電站壩址上游約2.5 km處為65°急彎，支流安寧河從彎頂匯入，與匯口下游干流夾角約140°。桐子林水電站上游約18 km處已建的二灘水電站將雅礱江全部推移質(zhì)攔截在庫內(nèi)，懸移質(zhì)出庫沙量明顯減小變細(xì)，因此支流安寧河為主要沙源。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型比尺

模型選用幾何比尺1∶100正態(tài)模型，模型試驗(yàn)范圍包含安寧河灣灘水電站至河口約10 km，雅礱江安寧河河口上游1 km至桐子林電站下游1 km。模型沙為輕質(zhì)榮昌精煤，其容重為13.3×103N/m3。根據(jù)模型相似定律與水槽試驗(yàn)確定模型比尺，其中，平面及垂直比尺為100；水流方面，流速比尺為10，流量比尺為100 000，糙率比尺為2.15，水流運(yùn)動(dòng)時(shí)間比尺為10；懸移質(zhì)方面，沉速比尺為10，粒徑比尺為1.41～6.68，揚(yáng)動(dòng)流速比尺為8.73～10.54，含沙量比尺為0.398，沖淤時(shí)間比尺為73；推移質(zhì)方面，粒徑比尺為9.4，起動(dòng)流速比尺為10，輸沙率比尺為348；沖淤時(shí)間比尺為83。

2.2 試驗(yàn)方法

在數(shù)學(xué)模型計(jì)算所得的水庫運(yùn)行5年末淤積床面為基礎(chǔ)，在河床上初步鋪沙，然后施放造床流量Q=8 060 m3/s及對(duì)應(yīng)懸移質(zhì)和推移質(zhì)進(jìn)行造床，之后采用雅礱江、安寧河豐水年(1974年)、中水年(1996年)、枯水年(1973年)為代表年的水沙系列，分別按懸移質(zhì)含沙量及推移質(zhì)輸沙量加沙，進(jìn)行系列年輸沙循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)來沙主要以安寧河為主。于雅礱江干流入口前設(shè)置大型沉沙池，確保干流接近清水，或僅含少量沖泄質(zhì)。試驗(yàn)時(shí)上游流量、下游水位均自動(dòng)控制，懸沙含沙量實(shí)時(shí)監(jiān)測調(diào)整，推移質(zhì)則在安寧河入口添加。

2.3 試驗(yàn)邊界及概化

利用安寧河口上游約3 km處灣灘水文站豐水年(1974年)、中水年(1996年)、枯水年(1973年)代表年來水來沙(懸沙)系列，按模型試驗(yàn)規(guī)程概化后開展洪-中-枯循環(huán)試驗(yàn)，共進(jìn)行了20個(gè)系列年的輸沙試驗(yàn)；入口推移質(zhì)主要模擬其可動(dòng)部分；下游水位根據(jù)水位流量關(guān)系插值；雅礱江桐子林及安寧河灣灘水電站閘門調(diào)度方式則參照設(shè)計(jì)或?qū)嶋H運(yùn)行方式確定。

2.4 模型水面線驗(yàn)證

模型采用卵石按梅花形排列加糙方式調(diào)整糙率，經(jīng)過初步糙率計(jì)算選取了20 mm左右的小卵石加糙，排列間距約20 cm，基本達(dá)到了與原型的阻力相似，水面線驗(yàn)證情況見圖1。

圖1 水面線驗(yàn)證

3 庫區(qū)泥沙淤積規(guī)律

3.1 泥沙淤積量

不同試驗(yàn)?zāi)攴菹聨靺^(qū)泥沙淤積量和淤積速率統(tǒng)計(jì)見表1。從表1可以看出，水庫呈累積性淤積趨勢，但淤積速率逐年減少，至第20年末水庫淤積基本達(dá)到新平衡。

3.2 水庫淤積形態(tài)

干流入庫清水以及大量含沙的支流入庫水流沿程不斷地?fù)交?，但由于支流入?yún)R點(diǎn)距離大壩僅約2.5 km，直至壩址處清渾水的摻混仍不完全，因而該水庫淤積形態(tài)較一般庫區(qū)淤積形態(tài)明顯不同。

3.2.1順流向淤積形態(tài)

(1)入?yún)R口。安寧河入?yún)R口位于雅礱江急彎段彎頂處，雅礱江匯口上下游段與安寧河夾角分別約為65°與140°。受安寧河匯流作用，本該沖向河道左岸的主流向河心偏轉(zhuǎn)，并在偏轉(zhuǎn)區(qū)下游形成高速水流區(qū)，該區(qū)域自干流上游河心至匯口下游右岸，斜切整個(gè)匯口段(見圖2)。高流速區(qū)右側(cè)與右岸之間形成流速、壓強(qiáng)及紊動(dòng)強(qiáng)度均較低的分離區(qū)(即回流區(qū))[10]。對(duì)于這種“Y”形的匯流口，水體撞擊摻混會(huì)對(duì)干支流均產(chǎn)生頂托。雖然匯口處于樞紐庫區(qū)內(nèi)，但并不改變?cè)摱魏拥朗軓?fù)雜水沙條件所控制的淤積形態(tài)和粒徑分布規(guī)律，反而加速了其形成過程。受主流水體擠壓托抬影響，工程運(yùn)行第5年末，支流河口附近最大淤積厚度達(dá)到13 m，攔門沙壩開始形成，淤積后的河床深泓高程約為1 004 m；運(yùn)行第10年末，河口附近最大淤積厚度約15 m，沙壩壩高約6 m；運(yùn)行第15年末，河口附近淤積厚度全面增至15 m，沙壩加高至8 m。匯口回流區(qū)水體動(dòng)能較小，淤積趨勢相對(duì)顯著。工程運(yùn)行第5、10、15年以及20年末，回流區(qū)淤積厚度分別為5～10、6～15、6～18 m和6～20 m，淤積后的深泓高程約982～990、982～990、982～992、986～992 m。高流速區(qū)水體挾沙力強(qiáng)，細(xì)顆粒泥沙不易落淤，因而該區(qū)域淤積形態(tài)和沙質(zhì)組成明顯不同。工程運(yùn)行多年后，該區(qū)域積厚度最高僅為4 m，與周圍河床高程差最大可達(dá)10 m，形成明顯深槽，并沿水動(dòng)力軸線呈帶狀分布，且床沙也主要為粗質(zhì)顆粒。

表1 庫區(qū)泥沙淤積量和淤積速率

注：3年淤積量中包含洪水造床后的淤積量，以下同．

圖2 樞紐運(yùn)行第15年末，交匯口淤積形態(tài)分布

圖3 庫區(qū)不同年份后泥沙淤積等值線

(2)支流安寧河。總體來說，安寧河縱剖面為帶狀淤積。水庫運(yùn)行第5年末，安寧河淤積范圍為河口及以上2.3 km，淤積體上游段厚約2～5 m，深泓高程約1 004～1 006 m；匯口以上段，淤厚度自上至下不斷增大，河口900 m以下最大淤積厚度普遍超過10 m；運(yùn)行第10年末，淤積范圍上延600 m至河口以上3 km，上段淤積厚度大致為1～4 m，淤積床面深泓高程1 004～1 008 m，中段淤積厚度大致在3～7 m，淤積床面深泓高程1 004～1 006 m；運(yùn)行第15年末，淤積范圍上溯至河口以上約3.4 km，上段淤積厚度2～4 m，淤積深泓高程1 006～1 008 m，中段淤積厚度4～8 m，淤積深泓高程約1 006 m；運(yùn)行第20年末，安寧河內(nèi)淤積范圍及厚度變化不大，僅局部略有調(diào)整，表明其沖淤已達(dá)平衡狀態(tài)。

(3)干流雅礱江。雅礱江干流庫段隨水庫淤積的發(fā)展而河勢逐漸趨直，河寬也逐漸趨于一致。水庫運(yùn)行第5、10、15、20年末，匯口至下游彎道淤積厚度大致在2～10、2～12、4～16、4～20 m，淤積后深泓高程約為992～994 m；彎道以下至壩上900 m一般淤積厚度分別為2～11、2～12、4～16、4～20 m，最大淤積厚度分別約20、23、26、26 m，淤積后的深泓高程約982～990、982～990、982～992、982～992 m。

3.2.2橫斷面淤積形態(tài)

圖4 匯口以下(距壩2.4～1.6 km)部分橫斷面淤積分布

從泥沙淤積橫向分布來看，運(yùn)行多年后，安寧河庫段河床普遍發(fā)生淤積，河口附近安寧河河底高程較雅礱江高約10～12 m，形成明顯的攔門沙壩。雅礱江水庫段則由于水庫蓄水引起水動(dòng)力軸線改變，使得原深槽部分呈現(xiàn)淤積態(tài)勢，而凸岸邊灘和緩流區(qū)則是常規(guī)的淤積區(qū)域，特別是支流入?yún)R口以下河道左側(cè)(支流入?yún)R側(cè))邊灘和緩流區(qū)淤積更為明顯，水庫運(yùn)行20年末，左岸淤積為高邊灘，寬度大致在80 m左右，淤積床面高度接近死水位1 012 m(見圖4)。彎道以下河段左岸為凸岸，邊灘淤積現(xiàn)象也較明顯，淤積邊灘最大寬度約160 m，而后隨著泥沙摻混，淤積區(qū)明顯偏左的現(xiàn)象才逐漸有所減弱。

3.3 推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律

桐子林水庫推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律一方面遵循水庫淤積的普遍規(guī)律，另一方面也有自身的特點(diǎn)。受二灘水庫蓄沙在庫的影響，干流幾乎無推移質(zhì)入庫，庫區(qū)推移質(zhì)幾乎全部來自安寧河。水庫蓄水初期，推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)控制在支流安寧河內(nèi)，以斷面的形式向下輸移，隨著運(yùn)行年限加長，推移質(zhì)進(jìn)入干流后將迅速在庫區(qū)內(nèi)輸移。水庫運(yùn)行第10年末，推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)特別是粗顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)仍集中在支流河口以上尚未進(jìn)入干流庫段，而水庫運(yùn)行第20年末，推移質(zhì)開始出庫。此外，支流推移質(zhì)入庫還與干支流水量比有關(guān)，當(dāng)水量比較大(即支流水量相對(duì)較大時(shí))時(shí)，推移質(zhì)更易向下輸運(yùn)。

圖5 水庫運(yùn)行20年末，樞紐壩前淤積地形

從推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律來看，在支流安寧河內(nèi)，推移質(zhì)呈斷面整體向下輸移模式，而在干流庫段，且主要集中在推移質(zhì)輸沙帶內(nèi)向下輸移，輸沙帶處于左側(cè)灘槽交接區(qū)，寬約20 m(見圖5)，這與左岸支流為主沙源也是密不可分的。

4 結(jié)論及建議

桐子林水電站蓄水后庫區(qū)將發(fā)生累積性淤積，水庫逐年淤積，河道逐漸向高灘深槽、順直微彎方向發(fā)展，安寧河河口形成明顯的沙壩，運(yùn)行至第20年末基本達(dá)到新的平衡狀態(tài)。庫區(qū)淤積總量約為899.03萬m3，其中，雅礱江庫段淤積量約為740.26萬m3，安寧河庫段淤積總量約為158.77萬m3，淤積范圍主要集中在干流庫段至支流安寧河總長近6 km的區(qū)域，淤積高程位于死水位1 012 m以下。

對(duì)推移質(zhì)泥沙，其淤積洲頭在電站運(yùn)行第10年末至河口、第20年末開始出庫，其在支流內(nèi)呈全斷面輸移模式，在干流內(nèi)則集中在20 m寬的輸沙帶內(nèi)運(yùn)動(dòng)，該推移質(zhì)輸沙帶位于河道左側(cè)灘槽交界區(qū)域，這一現(xiàn)象與左岸支流為主要沙源密切相關(guān)，由于電站靠左側(cè)布置，因此有粗沙過機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，需要采取一定措施排沙以保證電站安全高效運(yùn)行。